高水位區(qū)地下連續(xù)墻穿越粉砂層槽壁穩(wěn)定性數(shù)值分析*

嚴(yán)朝鋒，張孟喜，周忠群

(1.中鐵二十局集團(tuán)第一工程有限公司，江蘇 蘇州 215151； 2.上海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，上海 200444)

0 引言

地下連續(xù)墻具有整體性好、結(jié)構(gòu)剛度大、抗?jié)B抗裂性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此，在地下結(jié)構(gòu)深基坑圍護(hù)中得到廣泛運(yùn)用。但在復(fù)雜地質(zhì)成槽施工中，槽壁經(jīng)常發(fā)生失穩(wěn)破壞，尤其是在湖中高水位區(qū)進(jìn)行施工，槽壁失穩(wěn)現(xiàn)象更加明顯，成槽開挖后會(huì)造成土體的卸載效應(yīng)，槽壁周邊土體會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力重分布[1]，依靠成槽后泥漿的護(hù)壁壓力來維持槽壁的穩(wěn)定，當(dāng)泥漿的護(hù)壁壓力不足以平衡土體的主動(dòng)土壓力和水壓力的合力時(shí)，槽壁穩(wěn)定狀態(tài)被打破，從而發(fā)生失穩(wěn)破壞，因此，研究湖中高水位地層成槽施工中槽壁失穩(wěn)機(jī)理及變形規(guī)律就顯得十分必要。

目前，針對(duì)各種復(fù)雜地質(zhì)槽壁失穩(wěn)問題已經(jīng)開展了很多研究，Oblozinsky等[2]通過槽壁的二維和三維彈塑性有限元對(duì)比分析發(fā)現(xiàn):在平面應(yīng)變條件下，深層土體的穩(wěn)定性最差；在三維條件下；接近地表面位置土體的穩(wěn)定性最差。George等[3]對(duì)泥皮形成前槽壁局部穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，認(rèn)為增大泥漿密度對(duì)槽壁穩(wěn)定性具有3方面的有益作用。丁勇春等[4]采用 FLAC3D對(duì)地下連續(xù)墻成槽施工及墻體硬化全過程進(jìn)行模擬，分析了槽壁加固、混凝土導(dǎo)墻、剛性地坪及側(cè)邊已有墻體等施工因素對(duì)槽壁側(cè)向位移和地面沉降的影響。秦會(huì)來等[5]采用ABAQUS軟件，土體本構(gòu)模型選用修正劍橋模型，分析研究正常固結(jié)黏性土中超深下連續(xù)墻槽段施工所誘發(fā)的地層變形特點(diǎn)。Zhuo等[6]借助離心模型試驗(yàn)研究了不同類型泥漿對(duì)軟土地層地下連續(xù)墻成槽施工槽壁穩(wěn)定性的影響特征。姜濤[7]針對(duì)單一土層進(jìn)行成槽施工模擬，探究了成槽施工中土體的水平應(yīng)力、水平側(cè)向位移及地面沉降的變化規(guī)律。李曉海[8]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，探究了減壓降水對(duì)粉砂層槽壁穩(wěn)定性的影響。李慕涵[9]采用數(shù)值分析軟件對(duì)緊鄰3幅地下連續(xù)墻成槽全過程進(jìn)行模擬，重點(diǎn)分析了槽壁土體受力與變形規(guī)律。朱寧等[10]采用FLAC3D對(duì)地下連續(xù)墻施工進(jìn)行模擬，分析蘇州地區(qū)粉土地層中地下連續(xù)墻施工對(duì)土體擾動(dòng)及周邊建筑物的影響。邱明明等[11]以深厚富水砂層地下連續(xù)墻成槽施工為研究背景，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究深厚富水砂層地下連續(xù)墻泥漿槽壁穩(wěn)定性特征及其影響因素。

目前，多數(shù)學(xué)者在對(duì)地下連續(xù)墻的數(shù)值模擬中忽略了泥皮作用，這明顯與實(shí)際不符，而本文以蘇州春申湖路快速化改造工程為背景，選取三工區(qū)湖中圍堰施工段的部分地下連續(xù)墻進(jìn)行研究，考慮了泥皮的作用，采用有限元軟件ABAQUS對(duì)地下連續(xù)墻成槽施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示高水位區(qū)地下連續(xù)墻成槽施工中槽壁變形規(guī)律，并對(duì)主要失穩(wěn)影響因素進(jìn)行參數(shù)分析，從而對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高槽壁穩(wěn)定性，為后續(xù)湖中高水位區(qū)地下連續(xù)墻施工提供一些參考。

1 工程概況

蘇州春申湖路快速化改造工程以隧道形式由西向東穿越陽澄西湖，湖中段基坑施工長度為2 685m， 深度10.54～18.17m，隧道采用圍堰明挖法，圍堰采用拉森鋼板樁進(jìn)行隔水施工，湖中圍堰平面布置如圖1所示。湖中段基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，槽段長度為6m，厚度為1m，深度為42m,導(dǎo)墻兩側(cè)采用倒L形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為水下C30及水下C35兩種，墻體之間的接頭采用H型鋼連接。

圖1 湖中圍堰平面布置

根據(jù)勘探結(jié)果，沿線場(chǎng)地地表下90.300m深度范圍內(nèi)地基土構(gòu)成除填土外，其余為第四系濱海、第四系河泛、河床相沉積物，一般由黏性土、粉(砂)土組成。場(chǎng)地淺層地下水中孔隙潛水主要賦存于淺部填土及黏性土中，水位埋深0.700～4.100m，標(biāo)高-0.530～1.630m，穩(wěn)定水位埋深0.300～4.300m，標(biāo)高0.480～2.090m。地下潛水受大氣降水、地表水入滲補(bǔ)給，通過地面蒸發(fā)及側(cè)向徑流排泄。水位隨季節(jié)、氣候變化而波動(dòng)，在雨水季節(jié)補(bǔ)給量大于排水量，潛水面相對(duì)上升，含水層厚度加大。旱季排泄量大于補(bǔ)給量，潛水面下降，含水層變薄，夏秋季節(jié)為高水位，冬春季節(jié)為低水位。地下連續(xù)墻成槽施工需要穿越承壓水層，微承壓水主要賦存于③3粉土及④2粉土夾粉砂中，其富水性一般，透水性較好。承壓水主要賦存于⑥3粉土夾粉砂及⑦2粉土層中，富水性中等。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)湖區(qū)段地下連續(xù)墻施工的實(shí)際情況，采用ABAQUS對(duì)湖區(qū)地下連續(xù)墻進(jìn)行有限元模擬，選取湖區(qū)段部分地下連續(xù)墻進(jìn)行分析，基于對(duì)稱原理，模型采用實(shí)際地下連續(xù)墻的一半進(jìn)行分析，沿著厚度的中垂面進(jìn)行切割，取一半進(jìn)行建模，則模型中地下連續(xù)墻的尺寸變?yōu)椋洪L度6m，深度42m，厚度0.5m，模型中沿著槽段長度方向?yàn)閤方向，沿著槽段厚度方向?yàn)閥方向，沿著槽段深度方向?yàn)閦方向。土體采用實(shí)體單元C3D8P，土體采用莫爾-庫侖模型為破壞的屈服準(zhǔn)則，導(dǎo)墻采用線彈性單元，泥皮采用彈塑性單元，由于泥皮是依附在槽壁上的薄層，且剛度較小，建模用薄殼單元進(jìn)行模擬，地下連續(xù)墻成槽施工模擬的三維模型如圖2所示，計(jì)算模型共計(jì)18 360個(gè)實(shí)體單元，20 615個(gè)結(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型尺寸為120m×60m×80m。邊界條件設(shè)置：其中對(duì)稱面為y=0，采用對(duì)稱約束，y=60m平面約束y方向位移，x=0和x=120m兩個(gè)平面約束x方向位移，底面約束3個(gè)方向位移，地面為自由面，保證模型的豎向變形不受邊界條件約束?？讐哼吔缭O(shè)置：地下水位所處平面孔壓設(shè)置為0，底面孔壓設(shè)置為P=γwZ(γw為水的重度；Z為計(jì)算點(diǎn)到地面距離)，其他邊界默認(rèn)為不透水層。

圖2 有限元三維模型

2.2 土層計(jì)算參數(shù)

湖區(qū)槽段地層由黏性土、粉土、砂性土交互沉積而成，按土層結(jié)構(gòu)、成因及性狀特性將其劃分為6層，如圖3所示，土體和構(gòu)筑物的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。由于湖區(qū)地下水位過高，在地下連續(xù)墻成槽施工中，地下水滲流作用明顯，因此，數(shù)值模型考慮地下水的滲流作用，ABAQUS中通過設(shè)置土層中的孔隙壓力來模擬地下水的靜水孔隙水壓力作用，從而對(duì)成槽施工中槽壁穩(wěn)定性進(jìn)行流固耦合分析[12]。

表1 土體及構(gòu)筑物物理力學(xué)參數(shù)

圖3 槽段橫剖面

2.3 計(jì)算步驟

地下連續(xù)墻塌槽絕大多數(shù)情況下發(fā)生在成槽開挖和泥漿護(hù)壁的過程中，由于土體開挖后，槽壁處于懸空狀態(tài)，容易發(fā)生坍塌，而在混凝土澆筑和凝結(jié)硬化階段，槽段內(nèi)的混凝土?xí)虿郾谕鈧?cè)擠壓土體，減小槽壁的側(cè)向變形，槽壁的穩(wěn)定性會(huì)得到提高。本文重點(diǎn)研究槽壁塌槽規(guī)律，因此，數(shù)值建模中不考慮成槽后混凝土澆筑和凝結(jié)硬化成墻兩個(gè)階段，主要研究土體開挖和泥漿護(hù)壁過程中槽壁側(cè)向變形規(guī)律，模擬步驟如下。

1)地應(yīng)力平衡 首先進(jìn)行力學(xué)計(jì)算得到地層應(yīng)力場(chǎng)，模型中考慮了導(dǎo)墻來計(jì)算土體的初始自重應(yīng)力場(chǎng)。并清除自重應(yīng)力所產(chǎn)生的位移及塑性區(qū)保留應(yīng)力場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地下連續(xù)墻施工模擬。

2)成槽開挖和泥漿護(hù)壁 ABAQUS采用單元生死法來進(jìn)行土體開挖的模擬，3步開挖成槽，成槽開挖后立即在槽壁泥皮上和槽底施加靜水泥漿壓力Fs(見圖4)，通過在槽壁四周區(qū)域單元表面賦予壓強(qiáng)模擬泥漿護(hù)壁壓力，泥漿壓力分布規(guī)律為：

圖4 泥漿護(hù)壁壓力分布

Fs=γbZ

(1)

式中：γb為泥漿重度，取11kN/m3；Z為泥漿深度(m)。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 承壓水作用對(duì)槽壁側(cè)向位移影響分析

不考慮承壓水和考慮承壓水兩種情況下的槽壁側(cè)向位移對(duì)比如圖5所示。考慮到承壓水對(duì)粉土夾砂層抗剪強(qiáng)度的削弱影響，從而對(duì)粉土夾砂層的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行一定程度的折減[13]。由圖5所知，不考慮承壓水對(duì)土體的作用時(shí)，槽壁呈現(xiàn)單峰狀，槽壁側(cè)向位移沿深度呈現(xiàn)隨深度增大而增大，之后接近槽段底部時(shí)側(cè)向位移達(dá)到最大值然后迅速減小至零，側(cè)向位移最大值約在0.9倍槽深處。而考慮承壓水作用時(shí)，槽壁呈現(xiàn)雙峰狀，在粉砂層側(cè)向位移呈現(xiàn)局部增大的情形，之后在槽段底部0.9倍槽深處呈現(xiàn)最大值。

圖5 承壓水作用對(duì)槽壁側(cè)向位移的影響

經(jīng)計(jì)算，考慮承壓水時(shí)，槽壁在底端粉砂層存在明顯的塑性破壞區(qū)。湖區(qū)地下連續(xù)墻超聲波檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，湖區(qū)地下連續(xù)墻施工在底部⑥3粉土夾砂層出現(xiàn)滑塌，而數(shù)值模擬結(jié)果顯示，槽壁最大側(cè)向位移在槽段底端35m處，槽壁側(cè)向位移顯著影響區(qū)域?yàn)?0～40m，且該區(qū)域存在明顯的塑性破壞區(qū)，這和現(xiàn)場(chǎng)槽段超聲波實(shí)測(cè)滑塌區(qū)域基本一致。因此，承壓水對(duì)地下連續(xù)墻成槽施工影響很大，在實(shí)際施工中，承壓水的影響不能忽視，實(shí)踐表明。地層存在高承壓水頭時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用槽壁外側(cè)減壓降水措施，從而確保地下連續(xù)墻成槽的穩(wěn)定。

圖6 湖區(qū)槽段超聲波檢測(cè)結(jié)果

3.2 泥皮作用對(duì)槽壁側(cè)向位移影響分析

不考慮泥皮和考慮泥皮兩種不同情況下的槽壁側(cè)向位移對(duì)比如圖7所示，兩種情況均考慮承壓水，由圖7可知，兩種情況的曲線趨勢(shì)大致相同，考慮泥皮時(shí)槽壁側(cè)向位移適當(dāng)減小，泥皮一定程度上是能起到保護(hù)槽壁的作用，但在粉砂層和粉土層的影響較黏性土大。

圖7 泥皮作用對(duì)槽壁側(cè)向位移的影響

兩種情況下槽壁塑性應(yīng)變對(duì)比如圖8所示。由圖8可知，考慮泥皮時(shí)，槽壁塑性應(yīng)變明顯比不考慮泥皮時(shí)小很多，說明從塑性應(yīng)變的角度去考慮槽壁穩(wěn)定性，則泥皮作用對(duì)槽壁起到明顯的保護(hù)作用，因此，在實(shí)際地下連續(xù)墻施工中，粉土夾砂層的間隙較大，不利于泥皮的形成[14]，而泥皮對(duì)槽壁穩(wěn)定性的影響也不可忽略，可通過控制泥漿配合比改善泥皮性能。

圖8 泥皮作用對(duì)槽壁塑性變形的影響

3.3 槽壁側(cè)向位移在空間上的分布規(guī)律

由確定的槽壁提取路徑(見圖9)，在考慮承壓水的情況下，分別提取距槽壁中垂面距離0，1，2，3m處槽壁側(cè)向位移值，繪制槽壁側(cè)向位移沿深度的變化曲線(負(fù)值表示向槽段內(nèi)側(cè)變形)，如圖10所示。由圖10可知，距槽段中垂面不同距離處槽壁側(cè)向位移沿深度的變化規(guī)律一致，均為雙峰狀，在粉土夾砂層和接近槽段底部處出現(xiàn)最大側(cè)向位移，而靠近地面的槽壁側(cè)向位移很小，說明導(dǎo)墻的存在很大程度上約束了地表處槽壁的側(cè)向變形，距離槽段中垂面越近，槽壁的側(cè)向位移越大，槽段兩側(cè)和底部側(cè)向位移較小。由此說明三維的土拱效應(yīng)在槽段兩側(cè)及底部作用明顯。

圖9 槽段提取路徑示意

圖10 槽壁側(cè)向位移沿深度的變化曲線

4 槽壁穩(wěn)定性影響因素分析

4.1 地下水位對(duì)槽壁穩(wěn)定性的影響

地下水位對(duì)槽壁側(cè)向位移的影響如圖11所示，由圖11可知，地下水位對(duì)槽壁側(cè)向位移的影響大，尤其是粉砂層的側(cè)向位移變化量明顯比其他土層影響大，粉砂層的滲透系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他土層，滲透系數(shù)大的土層對(duì)地下水位的變化較為敏感。另外，地下水位在地下1.5m時(shí)側(cè)向位移最大，且隨著地下水位變?yōu)榈叵?.0m時(shí)，粉砂層槽壁最大側(cè)向位移從32mm下降到24mm，下降了8mm，而當(dāng)水位從地下4.5m再次降到6.0m時(shí)，槽壁最大側(cè)向位移僅變化2mm，由此可見，地下水位過高對(duì)槽壁穩(wěn)定性影響較大，因此，需要對(duì)地下水位過高的地區(qū)采取降水措施，保持地下水位在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，從而提高槽壁的穩(wěn)定性，防止槽壁發(fā)生塌槽。

圖11 地下水位對(duì)槽壁側(cè)向位移的影響

4.2 內(nèi)摩擦角對(duì)槽壁穩(wěn)定性的影響

內(nèi)摩擦角對(duì)槽壁側(cè)向位移的影響如圖12所示，可以看出，改變粉砂層的內(nèi)摩擦角只對(duì)鄰近土層側(cè)向位移產(chǎn)生影響，對(duì)較遠(yuǎn)的土層側(cè)向位移幾乎不產(chǎn)生影響，當(dāng)粉砂層內(nèi)摩擦角達(dá)到16.6°時(shí)，粉砂層槽壁側(cè)向位移最大，達(dá)到36mm，隨著內(nèi)摩擦角的不斷增大，槽壁側(cè)向位移逐漸減小，起初最大側(cè)向位移變化大，當(dāng)內(nèi)摩擦角達(dá)到一定程度，側(cè)向位移變化就較小。由此說明，內(nèi)摩擦角對(duì)槽壁穩(wěn)定性的影響很大，當(dāng)粉砂層中存在承壓水時(shí)，承壓水會(huì)加速土粒流動(dòng)，會(huì)對(duì)土的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生削弱作用，從而一定程度上降低了土層的內(nèi)摩擦角，從而使槽壁穩(wěn)定性降低。除此之外，當(dāng)遇到軟弱土層時(shí)，可以采用局部加固措施，如局部凍結(jié)，可提高土體的強(qiáng)度，進(jìn)而提高槽壁穩(wěn)定性。

圖12 內(nèi)摩擦角對(duì)槽壁側(cè)向位移的影響

4.3 黏聚力對(duì)槽壁穩(wěn)定性的影響

黏聚力對(duì)槽壁側(cè)向位移的影響如圖13所示。由圖13可知，改變黏聚力也會(huì)對(duì)鄰近土層側(cè)向位移產(chǎn)生影響，而對(duì)較遠(yuǎn)土層側(cè)向位移幾乎不產(chǎn)生影響。黏聚力越小，槽壁最大側(cè)向位移越大，當(dāng)黏聚力為5kPa時(shí)，粉砂層槽壁側(cè)向位移最大，最大值為16mm，隨著黏聚力的增大，槽壁最大側(cè)向位移穩(wěn)步減小，但變化幅度均相對(duì)較小。由此說明，黏聚力對(duì)槽壁穩(wěn)定性也發(fā)揮著重要的作用，當(dāng)土層中含有承壓水時(shí)，承壓水的作用可能對(duì)內(nèi)摩擦角和黏聚力均產(chǎn)生削弱作用，因此，不可忽視承壓水的作用，當(dāng)承壓水頭過高時(shí)，要采取措施降低承壓水頭，降低承壓水的影響，從而提高槽壁穩(wěn)定性。

圖13 黏聚力對(duì)槽壁側(cè)向位移的影響

5 結(jié)語

1)當(dāng)考慮承壓水時(shí)，槽壁沿深度變化的側(cè)向位移曲線為雙峰狀，不考慮承壓水時(shí)，曲線為單峰狀。通過數(shù)值模擬和湖區(qū)槽段現(xiàn)場(chǎng)超聲波實(shí)測(cè)對(duì)比，結(jié)果基本吻合，因此，當(dāng)考慮承壓水時(shí)，粉砂層槽壁側(cè)向位移明顯增大，槽壁容易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。

2)泥皮作用對(duì)槽壁側(cè)向位移產(chǎn)生一定影響，但影響不大，若從土層塑性應(yīng)變的角度來看，泥皮對(duì)粉砂層的塑性應(yīng)變的影響較為明顯，因此，實(shí)際地下連續(xù)墻施工中不可忽視泥皮對(duì)槽壁穩(wěn)定性的影響，一般可通過調(diào)整泥漿的配合比來改善泥皮的性能，從而提高槽壁穩(wěn)定性。

3)通過對(duì)地下水位、內(nèi)摩擦角以及黏聚力的影響參數(shù)分析，地下水位對(duì)槽壁側(cè)向位移影響較大，粉砂層的內(nèi)摩擦角和黏聚力對(duì)槽壁的側(cè)向位移影響也較大，相比之下，內(nèi)摩擦角對(duì)槽壁側(cè)向位移影響較黏聚力大。因此，在高水位區(qū)成槽施工中，應(yīng)該結(jié)合降水措施以及對(duì)粉砂層等軟弱土層進(jìn)行土體加固處理，從而能有效提高槽壁的穩(wěn)定性。