長條形基坑地下連續(xù)墻厚度對支護結構性能的影響研究

摘" 要：以武漢地鐵某線路基坑工程為背景，該文研究長條形基坑地下連續(xù)墻厚度對支護結構性能的影響。在有限元數(shù)值軟件中建立長條形基坑模型，通過改變支護參數(shù)來探究支護參數(shù)對基坑穩(wěn)定性的影響，詳細分析長條形基坑地下連續(xù)墻厚度對支護結構性能的影響及差異性。研究結果顯示，隨著墻體厚度的增大，地連墻的側向位移逐漸減小，基坑周圍土體的沉降受到明顯抑制，基坑坑底隆起量逐漸減小，在基坑中部存在明顯的隆起峰值。

關鍵詞：長條形基坑；地下連續(xù)墻；數(shù)值模擬；支護結構；模型

中圖分類號：TV551.4" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-0092-04

Abstract： Based on the foundation pit project of a metro line in Wuhan， the influence of the thickness of diaphragm wall on the performance of supporting structure is studied in this paper. A long strip foundation pit model is established in the finite element numerical software， the influence of supporting parameters on the stability of the foundation pit is explored by changing the supporting parameters， and the influence and difference of the thickness of the diaphragm wall on the performance of the supporting structure are analyzed in detail. The results show that with the increase of the wall thickness， the lateral displacement of the diaphragm wall decreases gradually， the settlement of the soil around the foundation pit is obviously restrained， the uplift at the bottom of the foundation pit decreases gradually， and there is an obvious uplift peak in the middle of the foundation pit.

Keywords： long strip foundation pit; diaphragm wall; numerical simulation; supporting structure; model

來到21世紀，科技的飛速發(fā)展推動了時代的進步，中國的地鐵建設同樣發(fā)展迅猛，進入了一個新的時期。我國的北京、上海和廣州等國際大都市，還有許多經(jīng)濟較發(fā)達的二線城市也順應潮流，大規(guī)模地建設地鐵[1-2]。長條形基坑是地鐵建設最常見的基坑形式，存在長度長、深度深和支護難度大等問題。

地下連續(xù)墻是鋼筋混凝土擋土墻，起源于歐洲，其出現(xiàn)依賴于石油鉆井過程中泥漿的使用和水下澆筑混凝土技術的發(fā)展[3]。中國在20世紀50年代末引入了地下連續(xù)墻技術，如今，在地鐵基坑支護工程中應用較多[4]。地下連續(xù)墻作為常用的基坑支護接之一，具有整體性能好、適應性優(yōu)良和墻體剛度大等很實用的優(yōu)點，挖掘基坑時，接收土壓力的上限更高，使得地基和結構不產(chǎn)生較大變形，在施工開展地基沉降和塌方的風險大大降低，既可以用作超深圍護結構，也可用作主體結構而深受設計者的偏愛，但是如何更好地提高地連墻支護結構的經(jīng)濟性仍是一個難題[5-6]。

本文以武漢市武漢地鐵某線路基坑工程為背景，建立長條形基坑的數(shù)值模型，通過改變地下連續(xù)墻支護參數(shù)來探究支護參數(shù)對基坑穩(wěn)定性的影響，詳細分析了參數(shù)變化對長條形基坑地下連續(xù)墻厚度對支護結構性能的影響及差異性。主要以地連墻向基坑內(nèi)方向的位移、基坑周圍土體的沉降量及基坑底部隆起量3個指標來說明。

1" 研究方法及模型

1.1" 研究方法

當研究跟地連墻相關的工程分析問題，像固體力學中位移場及應力場分析，還包括流場分析在內(nèi)，其實其核心內(nèi)容都是在邊界條件已經(jīng)確定的情況下，計算里面的控制方程（通常是常微分方程和偏微分方程）[7]。這些控制方程只有在簡單的情況下才能獲得解析解，因而只有求助于數(shù)值解，隨著計算技術的發(fā)展，快速數(shù)值計算和大量數(shù)據(jù)的運算成為可能，現(xiàn)在有3種偏微分方程的數(shù)值解法應用較為普遍，分別是有限差分法、有限元法和邊界元法。

在這3種解法里面，有限元法是一種通用性最好，應用最廣的求解數(shù)學物理問題的數(shù)值計算方法，全稱叫做有限單元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）[8]。在1960年前后，應用數(shù)學、現(xiàn)代力學還有計算機科學開始發(fā)展起來，對這三者的進行融合及綜合利用之后，便產(chǎn)生了有限單元法。從最初的飛機設計，到后面工程里的結構分析、流體力學等問題，有限元法的使用越來越普遍[9]。對于有限元法而言，網(wǎng)格劃分和區(qū)域插值計算是其中最精髓的兩個方面。任何一個區(qū)域被分開之后，都會產(chǎn)生很多小區(qū)域。節(jié)點和單元邊就是每個小區(qū)域的組成要素。因此需要把連續(xù)量進行離散化，讓任何一個節(jié)點都有所分配，那么要讓結果精確度達到更高的水平，就要把網(wǎng)格進行更詳細的劃分[10]。當碰到那些用解析方法行不通的問題，或者邊界條件模糊而且結構形態(tài)不規(guī)則的疑難題目，都能用有限元方法來分析。

1.2" 本構模型及參數(shù)的確定

由于在摩爾庫倫模型中，將土體視為理想的彈塑性體，只考慮了土體強度隨圍壓的變化，卻沒有考慮其彈性模量隨圍壓變化。這與實際工程地質材料不符，若用此本構模型進行基坑開挖計算，不僅不能很好地反映出基坑的實際變形情況，還可能使得計算結果失真[11]。為此，本文土體的本構關系將采用修正摩爾庫倫模型。

修正摩爾庫倫模型是剪切屈服和受壓屈服之間沒有相互影響的雙重模型，其組合屈服面在p-q空間可表示為[12]

，（1）

，（2）

，（3）

式中：R1（θ）和R2（θ）分別表示三軸受壓和三軸受拉的強度，且為θ函數(shù)；？準cv也為體積一定時的摩擦角。

修正摩爾庫倫模型的屈服面分別由描述剪切硬化和高約束應力狀態(tài)下帽子本構硬化的屈服面組成。由于修正摩爾庫倫模型采用塑性理論、考慮了土體的剪脹性、引入屈服帽蓋，所以更能準確地模擬土體材料[13]。本文的土體采用修正摩爾庫倫模型，支護結構采用彈性模型。

1.3" 基坑模型

根據(jù)武漢地鐵某線路基坑工程，模擬的長條形基坑為長20 m、寬6 m、深10 m。從上到下的土層依次是雜填土、粉質粘土、強風化花崗巖和中風化花崗巖，厚度依次為1.5、4、8和20 m，各土層力學參數(shù)見表1。

圖1為在數(shù)值軟件中建立的長條形基坑模型，圖2為地連墻厚度為1 m、嵌固深度為10 m時，長條形基坑內(nèi)方向位移，基坑底部隆起及基坑周圍沉降的云圖，從圖可見基坑內(nèi)方向位移，基坑底部隆起量及基坑周圍沉降均出現(xiàn)在基坑長邊的中軸位置，所以后面均以這一位置上的指標來分析和比較。

2" 地連墻厚度對地下連續(xù)墻支護結構性能的影響

2.1" 地連墻厚度對基坑內(nèi)側位移的影響分析

在有限元軟件中建立的長條形基坑模型（圖1），為研究地連墻的厚度對地連墻在基坑支護過程中內(nèi)側位移影響，在有限元軟件中設置5種厚度的地連墻，分別為0.5、0.8、1.0、1.2和1.5 m。

開挖至坑底后，地連墻長向中軸側壁位移（0～20 m）隨地連墻的厚度關系如圖3所示。從圖中可以看出，隨著地連墻厚度從0.5 m增大到1.5 m，地連墻的側向峰值位移隨之減小，且減小趨勢變緩，其峰值位移分別為7.21、2.47、1.38、0.85和0.48 mm，其中0.5 m厚的地連墻在地連墻底部出現(xiàn)明顯的反翹現(xiàn)象，這是由于地連墻頂部的位移太大造成的。各種地連墻墻體的側向位移隨深度的增加逐漸減小。

地連墻厚度對長條形基坑支護結構坑內(nèi)位移的影響是評價基坑自身圍護結構穩(wěn)定性的重要指標，隨著基坑開挖，地連墻側向位移逐漸增大。隨著墻體厚度的增大，地連墻的側向位移逐漸減小。

2.2" 地連墻厚度對基坑周圍沉降的影響分析

開挖至坑底時，基坑地連墻外側長向中軸上土體沉降量隨地連墻厚度變化的關系如圖4所示，從總體上來看，隨著地連墻厚度的增加，其沉降量急劇減小，但減小趨勢變緩。0.5、0.8、1.0、1.2和1.5 m厚的地連墻支護后，基坑周圍的最大沉降值分別為13.1、5.58、3.12、1.96和1.02 mm，此外，距基坑20 m外的區(qū)域，基坑開挖對其影響較小。

基坑周圍土體沉降值是評價基坑開挖對鄰近既有建筑物影響的重要指標。隨著地連墻厚度的增加，對基坑周圍土體的沉降有明顯的抑制作用，墻體厚度從0.5 m增大至0.8 m，周圍土體峰值沉降減小最多，隨后慢慢變小。

2.3" 地連墻厚度對基坑坑底隆起的影響分析

基坑開挖必然造成坑底隆起，基底隆起量的大小是判斷基坑穩(wěn)定性和變形的重要指標。基坑發(fā)生失穩(wěn)是不允許的，但允許產(chǎn)生一定量的隆起。隨著基坑開挖造成的土體的應力釋放，引起坑底土體向上回彈，圖5為各種厚度的地連墻支護下，開挖至坑底時基坑中心底部的隆起量隨地連墻厚度變化的情況。很明顯可以看出，基坑中部的隆起量最大，且隨著地連墻厚度的增大，坑底隆起量隨之減小，同樣其減小趨勢變緩，峰值隆起量分別為8.01、4.11、2.87、2.12和1.35 mm。

基坑坑底隆起是評價基坑本身穩(wěn)定性的主要因素，隆起量過大會導致圍護結構變形過大甚至失穩(wěn)，因此工程實際中應嚴格把控基坑底部隆起量。長條形基坑中，基坑坑底隆起量隨地連墻厚度的增大而減小。不過，在基坑中部存在明顯的隆起峰值，因此靠盲目增大厚度去抑制基坑隆起是不經(jīng)濟的。

3" 結論與展望

本文以武漢市武漢地鐵某線路基坑工程為背景，建立長條形基坑的數(shù)值模型，通過改變地下連續(xù)墻支護參數(shù)來探究支護參數(shù)對基坑穩(wěn)定性的影響。主要得出如下結論。

1）隨著基坑開挖，地連墻側向位移逐漸增大。隨著墻體厚度的增大，地連墻的側向位移逐漸減小。

2）隨著地連墻厚度的增加，對基坑周圍土體的沉降有明顯的抑制作用，墻體厚度從0.5 m增大至0.8 m，周圍土體峰值沉降減小最多，隨后慢慢變小。

3）長條形基坑中，基坑坑底隆起量隨地連墻厚度的增大而減小。不過，在基坑中部存在明顯的隆起峰值，因此靠盲目增大厚度去抑制基坑隆起是不經(jīng)濟的。

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