地下連續(xù)墻施工影響應(yīng)力重分布的數(shù)值模擬

夏元友，裴堯堯，王 震，陳少炎，陳 晨

（1. 武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070；2. 中國建筑第三工程局有限公司，武漢 430000）

1 引 言

為確保開挖過程中建筑基坑的正常工作，基坑變形預(yù)測(cè)顯得極其重要，對(duì)于建筑物密集地區(qū)的基坑變形更應(yīng)該得到嚴(yán)格的控制[1]。采用數(shù)值計(jì)算的方法來預(yù)測(cè)基坑工程在各施工步中的變形已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)踐中。傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算沒有考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)（地下連續(xù)墻、支護(hù)樁等）施工對(duì)計(jì)算的影響作用，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的初始土壓力采用的是靜止土壓力[2－3]。

以地下連續(xù)墻支護(hù)的基坑開挖為例，如圖1所示，傳統(tǒng)的基坑開挖數(shù)值計(jì)算連續(xù)墻上的初始土壓力一般都取靜止土壓力E0。考慮土體的應(yīng)力路徑，該取值忽略了施工引起土體擾動(dòng)對(duì)連續(xù)墻上土壓力的影響作用。如果影響作用很大，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的基坑開挖模擬將不能準(zhǔn)確地反映基坑的變形。

考慮施工過程中地下連續(xù)墻上土壓力重分布對(duì)基坑開挖變形預(yù)測(cè)的影響將更符合實(shí)際。如果施工過程對(duì)接下來的基坑開挖墻體變形和地表沉降影響較小，則可以忽略；反之，該過程應(yīng)該得到必要的重視。如圖 2所示[4－5]，基坑開挖之前需要施工地下連續(xù)墻，圖中的 AB段反映了隨著成槽開挖土體在泥漿護(hù)壁作用下卸載的過程，BC段表示隨后混凝土澆筑到固結(jié)的過程，最后的CD段代表在地下連續(xù)墻上土壓力重分布基礎(chǔ)上土體開挖的過程。

圖2 考慮成槽影響的墻上土壓力隨變形變化Fig.2 Stress-deformation behavior of retaining wall considering grooving effect

關(guān)于地下連續(xù)墻施工過程影響基坑變形作用的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬，國外不少學(xué)者做出了一些有意義的研究工作。Gunn和 Clayton[6]提出并分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)施工對(duì)基坑變形影響的重要性。Mortan等[7]將地下連續(xù)墻支護(hù)的基坑變形分為3個(gè)獨(dú)立的階段：①地下連續(xù)墻施工引起的變形；②開挖引起的變形；③開挖降水引起的變形。Poh等[8－9]等對(duì)成槽施工引起土體擾動(dòng)做了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并總結(jié)了大量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出地下連續(xù)墻上土壓力有一定幅度的變化。Thorley和Forth[10]總結(jié)了香港大量地下連續(xù)墻成槽施工對(duì)周圍建筑的沉降影響的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，表明地下連續(xù)墻施工對(duì)基坑變形預(yù)測(cè)有很大的影響，不能忽略。

在數(shù)值計(jì)算方面，Kutmen[11]、Gunn等[12]最早采用平面有限單元法模擬了成槽開挖及混凝土澆灌和固結(jié)過程，但混凝土的澆筑過程采用的是全靜液壓力分布的形式加載，不同于Ng CWW等采用變靜液壓力的方式[4－5,12－13]。Ng CWW 等[12－13]先后采用三維有限元法對(duì)黏土中大型基坑開挖進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，將數(shù)值計(jì)算結(jié)果分別與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和離心機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。Gourvenec和Powrie等[14]采用三維有限元模擬了一系列的地下連續(xù)墻成槽施工工程，并將結(jié)果與二維有限元方法進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，地下連續(xù)墻上的土壓力更多地受槽長的影響，且三維分析較之二維分析結(jié)果更準(zhǔn)確，二維分析結(jié)果偏于保守。Shafer和 Triantafyllidis[4－5]采用三維有限元法先后模擬了成槽影響土壓力擾動(dòng)及考慮成槽影響基坑變形的計(jì)算，結(jié)果表明，考慮成槽影響的基坑變形要比不考慮成槽影響的值要大。Yasushi[15]等將地下連續(xù)墻施工模擬作為基坑變形數(shù)值計(jì)算的必要步驟。

以武漢市某超大型超深基坑地下連續(xù)墻施工為工程背景，選取了10幅連續(xù)槽段對(duì)連續(xù)墻施工過程進(jìn)行了跳躍式三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬，并與地下連續(xù)墻施工過程中的土壓力、水平位移現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，探討地下連續(xù)墻施工影響應(yīng)力重分布的過程及原因。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 工程概況

該超大型超深基坑臨近長江，距長江防洪堤約250 m?；映书L方形，長為304 m，寬為121 m，基坑周邊采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻作為基坑圍護(hù)體，地下連續(xù)墻既作為基坑開挖階段的擋土止水圍護(hù)體，同時(shí)又作為地下室結(jié)構(gòu)外墻。地下連續(xù)墻為165幅，單幅長度為6 m，總長為1 067 m，平均挖深為50.5 m。根據(jù)勘察資料，場(chǎng)地內(nèi)含水層厚度為39.0 m左右，52.5 m以下為中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。上覆相對(duì)隔水層為粉質(zhì)黏土夾粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、厚度位于13.5 m左右，根據(jù)場(chǎng)區(qū)內(nèi)鉆孔資料，下伏隔水層為中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖地層，含水層厚約為39.0 m，靜止水位埋深在11.60～11.90 m之間。上覆少量上層滯水，主要以中間帶承壓水為主。

2.2 數(shù)值模型

數(shù)值模擬采用有限差分軟件FLAC3D，圖 3為成槽模型的整體模型圖。模型包括116 188個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，108 702個(gè)單元，組成8幅長為6 m、2幅3 m的地下連續(xù)墻，所模擬的槽段所在的挖深為47.4 m，沿墻體寬度方向?qū)ΨQ建模。土體和地下連續(xù)墻皆采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。土體本構(gòu)模型選用經(jīng)典的Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，地下連續(xù)墻采用線彈性模型。圖4為逐步成槽開挖模擬過程圖，開挖順序依次為槽段 1、3、2、5、4、7、6、9、8、10。表1為土層物理力學(xué)參數(shù)值，其中，γ為土體重度，E為彈性模量，v為泊松比，c為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦角。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，上層黏土層側(cè)壓力系數(shù)取0.65，下層砂土層取側(cè)壓力系數(shù)0.58。

2.3 地下連續(xù)墻施工模擬步驟

整個(gè)模擬過程依次為槽段土體挖出、混凝土澆筑、及混凝土的硬化。從第1槽段開始，跳躍式的重復(fù)工作直到10幅墻全部模擬完成（見圖4）。

（1）泥漿護(hù)壁作用下開挖

圖3 整體模型圖Fig.3 Sketch of whole model

圖4 跳躍式開挖模型圖Fig.4 Jumping excavation models

表1 土層力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of strata

泥漿壓力的模擬采用常靜液壓力方式加載到開挖后的各臨空面上，包含槽底壓力。

（2）混凝土澆筑模擬

混凝土澆筑過程模擬包括常靜夜壓力加載方式[11－12]及變靜液壓力加載方式[4－5,12－13]。常靜液壓力的加載方式與泥漿壓力的加載方式相同，只是重度取值不一。本文選用變靜液壓力加載方式來模擬混凝土的澆筑過程，具體見式（1）：

式中：pc為混凝土灌注壓力；γs為泥漿重度；γc為混凝土注漿重度，取23.5 kN/m3；hct為臨界深度，一般取槽深度的20%～30%，本文取12.6 m；z為基坑深度。

（3）混凝土固結(jié)硬化模擬

混凝土硬化過程采用線彈性實(shí)體單元進(jìn)行模擬，土體與墻體間設(shè)置接觸面。采用變彈性模量和泊松比的方法來模擬其硬化過程?；炷磷罱K取彈性模量E =45 GPa，泊松比v =0.2。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

由于該基坑面積大，各槽段地下連續(xù)墻施工不連續(xù)，一般相鄰甚遠(yuǎn)。第86幅地下連續(xù)墻相鄰槽段已施工完成，所以本文應(yīng)用數(shù)據(jù)為該幅地下連續(xù)墻施工過程中進(jìn)行的常規(guī)土壓力監(jiān)測(cè)和測(cè)斜數(shù)值。土壓力監(jiān)測(cè)沿長度方向布置3個(gè)斷面，每個(gè)斷面沿深度方向均勻布置6個(gè)土壓力盒，測(cè)點(diǎn)距離開挖槽段面為0.5 m。每槽段距開挖槽段面1 m處平行布置3根測(cè)斜管，沿中軸及兩側(cè)對(duì)稱布置。

4 數(shù)據(jù)分析與討論

圖5為槽段2施工完成后墻中軸線位置沿深度方向按照本文計(jì)算的土壓力值、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的土壓力值、及泥漿壓力值對(duì)比圖。實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的趨勢(shì)和波動(dòng)幅度吻合良好。土壓力值與泥漿壓力的差值隨深度越來越大。

圖5 槽段2施工完成后中軸線處土壓力分布對(duì)比曲線Fig.5 Earth pressure distribution in the middle of panel 2 after construction completion

圖6為槽段 2在泥漿 1#（9.8 kN/m3）和 2#（γs=10.3 kN/m3）護(hù)壁情況下成槽開挖的水平位移計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖，實(shí)測(cè)值總體要大于計(jì)算值，但變化趨勢(shì)吻合良好，最大位移發(fā)生在槽深約36 m的位置，1#泥漿約為16.5 mm，2#泥漿約為14.3 mm，實(shí)測(cè)最大值發(fā)生在接近槽底部，約為19.1 mm。同時(shí)，上層黏土層的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的變化幅度比下層砂土層的要大，砂土層里的變化幅度相對(duì)要小。

圖6 槽段2在泥漿護(hù)壁下開挖完成后水平位移的計(jì)算值及實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線Fig.6 Computed and measured horizontal displacements with slurry supported of panel 2

圖7為槽段2在泥漿護(hù)壁下開挖、混凝土澆筑完成后中軸線處沿深度方向的水平位移計(jì)算值及開挖實(shí)測(cè)值的對(duì)比?；炷翝仓^程中，上層土體位于臨界深度 12.6 m上部的土體受到的注漿壓力增量較之臨界深度下部值要大，上部土體出現(xiàn)了擠壓的情況，最大值出現(xiàn)在13 m左右，為9.8 mm。隨著泥漿壓力的增量幅度相對(duì)土壓力增量的逐漸減小，水平位移慢慢出現(xiàn)負(fù)值。

圖7 槽段2在泥漿護(hù)壁下開挖及混凝體澆筑后水平位移計(jì)算和實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線Fig.7 Computed and measured horizontal displacements with slurry supported and concrete poured of panel 2

圖8為槽段 2在泥漿護(hù)壁作用下開挖深度為6 m及24 m處沿槽段的水平位移計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比圖，總體上看，實(shí)測(cè)值要大于計(jì)算值，差值在2～3 mm。變化趨勢(shì)基本一致。下部土層內(nèi)的計(jì)算偏差要小于上部土層。水平位移最大值出現(xiàn)在槽段中軸線位置，沿槽段兩側(cè)驟減。

圖8 槽段2斷面上泥漿護(hù)壁下水平位移計(jì)算和實(shí)測(cè)值Fig.8 Computed and measured horizontal displacements with slurry supported of panel 2

通過以上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算值的對(duì)比驗(yàn)證了該數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和有效性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)墻上的土壓力進(jìn)行了進(jìn)一步的計(jì)算分析。圖9為按槽段1、3、2的順序依次模擬得到的土壓力變化規(guī)律圖。

圖9(a)、9(b)分別為槽段 1施工完成后為 6 m和15 m深度處前3幅墻上的土壓力分布圖。槽段1施工對(duì)槽段2的土壓力分布有影響作用，影響范圍小于1個(gè)槽段。6 m深度處土體擾動(dòng)較之15 m深處的小，原因在于15 m深度處土壓力與泥漿壓力的差值較大，且注漿壓力在此處的增量亦大所致，前者使土體向外壓出，后者是土體向里擠入。土壓力最大值出現(xiàn)在槽段中部，連接處附近出現(xiàn)最小值。

圖9(c)、9(d)分別為槽段3施工完成后6 m和15 m深度處墻上的土壓力分布圖示。槽段3施工墻上土壓力變化規(guī)律與槽段1類似。1、3槽段的施工對(duì)槽段2的影響使槽段2的土壓力出現(xiàn)對(duì)稱的應(yīng)力拱。

圖9(e)、9(f)分別為槽段2施工完成后6 m和15 m深處墻上的土壓力分布。槽段2施工完成后槽上的土壓力沿靜止土壓力值上下波動(dòng)。

圖10為施工完成后深度為6、18、30 m處墻上土壓力分布圖。土壓力沿著靜止土壓力值上下波動(dòng)，波峰出現(xiàn)在墻體中心位置，波谷靠近墻體連接處。6 m深處和30 m深處的波動(dòng)幅度較之18 m處的大，30 m深處最大。驗(yàn)證了泥漿壓力、注漿壓力與土壓力差值是影響墻后應(yīng)力重分布波動(dòng)幅度的主要原因。30 m深處泥漿壓力與土壓力的差值較大，土體側(cè)向壓出較大，注漿壓力下將土體向里擠入的幅度亦較大，從而導(dǎo)致了土體較大的擾動(dòng)。18 m深處的泥漿壓力、注漿壓力及土壓力大小差值小，土體擾動(dòng)小，所以波動(dòng)幅度也小。理論上講，當(dāng)泥漿壓力、混凝土澆筑壓力和土壓力沿深度重合時(shí)，地下連續(xù)墻施工對(duì)土體擾動(dòng)將非常小。

圖9 各槽段施工完成后墻上土壓力分布Fig.9 Earth pressure distributions after construction completion of panels

圖10 施工完成后深度6、18、30 m處墻上土壓力分布Fig.10 Earth pressure distributions after construction completion of all panels (with depths of 6, 18, 30 m)

5 結(jié) 語

對(duì)武漢市某超大型超深基坑連續(xù) 10幅地下連續(xù)墻施工過程進(jìn)行了三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬。模擬過程包括槽段的開挖、混凝土澆注、及混凝土的固結(jié)硬化。計(jì)算結(jié)果與相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，吻合良好。泥漿護(hù)壁下的開挖使土體向外隆起，混凝土澆筑過程土體向里擠壓。對(duì)單個(gè)獨(dú)立跳躍式開挖過程墻上土壓力的監(jiān)測(cè)，揭示了地下連續(xù)墻施工影響應(yīng)力重分布的變化規(guī)律。施工完成后連續(xù)墻上的土壓力值隨靜止土壓力值上下波動(dòng)，波谷值出現(xiàn)在槽段連接處附近，波峰接近槽段中心軸，波動(dòng)幅度大小與深度有關(guān)。泥漿壓力、混凝土灌注壓力及土壓力差值是影響墻后應(yīng)力重分布波動(dòng)幅度的主要原因。適當(dāng)?shù)哪酀{重度及合適的注漿方法能避免土體的擾動(dòng)。

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