接頭形式對(duì)框格式地下連續(xù)墻應(yīng)力變形影響的有限元分析

，，，

(1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都 610072;

2.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072；

3.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 地下連續(xù)墻接頭形式類(lèi)型

地下連續(xù)墻在工民建工程中被廣泛應(yīng)用[1-4]，其地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)、防滲性能好、工效高、工期短、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)效益高、環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛認(rèn)可。地質(zhì)條件、施工難度、結(jié)構(gòu)不均勻沉降等各方面因素導(dǎo)致了地下連續(xù)墻不能被施工成一個(gè)完整體，所以施工接頭不可避免地產(chǎn)生了。施工接頭的研究取得了一定的進(jìn)展[5]，現(xiàn)在工程上已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了工字鋼接頭、接頭管連接、接頭箱連接、工字鋼接頭、十字鋼板接頭、凹凸型預(yù)制鋼筋混凝土楔形樁接頭等接頭形式[6]。各種接頭形式大致可歸納為剛接、鉸接和半自由等3種接頭形式，其中剛接頭能讓墻體形成整體；鉸接使得墻體在厚度方向可以轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)可以承擔(dān)一定的軸向拉力；半自由接頭則使其可承擔(dān)軸向壓力及一定厚度方向的剪應(yīng)力，但不能抗拉。因此，地下連續(xù)墻的整體受力性能與不同接頭形式有關(guān)，也成為困擾工程界的一個(gè)難題。

在一般的工民建工程中，地下連續(xù)墻由不同的墻段圍成了環(huán)狀體系，其受力特性比較單一，與水電工程中平直的連續(xù)墻體系存在著比較大的區(qū)別。本文以桐子林水電站導(dǎo)流明渠末段導(dǎo)墻基礎(chǔ)的框格式地下連續(xù)墻為例，基于大型有限元軟件ABAQUS對(duì)框格式地下連續(xù)墻的剛接、鉸接及半自由3種形式的接頭進(jìn)行了非線(xiàn)性有限元數(shù)值模擬，揭示接頭形式對(duì)導(dǎo)流明渠基礎(chǔ)框格式地下連續(xù)墻應(yīng)力變形影響，為工程提供一定的參考。

2 有限元計(jì)算模型

2.1 工程背景

桐子林水電站所在的雅礱江具有典型的深覆蓋層特點(diǎn)，覆蓋層由2層砂卵礫石層及夾于2層之間的粉砂質(zhì)黏土層構(gòu)成，覆蓋層以下是Ⅳ—Ⅴ類(lèi)圍巖及斷層。由于河道寬度及周邊環(huán)境的限制，所以在該工程明渠末段導(dǎo)墻基礎(chǔ)使用了框格式地下連續(xù)墻技術(shù)。

由于施工技術(shù)及地質(zhì)條件的限制，基礎(chǔ)成槽的時(shí)候只能分期隔段開(kāi)挖，導(dǎo)致了地下連續(xù)墻必須分段分期施工，這就使得框格式地下連續(xù)墻的施工面臨著施工接頭的問(wèn)題。在下面的模擬中對(duì)各種接頭形式下墻體的應(yīng)力應(yīng)變特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的比較。

2.2 數(shù)值模型

限于篇幅，本文選取覆蓋層最深的導(dǎo)流明渠末段導(dǎo)墻斷面(圖1)的框格式地下連續(xù)墻在施工期最危險(xiǎn)工況下的狀態(tài)進(jìn)行分析。根據(jù)該斷面的實(shí)際地質(zhì)特點(diǎn)，建立了槽段有限元模型(一個(gè)完整的槽段加兩側(cè)各半個(gè)槽段，從左岸到右岸按1#—3#的順序?yàn)閴w編號(hào))，并在3#連續(xù)墻頂端的明渠底板上設(shè)了結(jié)構(gòu)縫，有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖2?；谠O(shè)計(jì)和施工兩方面考慮，框格式地下連續(xù)墻接頭只出現(xiàn)在縱橫墻體交界位置(圖3)。

圖1 有限元模型主要參考斷面

圖2 有限元計(jì)算整體網(wǎng)格

圖3 各種接頭形式俯視圖

框格式地下連續(xù)墻墻體厚1.2 m，1#—3#距離32 m。覆蓋層最深約31 m，而地下連續(xù)墻最大深度約26 m。有限元模型在順河向(x正方向)長(zhǎng)20 m，垂直方向(y正方向豎直向上)高程范圍為979～1 024.6 m，橫河向即z方向范圍為-84～110 m。

2.3 材料參數(shù)件及計(jì)算條件

本文采用摩爾-庫(kù)倫(Mohr-Coulomb)計(jì)算理論和非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則對(duì)巖土材料進(jìn)行模擬。根據(jù)試算的結(jié)果，圍堰土壓力按照靜止土壓力考慮，水壓力則根據(jù)靜水壓力方法計(jì)算?？蚋袷降叵逻B續(xù)墻與基巖交界面均設(shè)置了接觸，根據(jù)泥皮約10°的內(nèi)摩擦角確定其摩擦系數(shù)為0.2，采用接觸非線(xiàn)性的方法計(jì)算。有限元模型各種材料的物理參數(shù)均從試驗(yàn)得到(詳見(jiàn)表1)。

表1 計(jì)算采用的材料物理力學(xué)參數(shù)

在此工況下，導(dǎo)墻左側(cè)的水位為1 004 m，導(dǎo)流明渠水位為995 m，導(dǎo)墻左側(cè)有高程為1 004 m的堆石料圍堰，河道覆蓋層上表面高層980 m。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 位移結(jié)果與分析

圖4中的(a),(b),(c)表示地連墻的橫河向水平位移。地框墻有向明渠方向整體變形的趨勢(shì)，1#墻跨中位置的變形最大。隨著墻體整體剛性的減小，墻體抗剪特性減弱，半自由接頭的橫河向水平位移峰值最大。

圖4中的(d),(e),(f)表示地連墻的垂直沉降。接頭形式對(duì)垂直沉降影響不是特別明顯。在不均勻沉降控制方面半自由接頭效果更好?？蚋袷降剡B墻的三維效應(yīng)明顯，使其位移結(jié)果較小。各接頭形式下的位移結(jié)果峰值見(jiàn)表2。

圖4 地連墻橫河向水平位移和垂直沉降分布

表2 各接頭形式下的位移結(jié)果峰值

3.2 應(yīng)力成果與分析

從地連墻豎直向的應(yīng)力分布(圖5中的(a)、(b)、(c))可知，地連墻上幾乎不存在豎直向的拉應(yīng)力，1#墻和1#—2#之間的隔墻上承擔(dān)了主要的豎直向壓應(yīng)力。接頭讓墻體受力更加均勻，但是局部位置豎直向壓應(yīng)力增大明顯，應(yīng)力峰值從5.47 MPa增大到8.41 MPa。

從地連墻橫河向的應(yīng)力分布(圖5中的(d)、(e)、(f))可知，接頭形式對(duì)該應(yīng)力的分布影響較大，最大拉應(yīng)力位置從1#墻體嵌巖端轉(zhuǎn)移到1#墻垂直方向中間位置。峰值亦從1.18 MPa增加到1.60 MPa。

從地連墻順河向的應(yīng)力分布(圖5中的(g)、(h)、(i))可知，應(yīng)力峰值均主要產(chǎn)生于1#墻上，但是大小及分布隨接頭的變化非常敏感。在剛接頭狀態(tài)下，最大拉應(yīng)力產(chǎn)生于1#墻與橫河向墻體的交叉位置外側(cè)，最大拉應(yīng)力約6.93 MPa，1#墻內(nèi)側(cè)跨中位置最大拉應(yīng)力值約4 MPa。在鉸接狀態(tài)下，最大拉應(yīng)力產(chǎn)生于1#墻內(nèi)側(cè)跨中位置，最大約8.85 MPa，1#墻與橫河向墻體的交叉位置外側(cè)處的最大拉應(yīng)力值約3.51 MPa。在半自由接頭狀態(tài)下，最大拉應(yīng)力亦產(chǎn)生于1#墻內(nèi)側(cè)跨中位置，峰值為5.75 MPa，1#墻與橫河向墻體的交叉位置外側(cè)處的最大拉應(yīng)力值約1.3 MPa。從應(yīng)力分布及應(yīng)力峰值看，半自由連接具有一定的優(yōu)勢(shì)。

圖5 地連墻豎直向、橫河向及順河向正應(yīng)力

地連墻橫河向水平剪應(yīng)力(圖6)在不同接頭形式下變化明顯：剛接狀態(tài)下地框墻上的剪應(yīng)力峰值主要在1#—2#之間的墻體嵌巖端和3#墻右側(cè)的隔墻下端，鉸接及半自由接頭狀態(tài)下墻體剪應(yīng)力峰值位置主要集中在1#頂端及3#墻右側(cè)的隔墻頂端，而且應(yīng)力峰值從2.81 MPa增加到5.61 MPa，半自由狀態(tài)下剪應(yīng)力影響最大。

圖6 橫河向水平剪應(yīng)力

各接頭形式下的應(yīng)力結(jié)果峰值見(jiàn)表3。

表3 各接頭形式下的應(yīng)力峰值

4 結(jié) 論

本文針對(duì)水電工程中地下連續(xù)墻施工中接頭形式影響地下連續(xù)墻整體的受力及變形性能，基于ABAQUS軟件對(duì)桐子林水電站框格式地下連續(xù)墻在不同接頭形式下的施工過(guò)程進(jìn)行了非線(xiàn)性有限元數(shù)值模擬，詳細(xì)分析比較了3種接頭形式的地下連續(xù)墻在最危險(xiǎn)施工工況下的應(yīng)力與變形，為實(shí)際連續(xù)墻施工中接頭形式選擇提供一些參考。主要結(jié)論如下：

(1) 鉸接及半自由接頭使得結(jié)構(gòu)的局部水平方向位移增大，對(duì)垂直沉降影響不明顯；不均勻沉降方面，半自由接頭有一定的優(yōu)勢(shì)；但是無(wú)論是哪種接頭，結(jié)構(gòu)的變形均能滿(mǎn)足工程需要。

(2) 鉸接及半自由接頭讓連續(xù)墻結(jié)構(gòu)垂直受力更加分散，但局部位置垂直壓應(yīng)力明顯增大，半自由接頭表現(xiàn)最突出。

(3) 鉸接及半自由接頭下結(jié)構(gòu)最大橫河向拉應(yīng)力位置從1#墻體嵌巖端轉(zhuǎn)換到1#墻垂直方向中間位置，峰值亦有一定的增加。

(4) 在不同的接頭形式下，結(jié)構(gòu)在橫河向水平方向的剪應(yīng)力變化明顯，峰值明顯增大，產(chǎn)生的位置從1#—2#之間的墻體嵌巖端轉(zhuǎn)移到1#墻頂端，這使得墻體出現(xiàn)厚度方向的剪切破壞。

(5) 墻體的順河向正應(yīng)力是受接頭形式影響最敏感的因素，剛接頭狀態(tài)下拉應(yīng)力峰值產(chǎn)生于1#墻與橫河向墻體的交叉位置外側(cè)；鉸接及半自由狀態(tài)下，拉應(yīng)力峰值主要產(chǎn)生在1#墻內(nèi)側(cè)跨中位置，1#墻與橫河向墻體的交叉位置外側(cè)會(huì)保留相對(duì)較小的拉應(yīng)力；半自由接頭的地連墻的順河向拉應(yīng)力最小。

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