圓筒形地下連續(xù)墻不同接頭形式數(shù)值模擬研究

陳 宇

(中冶賽迪上海工程技術(shù)有限公司，上海 200940)

圓筒形地下連續(xù)墻不同接頭形式數(shù)值模擬研究

陳 宇

(中冶賽迪上海工程技術(shù)有限公司，上海 200940)

依托湛江市東海島鋼鐵基地圓形連鑄池工程實例，采用數(shù)值模擬方法，對剛性接頭與鉸接接頭的連續(xù)墻結(jié)構(gòu)進行了受力分析，結(jié)果表明：接頭連接形式的不同對墻體的水平變形大小影響較大，鉸接條件下墻體的水平變形值較剛接時增大了24%。

圓形連續(xù)墻，剛性連接，鉸接，受力變形，數(shù)值模擬

圓筒形地下連續(xù)墻作為一種特殊的連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，在如今的基坑施工中應(yīng)用越來越多。圓筒形墻體由于其自身的拱效應(yīng)能夠?qū)⑼獠客翂恨D(zhuǎn)換成環(huán)向內(nèi)力，使混凝土墻體的耐壓性能得到更好的發(fā)揮，且能較好地控制墻體周圍土體的水平位移。工程中圓筒形連續(xù)墻需要分段澆筑，各槽段連接處結(jié)構(gòu)整體性較差，目前工程設(shè)計中通常將此處接頭視為剛性接頭與柔性接頭兩種情況。不同的接頭形式關(guān)系到墻體的整體性及使用效果，更關(guān)系到工程的經(jīng)濟效益與結(jié)構(gòu)安全。

董秀竹等[1]針對武漢陽邏長江大橋南錨碇工程，對圓形深基坑變形的主要影響因素和墻體位移進行了灰色關(guān)聯(lián)分析，得出位移對分層厚度最為敏感的結(jié)論。田振等[2]對圓形基坑基地變形的研究現(xiàn)狀進行了回顧，并論證了直徑與深度之比、降水和入土深度對圓形基坑基地變形的影響。徐中華[3]整理了90多個地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的位移監(jiān)測結(jié)果，總結(jié)了地下連續(xù)墻的變形特征。熊浩[4]以武漢鸚鵡洲長江大橋深基坑工程圓形地下連續(xù)墻為研究對象建立了計算模型，比較計算值與實測值，全面地分析了圓形地下連續(xù)墻的圍護效果。羅耀武等[5]以上海世博500 kV變電站為例研究了若干因素對圓筒狀地下連續(xù)墻內(nèi)力和變形的影響。胡明輝[6]通過對地下連續(xù)墻建立仿真模型，探討了墻厚、m值和插入比對結(jié)構(gòu)位移的影響。佘海洋[7]通過建立三維有限元力學模型，分析了墻體不同剛度、分幅形式以及坑底加固混凝土標號對施工期整個圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響。目前對圓筒形地下連續(xù)墻的受力與變形分析較多，但槽段間接頭性質(zhì)對墻體受力特性的影響研究較少，有必要結(jié)合實際工程展開接頭形式對連續(xù)墻結(jié)構(gòu)受力與變形影響的研究，為類似工程提供經(jīng)驗。

1 模型假設(shè)

圓筒形地下連續(xù)墻有兩種接頭形式，一般認為剛性接頭能夠抵抗彎矩與剪力的共同作用，對應(yīng)于工程中的鋼筋搭接接頭；工程實際中槽段接頭處的連續(xù)墻剛度必然會被減弱，不能承受顯著的水平方向彎矩，只能傳遞而無法傳遞水平方向彎矩，因此在對連續(xù)墻接頭進行簡化過程中，假設(shè)剛性接頭兩端的墻體不會發(fā)生相對位移、相對轉(zhuǎn)動，而鉸接接頭兩端的墻體則可以圍繞豎向軸轉(zhuǎn)動，如圖1所示。

2 工程概況

本文依托工程為廣東省湛江市東海島鋼鐵基地內(nèi)連鑄旋流池與機清旋流池施工。其中連鑄池半徑為10 m，墻厚800 mm，墻體豎向高度41.7 m，由16段折線型施工槽段組成；機清旋流池半徑為8 m，墻厚800 mm，全高42.7 m，由10段折線型施工槽段組成。兩旋流池中心相距31.7 m，連續(xù)墻墻體采用水下C30混凝土，抗?jié)B等級P10。連鑄池開挖深度為27 m，機清池開挖深度為25 m，并規(guī)定基坑每步開挖深度控制在5 m以內(nèi)。施工過程中坑內(nèi)降水，開挖至坑底最底部時，降水水位低于坑底1 m以下。

場地開挖深度范圍內(nèi)主要土層：素填土層；淤泥層；粘土層;中粗砂層等。依據(jù)相關(guān)地質(zhì)勘查資料，各土層物理力學指標見表1?；诱w模型圖如圖2所示。

表1 土層力學參數(shù)統(tǒng)計表

土類名稱層厚m重度kN/m3粘聚力kPa內(nèi)摩擦角(°)壓縮模量ES/MPa①素填土6．518．217．07．02．5②粘性土2．519．56．011．05③中砂4．019．85．026．010④粘性土1317．740．09．014．5⑤粘性土517．335．012．015⑥中砂1120．5——15⑦粘性土1117．3——14．5⑧粘性土14．017．3——14．5

3 數(shù)值分析

結(jié)合工程中旋流池尺寸大小及施工情況，考慮基坑開挖后對周圍土體應(yīng)力、應(yīng)變的影響，查閱相關(guān)文獻確定幾何模型尺寸如下：模型水平方向長度為170 m，寬度為140 m，豎向高度為70 m。

3.1 參數(shù)及施工工況確定

連續(xù)墻體采用彈性本構(gòu)，土體采用摩爾庫侖模型。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，連續(xù)墻采用C30混凝土，彈性模量對應(yīng)為E=30 GPa，泊松比μ=0.2，重度γ=25 kN/m3。

地連墻與土體接觸面模型圖見圖3。

連續(xù)墻和土體由于材料上的差異較大，兩者接觸面的性質(zhì)對基坑變形有重要影響。相關(guān)文獻中法向剛度kn和切向剛度ks可取接觸面周圍相鄰區(qū)域的等效剛度的10倍左右?；娱_挖共分為11個施工步驟進行，其中連鑄池基坑為6個開挖步，機清池基坑為5個開挖步，豎向最大開挖步距不大于5 m。

3.2 墻體受力與變形對比分析

1)墻體受力對比。開挖結(jié)束后，以尺寸較大的連鑄池為研究對象。兩種接頭類型的連續(xù)墻結(jié)構(gòu)所受的環(huán)向軸力分布趨勢相同，而所受環(huán)向軸力值的大小有所差別。其中剛性接頭連續(xù)墻所受環(huán)向軸力最大值約為3 183 kN，最大值位于接近基坑底部范圍內(nèi)的墻體處；而鉸接接頭連續(xù)墻所受的環(huán)向軸力最大值為3 811 kN，較剛性接頭條件下的相應(yīng)值增大了19.7%，而環(huán)向軸力最大值的位置則差異不大，見圖4。

由于圓筒形地下連續(xù)墻特有的拱效應(yīng)，墻體環(huán)向受力主要表現(xiàn)為壓力作用，環(huán)向所受彎矩值非常小，可忽略不計。墻體豎向彎矩較環(huán)向彎矩稍大，剛性接頭時，墻體所受最大豎向正、負彎矩值分別為135 kN·m，96 kN·m；鉸接接頭時，最大豎向正、負彎矩值的絕對值則減小為110 kN·m與66 kN·m，較剛性接頭條件下分別減小了18.5%與31.3%。且接頭鉸接條件下墻體豎向彎矩的分布形態(tài)也有別于剛接，剛接表現(xiàn)為坑底上方墻體為正彎矩、下方為負彎矩，環(huán)向上分布一致且形態(tài)上無明顯變化；而鉸接時坑底上方最大正彎矩位于各槽段中心處，入土范圍內(nèi)墻體最大負彎矩則位于槽段連接處，呈菱形沿豎向軸線分布，見圖5。

2)墻體水平變形對比。同常規(guī)的矩形基坑連續(xù)墻支護體系相比，圓筒形地下連續(xù)墻的一大優(yōu)勢就是能夠較好地控制墻體的水平變形。針對兩種接頭連接形式，模擬結(jié)果顯示當接頭為剛接時，開挖結(jié)束后墻體的最大水平變形為3.13 mm，位于坑底上方基坑深度的1/3左右；而鉸接時墻體的最大水平方向變形增大至4.13 mm，較剛性接頭增大了24.2%，水平變形最大值位置則無變化。不同的是接頭鉸接時墻體變形沿接頭處呈鋸齒形分布，這也體現(xiàn)了接頭鉸接時較剛性連接時整體性要差一些，見圖6。

兩種接頭形式下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)水平變形隨開挖步的變化曲線繪制于圖7。接頭形式的不同對基坑開挖過程中墻體的水平變形整體趨勢影響不大，每開挖步墻體的最大水平方向變形均位于基底上方的墻體處。剛性接頭與鉸接接頭墻體水平變形隨開挖深度基本呈線性增大，前四步開挖完成墻體已完成最大變形的80%以上，表明鉸接接頭條件下墻體的水平變形對基坑開挖深度較為敏感，這也反映了圓形基坑施工空間效應(yīng)明顯，不應(yīng)單純簡化為平面結(jié)構(gòu)進行分析。

4 結(jié)語

1)同剛性連接相比，接頭形式為鉸接時墻體所受環(huán)向壓力值增大了約19.7%，環(huán)向壓力的分布形態(tài)則差別不大。2)鉸接接頭連接下的墻體所受豎向正彎矩與負彎矩的絕對值均有所減小。彎矩分布形態(tài)有所不同，接頭為剛接時墻體所受豎向彎矩在環(huán)向上無明顯變化；而鉸接條件下豎向彎矩呈菱形沿豎向軸線分布在基底上下的墻體上。3)接頭連接形式的不同對基坑開挖過程中連續(xù)墻體的水平變形大小影響較大，鉸接條件下墻體的水平變形值較剛接時增大了24.2%；另外接頭形式的不同對連續(xù)墻體的水平變形整體趨勢影響不大，但鉸接接頭條件下墻體的水平變形對基坑開挖深度較為敏感。

[1] 董秀竹，吳 浩，阮文軍，等.武漢陽邏大橋南錨碇圓形深基坑變形的智能預測[J].世界橋梁，2005(1):40-42.

[2] 田 振，顧倩燕.大直徑圓形深基坑基底回彈問題研究[J].巖土工程學報，2006,28(sup):1360-1364.

[3] 徐中華.上海地區(qū)支護結(jié)構(gòu)與主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的深基坑變形性狀研究[D].上海：上海交通大學，2007.

[4] 熊 浩.圓形地下連續(xù)墻力學特性及其圍護效果研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學，2014.

[5] 羅耀武，凌道盛，陳云敏，等.環(huán)形超深基坑圍護結(jié)構(gòu)受力變形特性分析[J].巖土力學，2011,32(2):617-622.

[6] 胡明輝.深基坑地下連續(xù)墻變形及受力特性研究分析[J].山西建筑，2011,37(24):69-70.

[7] 佘海洋.圓形深基坑圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究[J].隧道建設(shè)，2015,35(7):665-673.

Research on numerical simulation of different joint forms of cylindrical underground continuous wall

Chen Yu

(ShanghaiCISDIEngineeringLimitedCompany,Shanghai200940,China)

Based on the round continuous casting pool engineering example of Zhanjiang Donghai Island steel foundation, using the numerical simulation method, this paper made force analysis on the continuous wall structure with rigid joint and hinged joint, the results showed that the difference of joint connection forms had little influence to level deformation of wall, the horizontal deformation value of wall under articulated rigid connection increased 24%.

circular continuous wall, rigid connection, hinge, force deformation, numerical simulation

1009-6825(2017)03-0049-02

2016-11-09

陳 宇(1984- )，男，碩士，工程師

TU476.3

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