基于MIDASGTS地下連續(xù)墻接頭分析

文/臧園 武漢科技大學(xué)城市學(xué)院 湖北武漢 430083

1、引言

隨著我國城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，高層建筑、地鐵等重要項(xiàng)目逐漸增多。高層建筑、地鐵等項(xiàng)目的基坑在施工過程離不開地下連續(xù)墻這一重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。其既可充當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)也可充當(dāng)承重構(gòu)件，即“兩墻合一”。但這一結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)計(jì)施工中存在的重難點(diǎn)是地下連續(xù)墻的接頭部位。該部位是地下連續(xù)墻的薄弱位置。目前所應(yīng)用的接頭型式種類較多，有鎖口管接頭、工字鋼接頭、H型鋼接頭、Ⅱ型接頭等。這些接頭按照受力性質(zhì)主要分為柔性接頭和剛性接頭兩種。本文選用柔性接頭作為研究對象，利用MIDASGTS有限元軟件模擬軟土地區(qū)該接頭的受力和變形特點(diǎn)。

2、建模與計(jì)算

2.1 建立模型

研究當(dāng)中選取的土體模型長36m，寬30m，厚50m；其中地下連續(xù)墻長36m，厚1m，深50m，墻體分為6幅，每幅長度為6m；地下連續(xù)墻的兩側(cè)均有土體，土體簡化為2層，上層為粉質(zhì)粘土，下層位為粘性土。圖1為土體及連續(xù)墻整體模型。

模型中對于地下連續(xù)墻取中間位置的墻體，墻體底部采用固定端作為邊界條件，每幅墻體之間的柔性接頭采用鉸接方式作為邊界條件，如圖2所示。

圖1 整體模型

圖2 槽段間的邊界條件

2.2 模型有限元計(jì)算

2.2.1 計(jì)算基本假定及具體參數(shù)

為簡化計(jì)算，基本假定如下：土體為理想的彈塑性材料，同一種材料勻質(zhì)各向同性，不考慮土體的排水固結(jié)，考慮土體與連續(xù)墻間的摩擦力，不考慮地下水的影響。土體及地下連續(xù)墻的具體參數(shù)如表1所示。

2.2.2 模型計(jì)算過程分析

模型主要模擬基坑在開挖階段地下連續(xù)墻接頭處的變形及受力情況，基坑開挖主要經(jīng)歷三個(gè)施工階段每個(gè)施工階段開挖10m深土體，在計(jì)算過程中不設(shè)置支撐，僅考慮土壓力作用下地下連續(xù)墻柔性接頭處的變形和受力情況。土壓力的施加因模型中地下連續(xù)墻墻體厚度選取1m，厚度較大，且在基坑開挖過程中所開挖部分的墻體后方土體呈現(xiàn)主動(dòng)狀態(tài)，故所施加的荷載選取主動(dòng)土壓力。參照文獻(xiàn)[1]提供的理論計(jì)算方法并結(jié)合基本假定，主動(dòng)土壓力可簡化為公式1.1。

在MIDASGTS中基坑的開挖過程通過鈍化的方式進(jìn)行模擬。第一施工階段將首層開挖土體進(jìn)行鈍化，第二施工階段將首層和第二層的土體進(jìn)行鈍化，第三階段將首層、第二層和第三層的土體進(jìn)行鈍化。如圖3所示。

圖3 各施工階段基坑開挖模擬

3、模擬結(jié)果及分析

3.1 接頭處變形分析

從有限元計(jì)算結(jié)果總體看，中間位置的各個(gè)連續(xù)墻柔性接頭位移變化很協(xié)調(diào)，模型中各接頭位移一致。在每一個(gè)開挖階段，柔性接頭處的變形主要為X方向（向基坑內(nèi)的方向）和Z方向（沿著地下連續(xù)墻的深度方向）。Z方向的位移僅為X方向位移的0.8%，因此主要研究X方向位移的變化規(guī)律。

從模型中可以看出在基坑開挖過程中，若不施加水平支撐，地下連續(xù)墻柔性接頭處X方向位移在每一開挖階段從墻底至墻頂總體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，且在墻頂處位移較大。如圖4所示。同時(shí)從圖4中不難發(fā)現(xiàn)第二層和第三層土體在開挖后地下連續(xù)墻柔性接頭處的位移基本一致，說明在第二層土體開挖時(shí)其位移已達(dá)上限。第二、三階段土層開挖后墻體接頭處位移與第一階段土層開挖后墻體接頭處位移差值亦呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，說明在接頭深度越深的位置變形越明顯，最易發(fā)生傾覆事故。

圖4 不同階段土層開挖連續(xù)墻柔性接頭處位移

圖5 不同階段土層開挖連續(xù)墻柔性接頭處應(yīng)力

（-50m代表墻頂處）

（-50m代表墻底最深處）

3.2 接頭處受力分析

在基坑開挖過程中不設(shè)置支撐時(shí)，中間位置連續(xù)墻柔性接頭所受應(yīng)力一致。每一階段土體開挖所受應(yīng)力變化規(guī)律如圖5所示。從圖中可以看出，柔性接頭處的應(yīng)力在第二層和第三層土體開挖時(shí)基本一致，沒有較大變化，說明在開挖第二層土體時(shí)應(yīng)力已達(dá)到上限。首層土體在開挖時(shí)接頭處應(yīng)力變化與其余兩層土體開挖時(shí)應(yīng)力差異較大，首層土體開挖后柔性接頭處在10-20m深度處應(yīng)力波動(dòng)較大。總體上看，每一階段土體的開挖亦是對墻底處的接頭影響最大。

結(jié)論：

深基坑地下連續(xù)墻在開挖過程中若不設(shè)置支撐，地下連續(xù)墻柔性接頭處位移變化比較明顯，隨著開挖深度的增加位移逐漸增大。在墻頂處的位移最大。而柔性接頭處的應(yīng)力隨著開挖深度的增加呈現(xiàn)非線性的變化規(guī)律。在墻底和1/3墻身處波動(dòng)比較明顯。從總體上看，不設(shè)支撐對基坑開挖時(shí)，位移對連續(xù)墻接頭處的安全性影響更大。因此施工過程當(dāng)中必須設(shè)置支撐控制接頭處的位移。保證整個(gè)墻體施工的安全性。