墻周土加固對雙排地下連續(xù)墻結構的影響研究

陳文霞

摘 要：基于某擴建船閘中雙排地下連續(xù)墻支護結構墻周土體加固處理的工程案例，研究墻周土加固效果對雙排墻支護結構的影響。通過利用MIDAS GTS/NS有限元軟件建立三維計算模型，對船閘基坑開挖過程進行數值模擬。針對墻周土加固剛度、加固深度及及墻間區(qū)加固寬度對雙排墻支護結構的變形和內力影響進行了系統(tǒng)的分析。結果表明：墻周土加固可以較好地改善雙排墻結構的變形和內力，其中墻間區(qū)加固的效果明顯;墻周土的加固剛度、寬度與墻間區(qū)的加固寬度均具有一個最優(yōu)范圍，當超過一定范圍后，加固效果不再有顯著提高。

關鍵詞：雙排地下連續(xù)墻;有限元模擬;土體加固;變形和內力

中圖分類號：TU47 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）11-0184-05

Study on the Influence of Soil Reinforcement Around the Wall on the Double-row Diaphragm Wall Structure

Chen Wenxia

（School of Civil Engineering & Transportation， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China ）

Abstract：Based on the engineering case of double underground continuous wall reinforcement in an expansion lock， the effect of wall reinforcement effect on double wall support structure is studied. Numerical simulation of the lock foundation pit excavation process was performed by establishing a 3 D calculation model using MIDAS GTS / NS finite element software. The influence of the supporting structure of the double row wall is analyzed. The results show that the deformation and internal force of the wall soil can improve the reinforcement of the double wall structure better ， including the reinforcement of the wall area; the reinforcement stiffness， width and the wall area have an optimal range， when the certain range， the reinforcement effect will no longer be significantly improved.

Keywords：double row underground continuous wall; finite element simulation; soil reinforcement; deformation and internal force

近年來，為了緩解航道的通行壓力，現有不少地方在原有船閘的附近加建一個新的船閘。工程實踐表明，在新建船閘的基坑工程中，直接進行土體開挖容易導致支護結構產生過大位移、帶來較大地表沉降，進而影響基坑和周圍環(huán)境的安全。因此實際工程中，常對土體進行加固處理來抑制基坑開挖過程中產生的過大變形[1]。

土體加固對基坑變形和周圍環(huán)境的影響一直是眾多學者和工程師關心的問題。張文超等（2015）對基坑主動區(qū)不同加固寬度與深度的組合條件進行數值模擬，討論了主動區(qū)的合理加固范圍[2]。李卓峰等（2017）通過現場靜力觸探測試獲得加固土體真實強度值，結合有限元計算和實測數據，研究了坑底加固對周邊土體位移的影響[3]?？抵拒姡?017）等通過精細化數值模擬，分析了坑底加固土體的參數、加固深度及加固方式對地鐵深基坑變形的影響[4]。熊偉等（2019）采用模型試驗，對坑底土體裙邊加固對基坑變形和支護結構的影響進行了探究[5]。

但隨著地下工程迅速發(fā)展，在軟土地區(qū)中傳統(tǒng)單一的支護結構已難以滿足實際要求，達到嚴格控制基坑的變形、保護周邊建筑及環(huán)境的目的。因此，雙排樁結構、雙排地連墻結構及雙排復合結構作為支護手段開始被應用于軟土地區(qū)超大深基坑工程中[7-8];同時新型支護結構周圍土體的加固效應也受到研究者們的關注。王祥秋等（2020）基于室內試驗模型，對樁間土、樁側被動區(qū)以及樁端土加固不同工況下的雙排樁承載性狀進行研究，發(fā)現樁間土加固的效果最好[9]。黃超煊等（2020）基于雙排樁的預加固處理，研究分析了主動區(qū)、被動區(qū)及樁間土處理深度對雙排樁支護結構的影響[10]。本文基于某擴建二線船閘基坑工程采用有限元軟件進行數值分析，重點研究雙排地下連續(xù)墻墻間區(qū)和主動區(qū)（本文簡稱墻周土）加固對支護結構的影響，從而為今后采用雙排地下連續(xù)墻支護的工程提供參考。

1 工程案例

1.1 工程概況

某樞紐新建二線船閘的船閘閘室段基坑剖面圖如圖1所示，該工程位于某水利樞紐右岸灘地處的河谷平原地區(qū)。閘室段基坑開挖深度內以第四系全新統(tǒng)（Q4）的人工填砂及淤泥質粉質黏土混粉砂為主，坑底以下土層主要為粉細砂、卵石層以及中風化巖?？辈炱陂g，地下水位在地表以下2.4～9.1 m。

新建船閘基坑為長條形，與原有船閘平行，距原有船閘底板邊緣約38 m。閘室段基坑南北向長220 m，東西向寬65 m，開挖深度約15 m。基坑工程采用雙排地下連續(xù)墻+內支撐支護，在靠近原有船閘側采用雙排地下連續(xù)墻支護，前排地下連續(xù)墻厚1.2 m，入巖止水，墻體埋深約36.5 m;后排地下連續(xù)墻厚1.0 m，不入巖層，墻體埋深約33.5 m。前后排墻凈距13.8 m，在頂部采用2 m厚的連板相連。在基坑靠岸一側，采用厚1.2 m單排地下連續(xù)墻支護，入巖止水。支撐的截面尺寸（高×寬）分別為：第一道1.1 m×1 m;第二道1.2 m×1.1 m，兩者縱向間距為4.25 m。

1.2 支護結構土體加固方案

如圖1所示，工程對雙排地下連續(xù)墻間土、后排墻側和單排墻側的主動區(qū)土體均采用高壓旋噴樁進行加固，樁穿透淤泥粉質黏土混粉砂層且樁底高程要超過土層1.5 m以上。其中雙排地下連續(xù)墻側主動區(qū)加固寬度約20 m，單排地下連續(xù)墻側區(qū)加固寬度約26 m，加固深度均為17.5 m，墻間土加固至與主動區(qū)同一高程。

2 有限元模型建立與驗證

2.1 數值模型的建立

本文采用MIDAS GTS/NX有限元軟件建立三維簡化空間模型，為盡可能減小邊界約束對模型的影響，模型邊界尺寸取280 m×68 m×90 m（長×寬×高），模型底部固定，在四周設置水平約束。模型中巖土體和原有一線船閘采用三維實體單元，連續(xù)墻采用板單元，而支撐、立柱等則采用梁單元來模擬。土體均采用硬化土（HS）模型[11]，該本構模型可采用不同的卸載模量和加載模量，能更好地反映土體卸荷時的土體硬化行為。土層物理力學參數的選取如表1所示。支護結構和一線船閘結構均采用彈性本構模型，其中結構材料參數如表2所示。同時，為合理考慮地下連續(xù)墻與土體之間的接觸特性，在接觸面設置界面單元，虛擬厚度系數tv 取0.1，界面強度折減系數R取0.8。

施工工況分析分為5步：①初始應力階段：激活所有土體、荷載和邊界條件，對相應區(qū)域土體進行加固處理，位移清零;②連續(xù)墻施工階段：激活地下連續(xù)墻、立柱和灌注樁;③開挖1：設置第一道內支撐，開挖至-1.5 m;④開挖2：設置第二道內支撐，開挖至-6 m;⑤開挖3：開挖至-10 m。

2.2 模型計算結果及分析

選取閘室段某監(jiān)測點的整理數據，各開挖步工況有限元計算結果和實測數據的墻體位移變化曲線對比如圖2所示。在不同工況下，有限元計算結果與現場監(jiān)測數據的變化趨勢基本相似，曲線沿深度方向呈現“兩頭小中間大”的變化特征。其中，有限元計算的墻體水平位移最大值分別為26.5 mm （前排墻）、18.7 mm （后排墻）;與現場監(jiān)測數據25 mm（前排墻）、16.2 mm（后排墻）相比，誤差較小。且有限元計算位移結果與實測數據整體比較吻合，這說明本文的有限元模型較為合理。

3 墻周土加固效果的影響分析

為研究雙排地下連續(xù)墻結構墻周土體的加固效應，本文結合上述工程案例，通過有限元模擬分析加固強度、加固深度對支護結構的影響。

3.1 加固土體剛度的影響

實際工程土體加固是通過注漿、水泥攪拌樁等措施改善相應區(qū)域土體的力學性能，以提高土體剛度抵抗變形。在數值模擬中，材料剛度的大小是通過設置不同的剛度模量來體現。本文的加固土體采用硬化土模型，割線剛度模量和加載切線模量取壓縮模量Es，卸載-再加載模量取3倍的壓縮模量Es。保持土體加固區(qū)域的寬度及深度不變，選取壓縮模量分別為0、10、20、30、40、50、60和100 MPa的8個工況進行分析。圖3是不同壓縮模量值下的墻體位移變化曲線。

從計算結果來看，墻周土加固能有效改善雙排墻支護結構的變形。隨著墻周土壓縮模量的增加，墻體位移越來越小，但前后排墻體的水平位移變化曲線存在一定的差異。當對墻周土進行加固處理，前排墻墻體的水平位移整體明顯減小，Es=10 MPa時最大水平位移為34.7 mm，比未加固時最大水平位移58.1 mm下降了40.3%;后排墻的墻體位移只在坑底上方處有顯著減小，加固后位移曲線由近似直線分布變?yōu)椤肮亩切汀狈植?。同時，當加固土體的剛度模量增加到一定值后，墻體水平位移的減小趨勢越來越緩。這說明加固土的剛度模量存在一個最優(yōu)值。

3.2 加固深度的影響

選取不同的墻間區(qū)和主動區(qū)加固深度（分別取0、5、10、15、20和25 m），依次進行組合，對組合的36個工況進行分析。圖4為不同組合條件對應的前、后排墻墻體最大水平位移。從圖4可知，墻間區(qū)和主動區(qū)采取不同的加固深度，增加墻間區(qū)土體加固深度更能有效地改善前排墻體的位移。當未進行墻間區(qū)加固時前排墻最大水平位移值為52.1 mm;加固至25 m時能控制前排墻最大水平位移值至26.5 mm，降低了49.1%。同時，隨著主動區(qū)加固深度的增加，后排墻最大位移也有所減小，但對比前排墻位移的減小十分微弱。

墻間區(qū)和主動區(qū)不同加固深度下前后排墻墻體最大水平位移差值如圖5所示;圖6為墻周土分別加固0、5、10、15、25 m時前、后排墻最大彎矩的變化曲線。由圖5可知，增加墻周土的加固深度能減小前后排墻墻體的最大位移差值，改變墻間區(qū)的加固深度時效果最為顯著。由圖6可知，隨著墻周土加固深度的增加，前排墻最大彎矩減小幅度較大。由此可知，在墻周土加固至坑底以下時，墻體最大位移差值和最大彎矩值變化幅度越來越小，因此，墻間區(qū)加固深度為墻周土加固基坑深度的1.2～1.5倍時能有利于加強土體與支護結構的相互作用，有效地協(xié)調前、后排墻的變形和受力。

4 墻間區(qū)加固寬度的影響分析

主動區(qū)加固深度和寬度保持工程實際方案不變，選取墻間區(qū)不同加固寬度（沿前排墻加固寬度依次分別取0、4、8、12和14 m）進行分析。圖7和圖8分別為墻間區(qū)不同加固寬度下前排墻的位移和彎矩變化曲線。

由圖7可知，隨著墻間區(qū)加固寬度的增加，前排墻的墻體位移和彎矩都在減小，墻體中部范圍（-14～-20 m）內的位移和彎矩值變化幅度較大，且前排墻最大彎矩的位置也有所下降。這可能是由于增加墻間區(qū)的加固寬度可使墻間區(qū)土體的抗彎剛度增大，提高墻與土的復合剛度，從而改善了前排墻的變形和內力。但當加固寬度增加至8 m后，前排墻和墻體位移和彎矩值不再有顯著的減小，且逐漸趨于穩(wěn)定。由此可見，墻間區(qū)的加固寬度存在一個界限值，一般在0.5～0.9倍的墻體間距范圍能達到較好的效果。

5 結語

通過建立三維有限元模型，模擬擴建船閘基坑的開挖過程，系統(tǒng)分析了雙排地下連續(xù)墻墻周土剛度模量、加固深度和墻間區(qū)加固寬度對支護結構的影響，得到以下結論：（1）墻周土加固對改善雙排地下連續(xù)墻支護結構的變形和內力有明顯的積極效果。隨著加固土體剛度模量的增大，前、后排墻的水平位移減小，但這種減小趨勢逐漸趨于平緩。因此實際工程中，建議進行一定的經濟分析，合理控制加固土體的剛度模量，進而優(yōu)化投資。（2）隨著墻周土加固深度的增加，前、后排墻的最大水平位移有所減小。但合理的加固深度應在坑底以下，1.2～1.5倍基坑開挖深度為宜，可充分協(xié)調前、后排墻的變形和內力。（3）對墻間區(qū)進行加固處理時，可顯著提高墻體與樁間土的相互作用，增強墻土復合體的剛度，進而有效地減小前排墻的位移和內力。墻間區(qū)加固寬度的變化對前排墻的水平位移和彎矩影響較大，墻間區(qū)加固寬度在前、后排墻間距的0.5～0.9倍較經濟合理。

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