深厚淤泥質(zhì)地層基坑地下連續(xù)墻施工機理研究

趙 南 杰

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

地下連續(xù)墻應(yīng)用廣泛，該結(jié)構(gòu)具有剛度大、整體性強、防滲性和耐久性好等優(yōu)點，但是在施工過程中也常常發(fā)生槽壁坍塌現(xiàn)象[1-4]，特別在不穩(wěn)定地層中坍塌的情況比較嚴(yán)重，造成混凝土繞流，影響連續(xù)墻的施工質(zhì)量[5-7]。本文在平面應(yīng)變假定的基礎(chǔ)上，采用有限元方法模擬了連續(xù)墻的施工效應(yīng)。本文采用數(shù)值模擬的方法，能夠模擬土體的應(yīng)力與變形形態(tài)，合理反映地下連續(xù)墻施工引起的地層變位的動態(tài)變化。本文采用ABAQUS模擬地下連續(xù)墻成槽開挖、混凝土澆筑和硬化全過程，研究地下連續(xù)墻施工引起的地層受力與變形特性，并將計算應(yīng)力結(jié)果和現(xiàn)場實測結(jié)果進行比較。旨在為地下連續(xù)墻設(shè)計與施工提供參考。

1 工程概況

深圳地鐵10號線益田停車場位于福田區(qū)，廣深高速北部的綠化帶和富榮路地下空間，結(jié)構(gòu)為東西向。益田停車場是一個雙層停車場。標(biāo)準(zhǔn)截面結(jié)構(gòu)為雙層五跨矩形框架結(jié)構(gòu)。該用地的性質(zhì)是城市綠地。長555.7 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬50.75 m，深21.7 m，配套工程安全水平為一級。停車場范圍地質(zhì)情況從上至下分別為：素填土、淤泥質(zhì)黏性土、粗砂，礫質(zhì)黏土、強風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。該項目北靠益田村，南臨廣深高速公路。它位于繁華的市區(qū)。施工不僅對周邊環(huán)境有影響，周邊的城市環(huán)境也將不可避免地影響到施工過程。地塊內(nèi)有下穿廣深高速的2號人行隧道、3號車行隧道，110 kV變電站一座以及數(shù)條東西方向的110 kV高壓地下電力管廊，益田路立交橋橋墩坐落在地塊東側(cè)，廣深港盾構(gòu)隧道在益田立交東西兩側(cè)由南向北下穿廣深高速，以上市政設(shè)施均對地下停車場的布置有影響。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型及參數(shù)

基于大型有限元程序ABAQUS，針對淤泥質(zhì)地層大型地鐵車站深基坑工程的穩(wěn)定性，建立了益田停車場深基坑三維有限元模型，確定模型長698 m，寬287 m，高80 m，單元共計96 885，有限元數(shù)值計算模型如圖1所示。各材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

材料彈性模量MPa泊松比天然重度kN/m3直接快剪粘聚力/kPa摩擦角雜填土100.2519.00.08素填土250.418.64.36.5粉質(zhì)黏土300.3019.41020.0黏質(zhì)粉土1 8000.2619.715.617.7中砂3000.419.52.028.0

2.2 計算步驟

計算模型考慮了地下連續(xù)施工前后橫向位移、豎向位移隨施工的變化具體計算步驟如下：

第一步：開挖從0 m～-2 m，挖深為2 m，同時施加第一道支撐；第二步：達到設(shè)計強度后，第二步開挖從-2 m～-6 m，挖深為4 m，同時施加第二道支撐；第三步：達到設(shè)計強度后，第三步開挖從-6 m～-12 m，挖深為6 m，同時施加第三道支撐；第四步：達到設(shè)計強度后，第四步開挖從-12 m～-21.7 m，挖深9.7 m，開挖至坑底后，開挖結(jié)束。拆除第三道支撐并修建車站底板；第五步：拆除第二道支撐并修建車站中板；第六步：拆除最后一道支撐并修建車站頂板。

3 計算結(jié)果分析

3.1 地下連續(xù)墻橫向位移時空變化規(guī)律分析

選取變形明顯的基坑開挖中部所在的南側(cè)與北側(cè)兩個斷面進行墻體變形性狀分析，支護墻體采用四節(jié)點平面應(yīng)變單元(CPE4)。

地下連續(xù)墻水平位移隨深度的變化如圖2所示。

由圖2可知，首層開挖完畢后，對應(yīng)的墻體變形微小，從開挖至6 m開始，開挖面以下均為淤泥質(zhì)土層，墻體變形呈典型的內(nèi)凸型，最大水平位移隨挖深逐漸增大，最大值隨Z軸逐漸下移，最后穩(wěn)定在基坑中部。施工完成后，地下連續(xù)墻(外墻)的橫向位移變化值較小，由于施工過程可視為多個“卸載—加載”過程，且卸載的影響更明顯，圍護結(jié)構(gòu)(地下連續(xù)墻)受這種開挖卸荷效應(yīng)的影響，主要表現(xiàn)為向坑內(nèi)的變形。南側(cè)地下連續(xù)墻墻頂水平變形規(guī)律一致，均是隨著施工的進行，水平位移先增加后減小，最后趨于穩(wěn)定，至開挖結(jié)束時，最大水平位移為3.2 mm，最大水平位移與開挖深度的比值為0.015%，深度位于6 m～10 m之間，可見危險位置出現(xiàn)在墻體中部。此外，在軟土地區(qū)中，由于土體自身具有流變性，其變形過程具有明顯的時間效應(yīng)，對于軟黏土，其固結(jié)的時間歷程往往遠大于施工的周期。

3.2 地下連續(xù)墻豎向位移時空變化規(guī)律分析

對于地下連續(xù)墻墻頂?shù)姆治鲆廊环謩e取南側(cè)和北側(cè)兩個斷面進行研究，支護墻體采用四節(jié)點平面應(yīng)變單元(CPE4)。地下連續(xù)墻豎向位移變形曲線圖如圖3所示。

由圖3可知，施工完成后，地下連續(xù)墻(外墻)的豎向位移變化值較小，在-8.5 mm～-6.0 mm之間；墻頂各典型點的豎向位移相差不大，相差最大值約為1 mm，南、北側(cè)地下連續(xù)墻墻頂豎向變形規(guī)律一致，均是隨著施工的進行，豎向位移先增加后減小，隨后又增加，之后反彈，地連墻的豎向變形有所回彈，這是由于開挖土體卸荷使得基坑自重減小，總體變形仍表現(xiàn)為沉降，數(shù)值相差不大。南側(cè)墻頂模擬值與實測值趨勢大致相同，實測值比模擬值大10.3%左右，模擬較為準(zhǔn)確。

3.3 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

地下連續(xù)墻墻體沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖4所示。

由圖4可知，監(jiān)測點位移變化通過y坐標(biāo)變化表示，y為正代表測點處墻頂向基坑內(nèi)傾斜，為負則向基坑外傾斜，由于偏移為矢量數(shù)值，通過時間—偏移曲線難以清晰表示各時間節(jié)點處墻體的具體傾向，因此通過將當(dāng)前測點偏移數(shù)值繪制于四個象限的函數(shù)圖形內(nèi)，當(dāng)前數(shù)據(jù)點所在位置及距原點距離，分別代表了監(jiān)測點處墻頂?shù)钠品较蚝推凭嚯x。圖中可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)測點y向偏移值在10 mm以內(nèi)，其中SQ3和SQ4測點處的墻頂體位移明顯大于其他測點，SQ3點處的位移隨著開挖在后期變化速率越來越快；SQ6，SQ7和SQ8的變形趨勢較為平緩，SQ8在后期出現(xiàn)了明顯外凸的趨勢；SQ6和SQ7則為內(nèi)凸趨勢；SQ5在6月15日開始有了明顯的上升浮動，呈明顯的內(nèi)凸趨勢，但變形量仍在15 mm以內(nèi)。各測點中SQ3處墻體向外傾斜最大，SQ3位于基坑結(jié)構(gòu)變截面拐角位置，前方基坑施工擾動極其容易使壁后土體對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擠壓，結(jié)構(gòu)設(shè)計比較合理。

4 結(jié)語

1)南側(cè)地下連續(xù)墻墻頂水平變形規(guī)律一致，均是隨著施工的進行，水平位移先增加后減小，最后趨于穩(wěn)定，可見危險位置出現(xiàn)在墻體中部。

2)施工完成后，地下連續(xù)墻(外墻)的豎向位移變化值較??；墻頂各典型點的豎向位移相差不大，南、北側(cè)地下連續(xù)墻墻頂豎向變形規(guī)律一致，均是隨著施工的進行，豎向位移先增加后減小，隨后又增加，之后反彈，地連墻的豎向變形有所回彈。

3)可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)測點y向偏移在15 mm以內(nèi)。基坑結(jié)構(gòu)變截面拐角位置偏移最大，前方基坑施工擾動極其容易使壁后土體對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擠壓，結(jié)構(gòu)設(shè)計比較合理。