格柵連續(xù)墻中隔墻深度影響的數(shù)值模擬分析

姚廣亮,李支令

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣州 510635)

1 概述

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，要求更多地對地下空間進(jìn)行開發(fā)與利用，同時由于地鐵、地下綜合管廊、高層建筑[1]、大型船塢[2-3]等地下建筑物的建設(shè)，要求基坑的開挖越來越深，在已有的水利樞紐上擴(kuò)建船閘[4]、引水隧洞不良地質(zhì)段開挖[5]也對支護(hù)結(jié)構(gòu)有特殊的要求，常規(guī)的支撐體系已經(jīng)不適用于地下工程，從而產(chǎn)生了大量的新型支護(hù)結(jié)構(gòu)，其中格柵型地連墻就是其中之一。

格柵型地連墻由前墻、中隔墻及后墻3部分組成，屬于依靠自身重量來抵抗外側(cè)水土壓力的半重力式懸臂結(jié)構(gòu)。目前格柵型地連墻的研究主要有豎向承載機(jī)理與灌注樁區(qū)別研究[6-7]、空間變形三維分析[8-9]、格式地連墻槽壁穩(wěn)定方法[10]、地連墻土壓力、前后墻內(nèi)力計算方法[11]、中隔墻間距及寬度影響[12]等方面，而針對中隔墻深度影響的研究還很少。實際設(shè)計及施工中，為便于控制，往往取中隔墻的深度(或長度)與前、后地連墻深度一致，而當(dāng)中隔墻的深度與前、后地連墻深度不一致時，格柵型地連墻整體結(jié)構(gòu)受力變化情況目前少有研究。本文主要利用有限元數(shù)值模擬的方法，研究分析中隔墻位于不同的深度情況下，連續(xù)墻的變形及內(nèi)力變化情況，為進(jìn)一步優(yōu)化格柵型地連墻設(shè)計提供了依據(jù)。

2 工程概況

2.1 格柵連續(xù)墻設(shè)計

某建筑基坑采用格柵連續(xù)墻支護(hù)，基坑開挖深度為14 m。設(shè)計采用的地連墻壁厚為1.2 m，每6 m 1個槽段，地連墻進(jìn)入中風(fēng)化巖層深度按不少于3 m控制，前、后地連墻全長為24.5 m。雙排地連墻之間采用2塊中隔墻連接，每塊中隔墻長度為6 m，壁厚為1.2 m，前、后地連墻中心間距為17. 2 m。為提高整體剛度，地連墻頂部采用2 m厚的鋼筋混凝土板通長連接，連接板長度為18.4 m。格柵連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)平面及剖面見圖1所示。

圖1 格柵連續(xù)墻平面及剖面示意(單位：高程mm;尺寸mm)

2.2 場區(qū)地層條件

場地地層分布總體穩(wěn)定，經(jīng)歸類主要為以下4層：表層為素填土層，主要為褐黃～土黃色黏土、含砂礫粉質(zhì)黏土組成，局部含有少量淤質(zhì)粉質(zhì)黏土，土質(zhì)不均，較松軟，地基承載力一般，滲透性中等～強(qiáng)，開挖界面以上穩(wěn)定性較差；2號土層為砂性土層，灰白色為主，含礫較多，砂質(zhì)不均，局部夾泥，稍～中密，為河流相沖積，中密-密實，承載力一般，滲透性中等～強(qiáng)，全部位于開挖界面以上，穩(wěn)定性一般；3號土層為全風(fēng)化巖層，呈粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土狀，局部風(fēng)化不均，局部夾強(qiáng)～弱風(fēng)化巖塊，因此,歸類為全/強(qiáng)風(fēng)化巖層；底部為中風(fēng)化巖層，巖芯呈塊狀、短柱狀，碎屑結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，鐵質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)較硬，錘擊易碎，錘擊聲較清脆。根據(jù)地質(zhì)勘察資料及結(jié)合工程經(jīng)驗，各巖土層物理參數(shù)見表1所示。

2.3 地連墻施工

地連墻成槽采用成槽效率較高、壁面平整度較好、質(zhì)量易于控制的導(dǎo)向抓斗成槽法或液壓銑槽機(jī)。槽段施工按先轉(zhuǎn)角、后直線槽段的順序進(jìn)行。地連墻施工按成槽、清槽，施放與定位鋼筋籠，然后澆筑混凝土墻身等工序進(jìn)行。

地連墻挖槽之前修筑導(dǎo)墻，導(dǎo)墻接頭應(yīng)與地連墻接頭錯開，為防止導(dǎo)墻位移和變形，在導(dǎo)墻內(nèi)側(cè)加設(shè)上、下2道木支撐。護(hù)壁用泥漿，護(hù)壁泥漿密度要根據(jù)施工時的地面荷載、槽深以及具體槽段的土力學(xué)指標(biāo)等確定。在轉(zhuǎn)彎處和卵石層等易發(fā)生坍塌的地方，增加泥漿密度或在泥漿中添加增粘劑。地連墻槽段接頭采用“工字形鋼板接頭”。

表1 巖土體物理參數(shù)

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

3.1 分析思路

工程上對于格柵地連墻的中隔墻深度一般都取與前、后地連墻一樣的深度。取一致深度雖然可以保證格柵連續(xù)墻的整體剛度，但地連墻底部一般都需要進(jìn)入巖層一定的深度(通常入巖深度不少于3 m)，若中隔墻也與前、后墻保證相同的入巖深度，則增加施工難度，同時需耗費(fèi)較長的工期。本文通過模擬中隔墻進(jìn)入基坑坑底以下不同的深度h(見圖2所示)，分析前、后墻的變位情況及內(nèi)力變化情況，得出中隔墻較優(yōu)的深度位置，以研究中隔墻入巖深度優(yōu)化的可能性。

圖2 中隔墻深度h示意

3.2 有限元模型建立

由于地連墻結(jié)構(gòu)形式類似，可只選取一個槽段即6 m進(jìn)行模擬計算，建立有限元計算模型(見圖3)。模型主要約束為：底部節(jié)點(diǎn)固定；前、后節(jié)點(diǎn)約束前后方向的位移；左、右節(jié)點(diǎn)約束左右方向的位移。土層材料參數(shù)采用表1參數(shù)，地連墻及隔墻采用C30混凝土，彈性模量取值為3.00×104MPa，整體模型單元數(shù)量為69 700。地連墻與中隔墻均采用實體單元進(jìn)行模擬，兩者之間采用界面單元模擬接觸，界面單元法向剛度模量按經(jīng)驗C30混凝土彈性模量的1/10，考慮泥漿護(hù)壁殘余泥皮的影響，偏安全考慮切向剛度模量取0(見圖4)。

基坑開挖前

基坑開挖后

圖4 地連墻與隔墻實體模型示意

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)整體變形特性

計算基坑開挖整體變形云示意如圖5所示,由于卸荷，基坑開挖底部會有一定的回彈及隆起，符合一般規(guī)律。

由于根據(jù)實際施工情況，考慮了前、后墻與隔墻間、隔墻與隔墻間的泥皮接縫影響，中隔墻與前、后地連墻接觸面、中隔墻間接觸面位置采用界面模擬，中隔墻的變形會產(chǎn)生一定的錯位(見圖6所示)，與實際情況是相符的。

圖5 基坑開挖整體變形示意

圖6 格柵連續(xù)墻變形示意

3.4 中隔墻不同深度情況下支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

對中隔墻的深度取不同的值(以位于地基底面以下3 m開始，不斷往下增加中隔墻的深度，直至進(jìn)入巖層3 m，此時基本與前、后地連墻底高程持平)，分析格柵連續(xù)墻變形情況(見表2所示)，其中前墻的位移變形見圖7所示。

表2 格柵連續(xù)墻變形結(jié)果 mm

圖7 格柵連續(xù)墻前墻變形示意

由表2可以看出：前、后墻以及中隔墻變形值基本相同，體現(xiàn)了格柵連續(xù)墻整體變形受力特性；當(dāng)中隔墻未入巖時，前、后墻的最大變形差值約為0.1 mm，當(dāng)中隔墻入巖時，前、后墻的最大變形差值約為0.01 mm，說明中隔墻入巖，有利于確保格柵連續(xù)墻的整體協(xié)同變形特性。同時由于頂部連接板的作用，前、后墻變形差異較小。

由圖7可以看出：前墻隨深度的變形體現(xiàn)出了懸臂梁特性，即支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部變形最大，底部變形最小(入巖部分可視為固定端)；隨深度增加，而地連墻的變形減少，嵌巖部分變形基本為0；隨著中隔墻的深度不斷增加，地連墻不同位置的變形均在不斷減少；當(dāng)中隔墻進(jìn)入巖面時，位移值發(fā)生突變，說明中隔墻進(jìn)入巖層，對提高格柵連續(xù)墻整體剛度以及控制地連墻的變形是有利的；當(dāng)中隔墻進(jìn)入巖層1～3 m時，地連墻的整體變形趨于穩(wěn)定。

3.5 中隔墻不同深度情況下支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

對中隔墻的深度取不同的值，分析前、后地連墻的內(nèi)力最值結(jié)果(見表3所示)，提取前、后墻的彎矩與剪力圖如圖8～圖9所示(彎矩以基坑側(cè)受拉為負(fù)值)。

由表3可以看出：當(dāng)中隔墻未進(jìn)入巖層時，前、后墻的內(nèi)力極值變化較?。恢懈魤M(jìn)入巖層后，內(nèi)力極值變化較大，且產(chǎn)生極值的位置發(fā)生變化(體現(xiàn)在數(shù)值正負(fù)的變化)。

由圖8～圖9可以看出：隨著中隔墻的深度不斷增加，前、后墻不同高程的彎矩、剪力值均在不斷減少；當(dāng)中隔墻未進(jìn)入巖層時，隨著中隔墻的深度的不同，但前、后墻位于同一高程的內(nèi)力差異??；當(dāng)中隔墻進(jìn)入巖面時，內(nèi)力值發(fā)生突變，內(nèi)力值減少較大；當(dāng)中隔墻進(jìn)入巖層1～3 m時，地連墻的內(nèi)力趨于穩(wěn)定。

表3 前、后地連墻內(nèi)力最值結(jié)果

4 結(jié)語

根據(jù)中隔墻位于基坑底部以下不同深度，分析格柵連續(xù)墻的位移及內(nèi)力變化情況，論證了中隔墻深度可對地連墻整體結(jié)構(gòu)剛度的影響以及中隔墻深度可優(yōu)化的空間。

1) 隨著中隔墻的深度不斷增加，地連墻整體變形以及內(nèi)力均在不斷減少。

2) 當(dāng)中隔墻進(jìn)入巖面時，位移值及內(nèi)力值均發(fā)生突變，說明中隔墻進(jìn)入巖層，對格柵連續(xù)墻整體剛度的提高以及控制地連墻的變形是有利的。

3) 當(dāng)中隔墻進(jìn)入巖層1～3 m時，地連墻的整體變形趨于穩(wěn)定，而內(nèi)力值也基本穩(wěn)定，且入巖厚度的不同，變形與內(nèi)力的區(qū)別較小。

4) 相比于前、后墻，中隔墻的深度可進(jìn)行一定的優(yōu)化，深度并不一定要與前、后墻保持一致；中隔墻嵌巖深度的優(yōu)化在一定程序上可節(jié)省投資，減少工期。