摘要：考虑平南三桥桥位区水文地质条件，结合相应技术资料，利用Midas-Gts-NX有限元软件对该桥北岸拱座深基坑开挖过程中地下连续墙支护的变形特性进行了模拟分析，研究主要分析了三方面内容，即基坑开挖过程中基坑周边地表土体沉降、墙体弯矩分布及墙体深层水平位移，计算结果表明：基坑开挖过程中，周边22m处地表沉降较大，墙体抗弯能力及墙体深层水平位移均满足规范要求，地连墙支护效果良好，但在实际开挖中应加强周边地表沉降监控频率，密切关注地表竖向位移发展情况。
关键词：拱座基坑；基坑支护；地下连续墙；深层水平位移
引言
深基坑工程是一项复杂的系统工程，且其变形具有复杂性和不确定性等特点，合理的基坑支护手段是保证工程顺利实施的前提条件之一[1]。随着国内外工程技术的不断发展，不同类型的基坑支护形式相继成熟，如较为常见的钢板桩、水泥搅拌排、型钢水泥土搅拌墙、钢筋混凝土档板、地下连续墙等[2]。近年来，地下连续墙艺凭借刚度大、整体性好、防渗性效果强，施工过程中噪音小、占地少等诸多优势，在我国房建、轨道交通、桥梁建设等土木工程领域发展迅速、应用广泛[1-3]。从上世纪五十年代末地下连续墙施工技术传入我国至今，国内诸多学者对地下连续墙的受力和变形进行了大量的研究，成果丰硕，如：文献[4-9]对某深基坑地下连续墙支护体系进行了优化设计，通过劲度矩阵的方法，计算地下连续墙体的受力变形，并总结了其规律；文献[10]收集了大量软土地区地下连续墙支护的监测资料，并统计地下连续墙的变形规律，得到了土层厚度，支撑系统刚度，地下连续墙的插入比，坑底隆起稳定系数是影响墙体变形规律的主要因素；文献[11-15]以某深基坑为基础，根据基坑施工中的监测资料，对具有承压水影响下的圆形地下连续墙支护基坑的变形和结构内力进行了分析。
地下连续墙属于地下工程，不同区域的深基坑工程所处的地上地下的实际条件差异性较大，特别是对于特定的地质条件复杂、地下水丰富的临河地段深基坑工程来说，利用以往的研究成果或施工经验对地下连续墙的支挡效果和变形特性进行超前评判具有较大的局限性，需要在工前进行具体研究。基于此，本文以平南三桥为依托工程，结合设计图纸、地质勘查资料及施工方案，利用Midas-Gts-NX有限元软件，对该桥北岸拱座深基坑开挖过程中地连墙支护结构的变形特性进行分析，致力于为实际施工提供技术支持。
1工程概况
1.1总体概况
平南三桥为荔浦至玉林高速公路平南北互通连接线上跨浔江的一座在建的特大型中承式钢管混凝土拱桥，起讫里程LK2+485～LK3+520，大桥全长1035m，主桥跨径575m。如图1.1所示，北引桥为（40m+60m+2×35m）现浇预应力砼连续梁桥，南引桥为（50m+60m+50m）+（3×40m）现浇预应力砼连续梁桥，大桥全长1035m。桥面净宽为：2×8m（行车道）+2×3.5m（非机动车道）+2×2.25m（人行道）。
1.2 水文地质情况
基础施工区原地面高程27.70～38.70m，地表以下地质分层复杂，各地层软硬交替明显，其中覆盖层别为软塑型粉质粘土Qal+pl-3和可塑性粉质粘土Qal+pl-2，最大覆盖厚度约为28.2m；持力层为卵石层Qal+pl-1，越大分布厚度约为19.8m；下方基岩为中风化泥灰岩。如图1.2所示。
图1.1 桥型布置图
图1.2-1 地质剖面简图
表1.2-1 各地层渗透系数
注：参数来源于《平南三桥地质勘查报告》。
卵石孔隙水具备承压性，河床底面高程与卵石层顶面高程相近，卵石孔隙水稳水位与河水位相近，卵石层属强透水层，卵石孔隙水与河水呈互补关系，与浔江河水水力联系较强。岩溶裂隙水埋藏深，具备承性，稳定水位略高于浔江水位，岩溶裂隙水与浔江河水的联系主要受岩溶裂隙发育程度控制。各地质层渗透系数见下表：
表1.2-2 各地层渗透系数
注：参数来源于《平南三桥地质勘查报告》
1.3 地连墙概况
北岸拱座基础深基坑开挖利用地下连续墙作为防渗与支挡结构。地连墙按不等高圆形截面设计，外径为60.0米，墙身厚1.2米，地连墙施工槽段分I期、II期两种槽段，均为20个，墙身贯穿粉质粘土层与卵石层，墙底嵌入中风化泥灰岩不小于4.0米，最大槽成墙深度达到39.0m。
地连墙全部槽段施工完毕后，即对下方卵石层进行注浆封水处理，再里用中心筑岛式对称开挖法对墙内土体进行开挖，逆作法修筑帽梁和内衬墙，逐步形成拱座基础基坑，基坑深度16.5m，地连墙内部待开挖岩土体分层结构见图1.3-1，基坑开挖分层高度及顺序见图1.3-2。
图1.3-1 地连墙结构内剖面图
图1.3-2 基坑开挖分层高度及顺序示意图
2 模型建立
本研究利用MIdas Gts NX进行建模分析。
2.1 模型尺寸及边界条件
为尽量减小边界效应对计算结果的影响，本次所建模型尺寸长度、宽度均为基坑直径的5倍，即300m，模型深度为地连墙深度的2倍，即70m。模型边界条件为底部采用竖向及水平约束，模型四周采用水平约束如图所示。
图2.1-1 模型网格尺寸图（m）
模型中土体及地下连续墙均采用实体单元进行模拟。模型由89082个节点和134295个实体单元组成。
2.2 土体本构模型及其参数
为较好的刻画土体的力学行为，避免采用摩尔库伦模型所导致的基坑开挖卸荷后坑底隆起过大，模型中卵石层采用摩尔库伦模型进行模拟，其他土体采用修正摩尔库伦进行模拟，地下连续墙及拱座混凝土采用弹性模型进行模拟。参照地勘报告中给出的各土层的物理力学指标，模型中土体的具体参数如下表。
表2.2-1 土体本构模型参数
注：计算中将土体视为正常固结土，即超固结比为1.0进行分析。因基坑开挖过程中基坑周围土体的水力边界条件一直处于变化状态，所以将土体均视为排水条件进行分析。模型中黏性土、泥灰岩均采用修正摩尔库伦模型描述其力学行为，其模型参数中泊松比、容重、孔隙率、内摩擦角、粘聚力可直接从地勘报告中获取，土体的静止侧压力系数可根据内摩擦角并结合经验公式K0=1-sinφ得到。根据经验，三轴试验割线刚度(E50ref)、加载割线模量(Eoedref)、卸载弹性模量(Eurref)有如下关系式：E50ref=0.5E(弹性模量)、E50ref= Eoedref、Eurref=3 E50ref。卵石层采用摩尔库伦模型模拟，其模型参数均可参照地勘报告获取。
2.3 工况模拟
为了真实反映地连墙在基坑开挖机拱座施工期内地下连续墙、拱座的变形及内力分布情况，本次计算所建模型尺寸、施工步骤与设计图纸完全一致。根据上图1.3-2，设定其具体施工模拟步骤如下：
（1）激活所有原状土体，施加初始地应力并对其进行位移清零；
（2）帽梁施工，帽梁高3.0m；
（3）在地连墙外边缘30m范围内施加20kPa地面荷载；
（4）开挖第一层土，开挖深度为4.6m；
（5）开挖第二层土，开挖深度为3.5m；
（6）第一道内衬施工；
（7）开挖第三层土，开挖深度为3.5m；
（8）第二道内衬施工；
（9）开挖第四层土，开挖深度为3.5m；
（10）第三道内衬施工；
（11）开挖第五层土，开挖深度为1.4m；
（12）开挖结束。
3 结果分析
3.1 基坑各开挖步坑外土体沉降
为反应地连墙内部深基坑开挖过程中，基坑四周地表沉降情况，保证施工安全及对实际监测点布置提供技术依据，故对地连墙基坑各开挖步坑外土体竖向位移进行了分析，分析区域见下图3.1-1，基坑各开挖步坑外土体竖向位移曲线见下图3.1-2.
图3.1-1 基坑周围地表沉降分析区域示意图
图3.1-2 地连墙基坑各开挖步坑外土体竖向位移曲线
如图所示，与地连墙接触处土体因基坑开挖卸载导致地连墙墙顶以外小范围土体有向上的竖向位移，致使形成小幅度隆起，约为2mm；坑外土体的竖向位移大部分发生于基坑前期开挖阶段，且最大坑外地表沉降距基坑外边缘22m，最大沉降值为9.5mm，根据《建筑基坑工程监测技术规范（GB50497-2009）》[16]，地下连续墙支护条件下基坑周边地表竖向累计位移范围为25～35mm，说明拱座基坑在实际开挖过程中具有发生周边土体沉降过大的可能。故，实际施工中应加强基坑初始开挖阶段的地表沉降监控频率。
3.2 基坑各开挖步墙体弯矩分布
根据下图3.2-1加载后地连墙墙身的应变云图可见，地连墙远离河岸一侧截面在之后加载过程中应变增加最为明显，故选取选侧该截面作为分析截面，弯矩分布图见下图3.2-2。
图3.2-1 地连墙墙身弯矩分布分析截面
根据下图3.2-2可见
（1）开挖过程中逆作法施工内衬墙，改变了墙体局部的截面尺寸，增大了界面刚度，改变了墙体重心，从而导致的墙体的弯矩分布曲线具有明显的波动性。
（2）无论基坑开挖程度如何，基底以上墙体弯矩摆动幅度均小于基底墙体以下弯矩摆动幅度，说明墙体承受后背土压力形式满足一般规律；
（3）当基坑开挖至设计标高时，地连墙墙身位于基底以下18.0m位置出现最大弯矩为1250KN•m，较由设计院所提供的墙身抗弯设计值2300KN•m，计算弯矩仅为设计抗弯的50%左右,说明地下连续墙对基坑的支护效果良好。
图3.2-2 分析截面墙身各开挖步弯矩分布图
3.3 基坑各开挖步墙体水平位移分布
取墙身应变最大截面，得到地连墙墙体各开挖步水平位移分布图，见下图3.3-1
图3.2-3 分析截面墙身各开挖步弯矩分布图
如图所示，墙底基岩对墙体的锚固作用及墙顶厚重混凝土帽梁极大的增加了墙顶刚度，故，地连墙墙体的深层水平位移特征为中部位移发展远大于端部；墙体向坑内的最大水平位移为2.4mm，且最大位移位于距坑底5m处，相较于《建筑基坑工程监测技术规范（GB50497-2009）》对地下连续墙最大深层水平位移范围要求的40～50mm来说，计算位移发展仅占要求值的5%，说明基坑开挖过程中，地下连续墙的变形是可控的。
4 结语
（1）以平南三桥为工程依托，结合设计图纸、地勘报告实地水文地质资料，利用Midas-Gts-NX有限元软件建立了拱座深基坑工程地下连续墙分析模型。
（2）模型计算按照深基坑开挖施工方案中确立的施工步骤，设定相同的计算工况，经过对计算结果分析，基坑开挖过程中，基坑周边22m处地表沉降较大，墙体抗弯能力及墙体深层水平位移均满足规范要求。
（3）计算结果表明，地下连续墙的支护效果良好，但在实际开挖过程中，应从初始开挖阶段就加强基坑的周围地表沉降监控频率，密切关注地表竖向位移发展情况。
参考文献
[1]刘丽萍.深浅交替地下连续墙变形特性研究用[D].西安工业大学,2018.
[2]刘学增,丁文其.接触元初始刚度系数对软土深基坑变形的影响分析[J].岩石力学与工程学报,2001, 20(1):118-122.
[3]刘建航.地下墙深基坑周围地层移动的预测和治理之一[J].地下工程与隧道,1991(2):2-15.
[4]徐中华,王建华,王卫东.上海地区深基坑工程中地下连续墙的变形性状[J].土木工程学报,2008,41(8):81-86.
[5]陈越峰,张庆贺,周健,等.超深圆形基坑的半逆筑法施工与监测[J].岩土工程学报,2006, 28(s1):1865-1869.
[6]李二兵,谭跃虎,张尚根等.深基坑围护中地下连续墙变形的解析计算[J].解放军理工大学自然科学版,2004,5(2):57-60.
[7]秦志伟.地铁车站深基坑支护结构变形有限元模拟与监测分析[D].河北工程大学,2011.
[8]陈松,邢沛霖,叶家万.超深基坑地下连续墙作为主体结构的设计方法研究[J].建筑结构,2012(9):48-51.
[9]肖武权,冷伍明,律文田.某地铁深基坑支护体系内力与变形监测结果分析[J],工业建筑,2014,3（9）:5-7.
[10]侯永茂,王建华,顾倩燕.无支撑基坑变形特性的三维有限元分析[J].上海交通大学学报,2009(6):972-975.
[11]邵敏,等.有限元法基本原理与数值方法[M].北京:清 华大学出版社,2002．
[12]柏国利.圆形地下连续墙壳体有限元数值模拟分析[D].上海:同济大学,2006．
[13]田蓓蕾.基于变形控制的深基坑地下连续墙支护数值模拟研究[D].武汉:湖北工业大学,2012．
[14]王建华,徐中华,陈锦剑,等.上海软土地区深基坑连续墙的变形特性浅析[J].地下空间与工程学报,2005, 1(4):485-489.
[15]谢李钊.深基坑现场实测分析及数值模拟[D].中南大学,2009.
[16]刘俊岩.《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497-2009研究与编制[J].施工技术,2009, 38(5):1-4.
论文作者:班政,罗小斌,于远志
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/22
标签：基坑论文; 地下论文; 位移论文; 墙体论文; 模型论文; 弯矩论文; 深基坑论文; 《基层建设》2019年第12期论文;