何 平 ，徐中華 ，王衛(wèi)東 ，李 青

（1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3. 華東建筑設(shè)計(jì)研究總院 地基基礎(chǔ)與地下工程設(shè)計(jì)研究中心，上海 200002；4. 華東建筑設(shè)計(jì)研究總院 上?；庸こ汰h(huán)境安全控制工程技術(shù)研究中心，上海 200002）

1 引 言

基坑開(kāi)挖引起的土體變形主要發(fā)生在 3個(gè)階段，即圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、基坑降水和基坑開(kāi)挖。在傳統(tǒng)的基坑有限元分析中，常忽略由圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工引起的應(yīng)力重分布和土體變形，實(shí)質(zhì)上，在基坑開(kāi)挖前成墻施工過(guò)程必然會(huì)改變土體的原始應(yīng)力狀態(tài)，引起土層發(fā)生側(cè)向變形和地表沉降，這部分土體位移往往是不容忽視的。Schafer等[1]分析了正常固結(jié)黏土中地下連續(xù)墻成槽過(guò)程中的土壓力擾動(dòng)和土體變形，結(jié)果表明考慮成槽施工引起的基坑變形比傳統(tǒng)的未考慮成槽施工影響要大10%～15%，因此有必要分析和研究成墻施工引起的土體變形，以便更為合理地預(yù)測(cè)基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。

TRD工法即等厚度水泥土攪拌墻技術(shù)，基本原理是利用鏈鋸式刀具箱豎直插入地層中，然后作水平橫向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由鏈條帶動(dòng)刀具作上下的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，攪拌原土并灌入水泥漿，形成一定厚度的墻。目前等厚度水泥土攪拌墻在基坑工程中主要作為隔水帷幕或內(nèi)插型鋼形成復(fù)合隔水擋土結(jié)構(gòu)。由于TRD工法設(shè)備切削能力強(qiáng)且具有連續(xù)成墻、厚度一致、墻體均勻性好等特點(diǎn)，近些年來(lái)在基坑工程中得到了廣泛應(yīng)用[2－4]。

本文以上海國(guó)際金融中心基坑工程開(kāi)展的TRD工法攪拌墻成墻試驗(yàn)為背景，基于土體的小應(yīng)變本構(gòu)模型對(duì)其成墻過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬，得到了土體的側(cè)向變形和地表沉降，并與監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，針對(duì)不同深度的成墻進(jìn)行了研究，并給出了TRD成墻引起的地表沉降包絡(luò)線，可為預(yù)測(cè)TRD不同成墻深度引起的地表沉降和土體側(cè)向位移提供依據(jù)。

2 TRD工法成墻試驗(yàn)簡(jiǎn)介

2.1 工程概況

上海國(guó)際金融中心項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)竹林路以東，張家浜河以北?；娱_(kāi)挖面積約為48 860 m2，開(kāi)挖深度為26.5～28.06 m。

場(chǎng)地淺層以軟弱的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土為主，深層的第⑦、⑨層以砂質(zhì)粉土、粉砂為主。場(chǎng)地內(nèi)第⑦、⑨層為承壓含水層，由于第⑧層黏性土缺失，因此第⑦、⑨層承壓含水層連通。考慮到對(duì)承壓水的控制，本工程在地下連續(xù)墻外圍采用 TRD等厚度水泥土攪拌墻作為懸掛隔水帷幕，其深度達(dá)到56 m，基坑典型圍護(hù)剖面如圖1所示。

2.2 TRD工法試成墻過(guò)程與監(jiān)測(cè)

為確定等厚度水泥土攪拌墻施工參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了TRD工法試成墻試驗(yàn)。試成墻厚0.7 m、寬8 m、深56 m，實(shí)際開(kāi)挖深度達(dá)到56.7 m。為了研究成墻施工對(duì)土體位移的影響，在施工前，布設(shè)了地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)、土體深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖2所示，具體監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

圖1 基坑支護(hù)剖面圖(單位: mm)Fig.1 Cross section of excavation supporting(unit: mm)

圖2 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)剖面布置(單位: mm)Fig.2 Layout of monitoring points(unit: mm)

3 TRD工法試成墻的有限元分析

3.1 計(jì)算模型

采用PLAXIS二維平面應(yīng)變有限元對(duì)TRD成墻過(guò)程進(jìn)行模擬，選用15節(jié)點(diǎn)三角形單元。雖然成墻深度達(dá)到56.7 m，但考慮厚度僅有0.7 m，所以計(jì)算模型寬度設(shè)為100 m，深86 m。模型底部邊界設(shè)置豎向約束，左右兩邊邊界設(shè)置水平約束，有限元模型和網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model used in analysis

3.2 土體本構(gòu)模型和計(jì)算參數(shù)

在有限元計(jì)算中土的本構(gòu)模型選擇非常重要。對(duì)于基坑工程，土體的應(yīng)變一般位于0.01～0.1%小應(yīng)變范圍內(nèi)。試驗(yàn)表明[6]，土體的剛度與應(yīng)變有著密切的關(guān)系，尤其當(dāng)土體發(fā)生小應(yīng)變時(shí)，土體的剛度遠(yuǎn)大于較大應(yīng)變階段的剛度。本文選用可考慮土體小應(yīng)變特性的HSS模型來(lái)模擬土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。HSS模型由Benz[7]在HS模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步修正而來(lái)，即繼承了HS模型可以考慮剪切硬化和壓縮硬化的特點(diǎn)又可以考慮剪切剛度在微小應(yīng)變下隨應(yīng)變衰減的行為。HSS模型參數(shù)僅比HS模型參數(shù)多了2個(gè)考慮小應(yīng)變行為的參數(shù)計(jì)算所用參數(shù)見(jiàn)表2。表中，c′、φ′ 根據(jù)室內(nèi)三軸固結(jié)排水試驗(yàn)確定；的確定可參考王衛(wèi)東等[8]試驗(yàn)結(jié)果，其中剛度參數(shù)是通過(guò)與室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗(yàn)得到的Es0.1-0.2的比例關(guān)系確定；分別根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)波速實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)小應(yīng)變?cè)囼?yàn)得到。

3.3 成墻過(guò)程模擬

TRD成墻過(guò)程模擬與地下連續(xù)墻成槽過(guò)程模擬[9]存在一定的區(qū)別。地下連續(xù)墻成槽是由成槽機(jī)械分層開(kāi)挖，而TRD成墻是由切割箱達(dá)到最終開(kāi)挖深度后進(jìn)行水平切割，一次性開(kāi)挖完成。因此對(duì)于TRD成墻過(guò)程的模擬如圖4所示，即一次性開(kāi)挖到所需深度，并在開(kāi)挖面左右邊界施加線性壓力及在開(kāi)挖面底邊界施加均勻壓力來(lái)模擬流態(tài)水泥土漿液的作用，在有限元中成墻過(guò)程分析步驟如下：

① 初始條件。墻體開(kāi)挖前，使土體在K0應(yīng)力狀態(tài)下平衡，其中K0=1 - s inφ′。

② 槽壁開(kāi)挖。殺死所要開(kāi)挖土體單元直至所需深度，并在開(kāi)挖左右邊界面施加σ=γbentoniteh的線性壓力，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工測(cè)試水泥土漿液的重度γbentonite=14.3kN/m3。開(kāi)挖底面施加壓力σ=γbentoniteHe，其中He表示最終開(kāi)挖深度。

圖4 TRD成墻模擬Fig.4 Simulation of TRD trenching wall

3.4 結(jié)果分析

圖5為距離墻體1.4 m和5 m處的土體側(cè)向位移有限元計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比。從圖中可以看出，土體側(cè)向位移呈現(xiàn)懸臂開(kāi)挖的變化趨勢(shì)，最大側(cè)向位移位于地表，深層土體位移隨著深度的增加逐漸減??；深度小于20 m的土體側(cè)向位移明顯大于深度大于20 m的土體側(cè)向位移，因?yàn)樵谛∮?0 m深度內(nèi)存在較軟的第③、④層淤泥質(zhì)黏土，而大于20 m深度是相對(duì)較好的土層的原因。由圖5（a）中計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值的對(duì)比可見(jiàn)，有限元結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)略微有些差異，尤其在深度20 m以下，計(jì)算結(jié)果略小于實(shí)測(cè)值，但變化趨勢(shì)基本相同。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示最大側(cè)向位移位于頂口，達(dá)到45 mm，而計(jì)算結(jié)果最大位移僅為17 mm。通過(guò)和其他測(cè)斜點(diǎn)對(duì)比分析，該點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)大于其他深度數(shù)據(jù)，可能是由于該點(diǎn)位于地表，受到外部施工荷載影響所致；深度3 m處，監(jiān)測(cè)的側(cè)向位移減小至11 mm，在深部20 m后有略微增大趨勢(shì)，然后在47 m處減小到7.5 mm；而計(jì)算結(jié)果顯示，在小于20 m深度時(shí)位移減小較快，超過(guò)20 m深度后位移減小較慢。從圖5（b）中有限元計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，最大側(cè)移位于地表，大約在14 mm左右。

表2 HSS模型參數(shù)Table 2 Parameters for HSS model

圖5 距離TRD墻體4 m和5 m處土體側(cè)向位移Fig.5 Soil lateral displacement at 4 m and 5 m from TRD wall

圖6為有限元計(jì)算的地表沉降結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比。從圖中可以看出，靠近墻體處沉降最大，隨著距離的增大，沉降逐漸減小且慢慢趨于穩(wěn)定；實(shí)測(cè)值和計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明，二者變化趨勢(shì)基本一致，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示成墻結(jié)束時(shí)最大沉降達(dá)到12 mm左右，到42 m處地表沉降逐漸減小到4 mm左右；最大沉降約為15 mm左右，最小沉降為5 mm左右。

圖6 地表沉降曲線Fig.6 Ground settlement curves

3.5 參數(shù)分析

章節(jié)3.4將有限元結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了有限元結(jié)果的可靠性，為了進(jìn)一步研究TRD成墻施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，本節(jié)將建立不同成墻深度的模型來(lái)分析成墻引起的土體位移。土體參數(shù)與本構(gòu)模型與前述一樣，保持墻體寬度0.7 m不變，墻深分別設(shè)為He=20、30、40、50 m。

圖7為距離墻體1.42 m處的不同成墻深度的土體側(cè)向位移曲線。從圖中可以看出，不同成墻深度的位移變化形態(tài)類(lèi)似，側(cè)向位移均發(fā)生在成墻深度范圍內(nèi)，最大側(cè)向位移均發(fā)生在地表，深度越深，最大側(cè)向位移越大。56.7 m深成墻最大側(cè)移17 mm；20 m深成墻最大側(cè)移為10 mm。圖8為不同城墻深度的地表沉降有限元計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出，不同成墻深度下的沉降曲線變化趨勢(shì)一致，隨著距離墻體距離越遠(yuǎn)，沉降值逐漸減小，直到穩(wěn)定值。成墻深度越深，沉降值越大，穩(wěn)定后的值也越大，如成墻深度20 m的最大沉降為8.5 mm，穩(wěn)定后最小值1.0 mm左右，成墻深度為50 m的最大沉降為12 mm，最小沉降為5 mm左右。

圖7 不同成墻深度對(duì)土體側(cè)向位移的影響Fig.7 Influence of wall depth on lateral soil displacement

圖8 成墻深度對(duì)地表沉降的影響Fig.8 Influence of wall depth on ground settlement

圖9為T(mén)RD不同成墻深度的歸一化地表沉降曲線與 Clough等[10]根據(jù)多個(gè)基坑工程案例統(tǒng)計(jì)的地下連續(xù)墻成槽沉降包絡(luò)線對(duì)比圖。從圖中可以看出，TRD成墻引起的地表沉降位于地下連續(xù)墻成槽包絡(luò)線范圍內(nèi)，圖中虛線可以視為 TRD成墻沉降包絡(luò)線，其最大地表沉降約為 0.05%H，沉降影響區(qū)域大概在1.8倍成墻深度左右。

圖9 不同成墻深度的地表沉降曲線Fig.9 Ground settlement curves of different wall depths

4 結(jié) 語(yǔ)

采用有限元方法并基于土體小應(yīng)變本構(gòu)模型模擬了 TRD工法成墻試驗(yàn)引起的土體側(cè)向位移和地表沉降，得到了與實(shí)測(cè)較一致的結(jié)果，為分析TRD成墻對(duì)環(huán)境的影響提供了分析方法。進(jìn)一步研究了不同成墻深度情況下的土體變形情況，結(jié)果表明成墻深度越大，土體側(cè)向變形和地表沉降也越大；土體側(cè)向變形呈現(xiàn)出類(lèi)似懸臂梁的變形性態(tài)；TRD成墻引起的最大地表沉降約為 0.05%H，沉降影響區(qū)域約為1.8H，TRD成墻引起的地表沉降較Clough等[10]統(tǒng)計(jì)的地下連續(xù)墻成槽引起的地表沉降要小得多。

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