栗小祜， 吳　欣， 余進(jìn)華， 柳　毅

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順　416700；　2.湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長沙　410015)

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內(nèi)襯收縮對葫蘆形錨碇基坑地下連續(xù)墻墻體位移和應(yīng)力影響規(guī)律研究

栗小祜1， 吳欣2， 余進(jìn)華1， 柳毅1

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順416700；2.湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長沙410015)

[摘要]葫蘆形地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)在世界上沒有太多工程與理論經(jīng)驗(yàn)，屬于地下連續(xù)墻的難點(diǎn)工程?；釉陂_挖過程中墻體受外力影響變形較小，內(nèi)襯混凝土澆筑后的收縮變形會(huì)對地連墻墻體造成的影響不可忽略。通過分析內(nèi)襯收縮對墻體的影響揭示地下連續(xù)墻墻體在考慮內(nèi)襯收縮情況下的位移和應(yīng)力變化規(guī)律。

[關(guān)鍵詞]葫蘆形錨碇； 地下連續(xù)墻； 收縮； 位移； 應(yīng)力

葫蘆形地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)在圓形地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，利用圓拱形支護(hù)結(jié)構(gòu)的所特有的的“拱效應(yīng)”抵抗周圍土體產(chǎn)生的土壓力，使深基礎(chǔ)支護(hù)的結(jié)構(gòu)受力要求與施工實(shí)際的需求得到滿足?；釉陂_挖過程中墻體受外力影響變形較小，在監(jiān)控分析中內(nèi)襯混凝土澆筑后的收縮變形對地連墻墻體造成的影響不可忽略。因此很有必要借助于有限元軟件，建立三維模型并結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)來分析地連墻結(jié)構(gòu)的變形及受力規(guī)律。

1工程背景

某大橋錨碇基礎(chǔ)為支護(hù)開挖深埋擴(kuò)大基礎(chǔ)，基坑采用地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，墻厚1.2 m，平面布置采用與錨體相匹配的葫蘆形，由兩個(gè)不相等半徑的圓弧組成，小圓半徑28 m，大圓半徑32 m，順橋向全長98 m，墻高26～35 m。中間設(shè)置一道隔墻，由隔墻將基礎(chǔ)分隔成錨碇前、后倉兩大部分。地連墻內(nèi)側(cè)沿豎向設(shè)置不等厚的內(nèi)襯支護(hù)。地連墻施工完成后，采用逆作法分層開挖土體，分9層施工內(nèi)襯。內(nèi)襯及土體分層高度為3.0 m(深度18.0 m以下層高為2.5 m)。采用島式開挖法分區(qū)進(jìn)行對稱開挖并澆筑內(nèi)襯混凝土。外側(cè)地連墻內(nèi)襯從上向下依次為：基礎(chǔ)頂面以下0～9 m深度內(nèi)厚1.5 m，9～18 m深度內(nèi)厚2.0 m，超過18 m深度厚2.5 m，中間隔墻處地連墻兩側(cè)豎向各設(shè)1.2 m厚內(nèi)襯(見圖1，圖2)。

圖1　地連墻及內(nèi)襯立面圖Figure 1　Underground continuous wall and lined with elevation

圖2　地連墻及內(nèi)襯平面圖Figure 2　Underground continuous wall and lining the floor plan

2計(jì)算模型

根據(jù)支護(hù)體系特點(diǎn)并結(jié)合實(shí)際施工順序，采用Midas-GTS有限元軟件，建立有限元模型對基坑開挖全過程進(jìn)行正演分析。

根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的軸對稱性，沿橋中軸線將墻體、內(nèi)襯及周圍土體剖開，取整體工程的一半建立三維有限元模型。其中混凝土采用彈性單元，土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)單元進(jìn)行計(jì)算?；炷敛牧习凑找?guī)范賦值，土層厚度及力學(xué)參數(shù)按照設(shè)計(jì)文件賦值。開挖面外側(cè)寬度為基坑開挖深度的3倍 。模型以帽梁澆筑完成時(shí)的狀態(tài)為初始狀態(tài)。按照施工順序?qū)⒒娱_挖過程分為11個(gè)工況(見表1)，分別對考慮內(nèi)襯混凝土收縮及不考慮內(nèi)襯混凝土收縮2種情況進(jìn)行分析計(jì)算，其中內(nèi)襯收縮的計(jì)算參照《橋梁設(shè)計(jì)與計(jì)算》(邵旭東)一書中分段澆筑式拱橋計(jì)算收縮時(shí)的簡化方法，對內(nèi)襯收縮的計(jì)算簡化為對內(nèi)襯降溫4.5 ℃來計(jì)算。

計(jì)算區(qū)域及單元?jiǎng)澐忠妶D3、圖4。

表1 計(jì)算工況表Table1 Tablecalculationconditions編號(hào)工況說明1初始應(yīng)力分析2開挖第1層土體3開挖第2層土體,澆筑第1層內(nèi)襯4開挖第3層土體,澆筑第2層內(nèi)襯5開挖第4層土體,澆筑第3層內(nèi)襯6開挖第5層土體,澆筑第4層內(nèi)襯7開挖第6層土體,澆筑第5層內(nèi)襯8開挖第7層土體,澆筑第6層內(nèi)襯9開挖第8層土體,澆筑第7層內(nèi)襯10開挖第9層土體,澆筑第8層內(nèi)襯11澆筑第9層內(nèi)襯

圖3　總體三維模型圖Figure 3　The overall 3 d model diagram

圖4　地連墻及其內(nèi)襯模型圖Figure 4　The underground continuous wall and its lining 　　　model diagram

3計(jì)算結(jié)果

分別計(jì)算地下連續(xù)墻在開挖過程中計(jì)入和不計(jì)入內(nèi)襯收縮影響的兩種情況下墻體的應(yīng)力和位移，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 墻體位移、應(yīng)力對比表Table2 Walldisplacementandstresscontrasttable工況最大水平位移/mm最大主拉應(yīng)力/MPa最大主壓應(yīng)力/MPa計(jì)入收縮影響不計(jì)入收縮影響計(jì)入收縮影響不計(jì)入收縮影響計(jì)入收縮影響不計(jì)入收縮影響20.160.160.10640.1117-2.6408-3.376330.400.360.11140.1157-2.5800-3.307240.840.680.09560.0905-2.5047-3.224551.521.300.09940.0850-2.4424-3.163062.011.720.10470.1376-2.4139-3.150972.732.360.11500.0899-2.6796-3.184883.623.080.15510.0747-3.2399-3.269493.713.490.18800.0819-3.6951-3.4901104.023.610.21740.0915-4.1087-3.8728114.243.820.21850.1310-4.1568-4.0196

最大主拉應(yīng)力數(shù)據(jù)對比見圖5(a)。由圖可見在不計(jì)入內(nèi)襯收縮影響的情況下，墻體最大主拉應(yīng)力在0.1 MPa左右波動(dòng)，最大值為0.131 0 MPa，出現(xiàn)在第11工況。在計(jì)入內(nèi)襯收縮影響的情況下，最大主拉應(yīng)力隨開挖過程逐步增加，最大值為0.218 5 MPa，出現(xiàn)在第11工況。

最大主壓應(yīng)力數(shù)據(jù)對比見圖5(b)。由圖可見在1-6工況時(shí)，兩種情況下墻體最大主壓應(yīng)力絕對值隨開挖過程緩慢減少，其中計(jì)入收縮影響的情況下最大主壓應(yīng)力絕對值總體較不計(jì)入的情況少1.0 MPa左右。在7～11工況時(shí)，兩種情況下最大主壓應(yīng)力絕對值均較快增長，計(jì)入收縮影響的情況下增長速率相對較大，最終階段兩種情況下最大主壓應(yīng)力值較為接近。

圖5　施工階段墻體最大主拉應(yīng)力對比和最大主壓　　　應(yīng)力對比圖Figure 5　Construction phase of the maximum principal tensile 　　　stress contrast and maximum principal stress contrast 　　　figure of wall

墻體最大水平位移數(shù)據(jù)對比見圖6。由圖可見在計(jì)入內(nèi)襯收縮影響的情況下，墻體最大水平位移值相對較大。

圖6　施工階段墻體最大水平位移對比圖Figure 6　Construction stage maximum horizontal displacement 　　　contrast figure of wall

4實(shí)測與理論對比

地下連續(xù)墻實(shí)測每層位移數(shù)據(jù)與模型計(jì)算計(jì)入收縮及不計(jì)入收縮2種情況下的每層位移數(shù)據(jù)見表3，累計(jì)位移對比見圖7。

表3 單層土體開挖最大水平位移變化表Table3 Single-layersoilexcavationmaximumhorizontaldisplacementchangetable開挖層數(shù)單層理論計(jì)算值/mm不計(jì)收縮計(jì)入收縮實(shí)測值/mm10.160.160.1820.200.240.3330.320.440.4840.620.680.8050.420.490.4760.640.720.8670.720.891.078～100.740.920.87

圖7　累計(jì)最大水平位移對比圖Figure 7　Accumulated maximum horizontal displacement 　　　contrast figure

單層數(shù)據(jù)對比顯示實(shí)測值略大于計(jì)入內(nèi)襯收縮影響后的計(jì)算值，計(jì)入內(nèi)襯收縮影響后的計(jì)算值略大于不計(jì)入內(nèi)襯收縮影響的計(jì)算值。造成實(shí)測值較大的原因可能為計(jì)算中施工過程中環(huán)境降溫未予考慮。

由圖7可知：實(shí)測值與計(jì)算值變化趨勢相同，實(shí)測值最大累計(jì)位移為5.06 mm，考慮內(nèi)襯收縮影響時(shí)的計(jì)算值為4.54 mm，不考慮內(nèi)襯收縮影響時(shí)計(jì)算值為3.82 mm。因此在計(jì)算過程中考慮內(nèi)襯收縮對墻體結(jié)構(gòu)的影響能有效減少計(jì)算值與實(shí)測值差距，對指導(dǎo)施工監(jiān)測具有實(shí)際意義。

5結(jié)論

① 在基坑開挖過程中，內(nèi)襯混凝土收縮能會(huì)增大墻體的最大主拉應(yīng)力，內(nèi)力計(jì)算中應(yīng)予以考慮。

② 基坑開挖前期，隨著開挖深度增加，2種情況下墻體最大主壓應(yīng)力絕對值緩慢減少，其中計(jì)入收縮影響的情況下最大主壓應(yīng)力絕對值總體較不計(jì)入的少。在7～11工況時(shí)，兩種情況下最大主壓應(yīng)力絕對值均較快增長，計(jì)入收縮影響的情況下增長速率相對較大，最終階段兩種情況下最大主壓應(yīng)力值較為接近。

③ 內(nèi)襯混凝土收縮能引起墻體最大水平位移數(shù)值增大。

④ 在計(jì)算過程中考慮內(nèi)襯收縮對墻體結(jié)構(gòu)的影響能有效減少水平位移計(jì)算值與實(shí)測值差距，對指導(dǎo)施工監(jiān)測具有實(shí)際意義。

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Affection of Liner Shrinkage on the Displacement and Stress of Forcegourd Shaped Anchor Underground Continuous Wall

Li Xiaohu1， WU Xin2， YU Jinhua1， Liu Yi1

(1.Hunan Provincial Yonglong Highway Construction and Development Co.， Ltd.， Yongshun， Hunan 416700， China；2.Hunan Communications Research Institute， Changsha， Hunan 410015， China)

[Abstract]the form of underground continuous wall structure without too much experience in engineering and theory in the world，the difficulties of Engineering belongs to the underground continuous wall.Wall affected by external force in the process of the excavation pit deformation is small，the contraction deformation after lining concrete pouring to even the impact of wall to wall should not be neglected.Through analyzing the influence of wall lining of shrinkage on revealing the underground continuous wall lining wall considering contraction of displacement and stress change rule.

[Key words]gourd shape anchorage； underground continuous wall； deformation law； Shrinkage； displacement and stress

[中圖分類號(hào)]U 417.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674—0610(2016)02—0053—03

[作者簡介]栗小祜(1980—)，男，湖南岳陽人，工程師，從事橋梁與路面工程建設(shè)管理及研究工作。

[基金項(xiàng)目]交通部交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2014318785090)；湖南省交通科技項(xiàng)目(201451)；湖南省交通科技項(xiàng)目(201518)。

[收稿日期]2016—02—10