陸 雯，張 旭，吳舒海

(1.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000)

T型地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)地連墻基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，通過在地連墻墻面后增設(shè)扶臂而形成的T型梁式結(jié)構(gòu)。與內(nèi)支撐式、拉錨式等支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，T型地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)具有占用場(chǎng)地少、施工方便、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合新溝河江邊樞紐工程實(shí)例，對(duì)樞紐單雙向泵間地面開挖高差為7.8 m的T型地連墻進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。T型地連墻屬于懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)于這種支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論，根據(jù)基坑內(nèi)外土壓力分布及樁端固嵌情況的不同假定，大致分為以下3種[1]：①靜力平衡法；②彈性地基梁法；③有限單元法。針對(duì)本工程案例，本文采用后兩種方法分別對(duì)T型結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、形變和應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算。首先，根據(jù)抗彎剛度等效的原理，提出一種將T型地連墻置換成矩形截面后運(yùn)用彈性地基梁法(m法)計(jì)算內(nèi)力的簡(jiǎn)化方法。其次，再運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)T型結(jié)構(gòu)建模，進(jìn)行三維有限元計(jì)算。

1 彈性地基梁計(jì)算方法與過程

新溝河江邊樞紐T型地連墻墻面板厚度60 cm，墻后每隔3 m設(shè)一道60 cm厚扶臂。計(jì)算時(shí)取T型地連墻兩扶壁中點(diǎn)為分界線，3.6 m寬地連墻為單元體，計(jì)算結(jié)構(gòu)受力情況。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將T型結(jié)構(gòu)等剛度替換為矩形地連墻結(jié)構(gòu)，如圖1所示。T型結(jié)構(gòu)抗彎剛度：

(1)

式中：WT型為T型結(jié)構(gòu)懸臂樁抗彎剛度，m3；B為單元體寬度，取B=3.6 m；H為換算同剛度矩形截面高度，m。

圖1 等剛度換算矩形截面梁(單位：cm)

彈性地基梁法是現(xiàn)行規(guī)范推薦的內(nèi)力計(jì)算方法，該方法同時(shí)考慮了支護(hù)結(jié)構(gòu)的平衡條件以及結(jié)構(gòu)自身與土體的協(xié)調(diào)變形，且經(jīng)過多年工程實(shí)踐的積累，在地基土水平抗力系數(shù)m的取值方面有了一定的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)已成為被工程實(shí)際運(yùn)用最廣泛的設(shè)計(jì)方法。基坑工程彈性地基梁法取單位寬度支護(hù)結(jié)構(gòu)為單元體，作為豎向放置的彈性地基梁?；觾?nèi)側(cè)土體視為土彈簧，土體對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平抗力由土彈簧模擬，土抗力僅與支護(hù)結(jié)構(gòu)形變有關(guān)[2]。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 彈性地基梁計(jì)算模型

m法土體對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗力為：

F=mzy

(2)

式中：m為水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，MN/m4；z為地面以下深度，m；y為計(jì)算點(diǎn)處支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移，m。

基坑開挖面以下彈性地基梁撓曲微分方程為：

(3)

式中：EI為支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彎剛度，kN·m2；y為支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，m；z為計(jì)算深度，m；ea(z)為計(jì)算深度處的荷載強(qiáng)度，包括水平抗力及外荷載，kN；m為水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，MN/m4；b為計(jì)算寬度，m。

對(duì)于懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)，可以將開挖面以上水平外荷載等效為開挖面處的水平集中荷載以及力矩，參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》得出開挖面以下部分的內(nèi)力及位移，并根據(jù)內(nèi)力協(xié)調(diào)變形原理，得到樁頂最大位移。新溝河延伸拓浚工程江邊樞紐工程由凈寬48 m節(jié)制閘、180 m3/s泵站、Ⅴ級(jí)船閘以及魚道組成。其中,單雙向泵間地面開挖高差較大，最大擋土高差為7.8 m，采用T型地連墻支護(hù)，地連墻入土長(zhǎng)度17 m，墻面板厚度60 cm，墻后每隔3 m設(shè)置一道60 cm厚的扶臂。工程場(chǎng)地土層參數(shù)詳見表1。

表1 土層分布和物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)計(jì)算模型和方法，對(duì)新溝河江邊樞紐T型地連墻支護(hù)進(jìn)行內(nèi)力、變形計(jì)算。經(jīng)計(jì)算樁身最大彎矩5500 kN·m，樁頂最大位移11.4 mm，并根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果按T型梁配置截面鋼筋。計(jì)算結(jié)果匯總表見表2，內(nèi)力沿地連墻入土方向分布及T型結(jié)構(gòu)配筋如圖3所示。

表2 地連墻結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果匯總表

2 有限單元法數(shù)值模擬

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元軟件，在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。有限單元法分析過程大體分為以下幾個(gè)步驟：(1)將研究對(duì)象離散化。即將給定的連續(xù)體劃分為有限個(gè)微小單元體，單元體直接通過節(jié)點(diǎn)連接，各單位體的有關(guān)參數(shù)通過連接節(jié)點(diǎn)具有連續(xù)性。(2)根據(jù)虛功原理，通過單位剛度矩陣建立節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移的平衡方程。(3)通過單元平衡方程，建立整體結(jié)構(gòu)的平衡方程。這個(gè)過程包括以下兩個(gè)方面：一是將單位剛度矩陣轉(zhuǎn)換成整體剛度矩陣；二是將作用于每個(gè)單元上的節(jié)點(diǎn)力轉(zhuǎn)換成總的荷載列陣。從而得到整體平衡方程：[K]{δ}=[R]。(4)引入幾何邊界條件，計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)位移矢量。(5)由節(jié)點(diǎn)位移矢量計(jì)算單元應(yīng)力。

圖3 地連墻彎矩及配筋圖(單位：cm)

鋼筋混凝土T型地連墻選擇SOLID65實(shí)體單元，地基土選用SOLID45實(shí)體單元。地基土層材料定義根據(jù)表1所示的地質(zhì)資料確定，其中地基土選擇ANSYS提供的D-P彈塑性地基模型來模擬(Drucker-Prager模型根據(jù)D-P屈服準(zhǔn)則定義土體性質(zhì)，運(yùn)用胡克定律求解彈性變形，塑性理論求解塑性變形，疊加求得總變形量)[3-4]。通過外部導(dǎo)入實(shí)體模型的方式將已經(jīng)建好的三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

圖4 T型地連墻實(shí)體模型

網(wǎng)格劃分采用四面體單元，并應(yīng)用程序提供的智能化控制(SMRTSIZE)的智能網(wǎng)格對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行劃分，如圖5所示。

圖5 T型地連墻實(shí)體模型

網(wǎng)格劃分完成后，對(duì)模型定義邊界條件和初始條件，并加載墻后水壓力，而后進(jìn)行計(jì)算，通過ANSYS自帶的后處理程序查看計(jì)算結(jié)果，T型地連墻第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6所示，墻身形變計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，T型截面頂部拉應(yīng)力最大，最大值約為0.3 MPa；應(yīng)力變化隨地連墻埋深深度向下逐漸減小，并逐漸轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力。從結(jié)構(gòu)受力角度分析，支護(hù)結(jié)構(gòu)下部截面具有優(yōu)化余地。由圖7，T型地連墻墻身變形云圖可知，樁頂最大位移約為2.6 mm，小于傳統(tǒng)彈性地基梁法計(jì)算的11 mm的計(jì)算結(jié)果。由此可知，采用傳統(tǒng)計(jì)算方法所計(jì)算出的結(jié)果是偏保守和安全的。

圖6 T型地連墻大主應(yīng)力應(yīng)力云圖

圖7 T型地連墻墻身變形云圖

3 結(jié) 論

T型地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)矩形平面地連墻，具有自身剛度大、抗彎能力強(qiáng)、樁頂位移小等優(yōu)點(diǎn)。本文首先采用傳統(tǒng)彈性地基梁法對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，通過ANSYS有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與形變進(jìn)行計(jì)算。并得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)新溝河江邊樞紐工程的實(shí)際檢驗(yàn)是比較適用和偏安全的。

(2)從結(jié)構(gòu)受力角度分析，支護(hù)結(jié)構(gòu)下部截面具有優(yōu)化余地，在今后的工程設(shè)計(jì)中可進(jìn)一步研究與優(yōu)化。

(3)有限單元法計(jì)算的形變結(jié)果小于傳統(tǒng)彈性地基梁法計(jì)算結(jié)果，傳統(tǒng)計(jì)算方法是偏保守和安全的。

[1] 龔曉南. 深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1998.

[2] 劉國(guó)彬, 王衛(wèi)東. 基坑工程手冊(cè)[M].第2版. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2009.

[3] 侯明勛，房螢光，胡桂銜，等.基于ANSYS的地下連續(xù)墻水平位移數(shù)值模擬[J].科技技術(shù)與工程, 2011,11(32):8073-8076.

[4] 彭志榮, 金晶. 基于ANSYS的水閘閘室結(jié)構(gòu)分析[J]. 水利科技與經(jīng)濟(jì), 2016, 22(6):23-25.