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        地連墻兼作水池壁板的接頭質(zhì)量控制參數(shù)及厚度優(yōu)化研究

        2020-07-04 02:54:54羅震剛馬棟魁沈才華
        河南科學(xué) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:弱化墻體基坑

        羅震剛, 周 晨, 王 晶, 陳 偉, 馬棟魁, 沈才華

        (1.南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,南京 210008; 2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,南京 210098)

        地下連續(xù)墻是基礎(chǔ)工程在地面上采用一種挖槽機(jī)械,在泥漿護(hù)壁的輔助作用下挖出一條狹長(zhǎng)的深槽,清槽后,在槽內(nèi)吊放鋼筋籠,并進(jìn)一步澆筑合適的材料,形成具有截水、防滲、承重、擋水結(jié)構(gòu)功能的連續(xù)性的地下墻體[1-2]. 該施工技術(shù)是由鉆進(jìn)技術(shù)中采用泥漿和水下灌注混凝土的方法發(fā)展演變而來(lái)[3]. 地下連續(xù)墻作為深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的常用形式,適用于多種復(fù)雜的地質(zhì)條件,施工質(zhì)量可靠,工期短,噪聲小,施工對(duì)周圍環(huán)境影響小,止水防水及支護(hù)效果很理想,同時(shí)地下連續(xù)墻整體性能較好,兼作永久性建筑的經(jīng)濟(jì)性明顯,成為目前研究的熱點(diǎn)[4-5]. 由于城市內(nèi)環(huán)境與地質(zhì)水文條件比較復(fù)雜,地連墻接頭處力學(xué)性能薄弱,地連墻基坑開(kāi)挖施工的事故時(shí)有發(fā)生[6]. 陳英才[7]等以廣州某地鐵車站施工為例,介紹了地鐵車站地下連續(xù)墻接縫施工質(zhì)量問(wèn)題造成深基坑開(kāi)挖中出現(xiàn)涌水涌砂事故的分析和處理方法. 2007年7月14日上海軌道交通某車站標(biāo)準(zhǔn)段出現(xiàn)地連墻滲漏事故[8]. 2016年5月2日下午,上海蘇河灣地區(qū)某深大基坑圍護(hù)體地下連續(xù)墻出現(xiàn)漏水夾砂的險(xiǎn)情,接縫兩側(cè)的地下連續(xù)墻變形較大,且變形不協(xié)調(diào),導(dǎo)致接縫處滲漏事故[9]. 2019年1月8日地處閩江下游沖淤積平原某地下三層車站,由于地連墻墻縫處薄弱,出現(xiàn)滲漏,端頭外側(cè)地面出現(xiàn)沉降事故[10]. 因此采用三維數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)地連墻基坑工程進(jìn)行受力分析,彌補(bǔ)規(guī)范計(jì)算無(wú)法考慮三維效應(yīng)的缺點(diǎn),對(duì)地連墻進(jìn)行優(yōu)化研究具有重要實(shí)際意義,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多研究. 余朔[11]利用FLAC3D數(shù)值軟件模擬了不同開(kāi)挖深度地下連續(xù)墻施工的各個(gè)階段變化過(guò)程,基坑水平和縱向位移模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果變化規(guī)律基本一致. 任志國(guó)等[12]結(jié)合工程實(shí)例模擬分析了地下連續(xù)墻厚度從0.6 m增加到1.2 m時(shí)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力的影響規(guī)律,結(jié)論顯示,雖然增加墻體厚度在一定程度上可減小墻體側(cè)移,但考慮到內(nèi)力的增大和經(jīng)濟(jì)性,不建議僅依靠增加地連墻厚度提高安全性. 諸以惇[13]等結(jié)合南京緯三路過(guò)江隧道盾構(gòu)工作井地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì),通過(guò)數(shù)值模擬,研究了連續(xù)墻接頭形式對(duì)于墻體水平位移以及支護(hù)體系受力的影響規(guī)律. 陳宇[14]依托湛江市東海島鋼鐵基地圓形連鑄池工程實(shí)例,對(duì)剛性接頭與鉸接接頭的連續(xù)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力模擬分析,結(jié)果表明:接頭連接形式的不同對(duì)墻體的水平變形大小影響較大,鉸接條件下墻體的水平變形值較剛接時(shí)增大了24%. 可見(jiàn)地連墻的接頭是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵控制因素,而且基坑開(kāi)挖過(guò)程中地層參數(shù)、結(jié)構(gòu)體比較復(fù)雜,規(guī)范法計(jì)算很難反映這些復(fù)雜的三維效應(yīng)[15],因此本文針對(duì)白沙門污水處理廠地連墻兼作水池壁板進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析,以接頭處的安全性作為控制條件,進(jìn)行厚度的設(shè)計(jì)優(yōu)化研究,增加設(shè)計(jì)的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性.

        1 工程概況及數(shù)值模型構(gòu)建

        1.1 工程平面布置及地層情況

        白沙門污水處理廠平面尺寸33.8 m×32.8 m,水池內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.

        場(chǎng)地經(jīng)人工填土后平整,地形平坦,場(chǎng)地原始地貌單元是海成一級(jí)階地. 在勘探30 m深度范圍內(nèi),揭露地層為新近人工填土(Qml)、第四系全新統(tǒng)沖海相沉積土(Q4m)及上第四系下更新統(tǒng)海相沉積土(N2m). 根據(jù)地層土性特征從上而下劃分為①、②、③、④、⑤共五個(gè)工程地質(zhì)層,分述如下. 第①層素填土(Qml):主要由淤泥質(zhì)土和松散砂土組成,層厚0.50~6.00 m 不等,平均值4.5 m. 第②層礫砂(Q4m):

        含有約20%的中粗砂及少量粉細(xì)砂,黏粒含量約占10%左右,層頂埋深1.50~6.00 m,層厚1.00~7.20 m,層厚平均值為4.75 m. 第③層粉砂(Q4mc):含有20%的細(xì)砂及少量中粗砂,局部呈薄層狀產(chǎn)出,黏粒含量約占10%左右,層頂埋深13.50~17.20 m,層厚0.70~8.60 m,層厚平均值為4 m. 第④層淤泥(Q4m):底部含有少量的中粗砂及石英小礫石. 層頂埋深7.80~13.50 m,層厚1.10~8.30 m. 層厚平均值為2.5 m. 第⑤層粉質(zhì)黏土(N2m):巖芯局部呈堅(jiān)硬的半成巖狀. 受鉆孔深度的限制,該層未揭露,層頂埋深20.40~29.60 m,揭露層厚0.80~29.00 m,層厚平均值為14.25 m.

        圖1 加砂高效沉淀池結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of sand-adding high efficiency sedimentation tank

        1.2 三維數(shù)值模擬模型的建立

        1.2.1 幾何模型的建立 結(jié)合工程實(shí)際情況,整個(gè)土體模型尺寸為60 m×60 m×30 m,基坑的尺寸為31.2 m×30.2 m×8.5 m,地下連續(xù)墻深26.5 m. 水池內(nèi)部的內(nèi)隔墻高7.7 m,厚500 mm 或600 mm,水池底板尺寸為31.2 m×30.2 m×0.8 m. 整體建立的模型見(jiàn)圖2.

        圖2 數(shù)值模型示意圖Fig.2 Numerical model draning

        1.2.2 本構(gòu)模型及其材料參數(shù)的選取 地下連續(xù)墻和加砂高效沉淀池采用線彈性模型,接頭處考慮搭接效應(yīng),采用等效彈性模量弱化處理,土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型[16],土體和地下連續(xù)墻之間采用面對(duì)面接觸,其中切向行為中摩擦系數(shù)為0.5、剪應(yīng)力界限無(wú)限制、彈性滑動(dòng)剛度無(wú)滑移;法向行為采用默認(rèn)設(shè)置.所有實(shí)體單元采用C3D8R. 數(shù)值模擬土體采用參數(shù)數(shù)值見(jiàn)表1和表2.

        表1 土層參數(shù)表Tab.1 Soil layer parameters

        1.2.3 數(shù)值模擬思路 數(shù)值模擬分析思路如下:槽段鋼筋混凝土和接頭處鋼筋混凝土密度均為2500 kg/mm3,槽段彈性模量為32.5 GPa,采用等效彈性模量弱化處理,研究地下連續(xù)墻接頭處等效彈性模量與槽段等效彈性模量比ξ分別為0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1時(shí)基坑變形和地下連續(xù)墻內(nèi)力的規(guī)律. 根據(jù)我國(guó)地連墻建設(shè)情況來(lái)看,地連墻的厚度一般都小于1.2 m[17],并同時(shí)研究低于1.2 m地下連續(xù)墻厚度對(duì)地連墻水平位移和接頭處抗變形的影響規(guī)律,從而優(yōu)化地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì)厚度,并用優(yōu)化后的地下連續(xù)墻厚度模擬水池注水運(yùn)營(yíng)期地連墻接頭應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律.

        表2 鋼筋混凝土參數(shù)表Tab.2 Parameters of reinforced concrete

        2 基坑開(kāi)挖時(shí)不同厚度地連墻的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律

        根據(jù)接頭處鋼筋混凝土抗裂設(shè)計(jì)要求,接頭處的拉應(yīng)變應(yīng)小于1×10-4,考慮到安全系數(shù),設(shè)計(jì)的允許控制拉應(yīng)變?yōu)?.3×10-4. 較柔性接頭而言剛性接頭與地下連續(xù)墻整體性更好,可以增強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)向變形的能力,降低支護(hù)體系受力,提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[18-19],因此接頭處采用十字板+鋼筋搭接的方式,不同接頭處等效彈性模量與槽段等效彈性模量比(簡(jiǎn)稱為接頭等效彈性模量弱化系數(shù)ξ)、不同地下連續(xù)墻厚度時(shí)地連墻位移、內(nèi)力模擬計(jì)算分析結(jié)果如下.

        2.1 地下連續(xù)墻水平位移分析

        如圖3,隨著接頭等效彈性模量弱化系數(shù)ξ增大,接頭處剛度變大,水平位移減小. 當(dāng)接頭等效彈性模量弱化系數(shù)ξ為0.7時(shí),地下連續(xù)墻水平位移最大值隨著墻體厚度增大近似線性減小.

        2.2 接頭處拉應(yīng)變分析

        如圖4(a)所示,接頭拉應(yīng)變隨著接頭等效彈性模量弱化系數(shù)ξ由0.1增加到1而減小. 墻體厚度為600 mm時(shí),接頭在短邊法向上最大拉應(yīng)變由1.48×10-4減小到0.32×10-4;在長(zhǎng)邊法向上最大拉應(yīng)變由1.46×10-4減小到0.41×10-4. 可見(jiàn),即使不考慮接頭處的弱化效應(yīng),地連墻內(nèi)的拉應(yīng)變都大于設(shè)計(jì)允許拉應(yīng)變值0.3×10-4,不宜作為設(shè)計(jì)厚度值.

        從圖4(b)可以看出,墻體厚度為700 mm時(shí),接頭拉應(yīng)變隨著接頭等效彈性模量弱化系數(shù)ξ由0.1增加到1,接頭段在短邊法向上最大拉應(yīng)變由1.31×10-4減小到0.32×10-4;在長(zhǎng)邊法向上最大拉應(yīng)變由1.41×10-4減小到0.23×10-4,當(dāng)接頭等效彈性模量弱化系數(shù)ξ小于0.68時(shí)(定義為允許的臨界弱化系數(shù)ξ),接頭拉應(yīng)變最大值大于混凝土設(shè)計(jì)控制拉應(yīng)變,接頭處有破壞風(fēng)險(xiǎn).

        從圖4(c)可以看出墻體厚度為800 mm時(shí),隨著接頭等效彈性模量弱化系數(shù)ξ由0.1增加到1,接頭段拉應(yīng)變?cè)诙踢叿ㄏ蛏献畲罄瓚?yīng)變由1.28×10-4減小到0.18×10-4;在長(zhǎng)邊法向上最大拉應(yīng)變由1.36×10-4減小到0.20×10-4,當(dāng)接頭等效彈性模量弱化系數(shù)ξ大于0.65時(shí),接頭拉應(yīng)變最大值小于混凝土設(shè)計(jì)控制拉應(yīng)變,接頭處于安全狀態(tài);當(dāng)接頭等效彈性模量弱化系數(shù)ξ小于0.65時(shí),接頭拉應(yīng)變最大值大于混凝土設(shè)計(jì)控制拉應(yīng)變,接頭處混凝土被拉裂,接頭處有破壞風(fēng)險(xiǎn).

        從圖4(d)可以看出,墻體厚度為900 mm時(shí),隨著接頭等效彈性模量弱化系數(shù)ξ由0.1增加到1,接頭段在短邊法向上最大拉應(yīng)變由1.18×10-4減小到0.18×10-4;在長(zhǎng)邊法向上最大拉應(yīng)變由1.23×10-4減小到0.20×10-4,當(dāng)接頭等效彈性模量弱化系數(shù)ξ小于0.66時(shí),接頭拉應(yīng)變最大值大于混凝土設(shè)計(jì)控制拉應(yīng)變,接頭處混凝土被拉裂;當(dāng)接頭等效彈性模量弱化系數(shù)ξ大于0.66時(shí),接頭拉應(yīng)變最大值小于混凝土極限拉應(yīng)變,接頭混凝土處于安全狀態(tài).

        從圖4(e)可以看出,墻體厚度為1000 mm時(shí),隨著接頭等效彈性模量弱化系數(shù)ξ由0.1增加到1,接頭段在短邊法向上最大拉應(yīng)變由1.08×10-4減小到0.18×10-4;在長(zhǎng)邊法向上最大拉應(yīng)變由1.17×10-4減小到0.19×10-4,當(dāng)接頭等效彈性模量弱化系數(shù)ξ 小于0.65 時(shí),接頭處混凝土被拉裂,當(dāng)接頭等效彈性模量弱化系數(shù)ξ 大于0.65時(shí),接頭處于安全狀態(tài).

        圖3 不同接頭等效彈性模量弱化系數(shù)ξ 和不同墻體厚度時(shí)地連墻最大水平位移Fig.3 Maximum horizontal displacements of diaphragm wall with different joint equivalent elastic modulus weakening coefficient ξ and different wall thicknesses

        圖4 接頭拉應(yīng)變最大值(不同墻體厚度)Fig.4 Maximum tensile strain of joint(different wall thicknesses)

        從圖4(f)可以看出,接頭等效彈性模量弱化系數(shù)ξ為0.7時(shí),理論上講增加地連墻的厚度能夠有效地提高地連墻的剛度[20],接頭處拉應(yīng)變最大值隨著墻體厚度增大而減小,在地連墻厚度為800 mm時(shí)接頭拉應(yīng)變隨著地連墻厚度增大略有回彈趨勢(shì).

        可見(jiàn)當(dāng)?shù)剡B墻厚度小于800 mm時(shí),接頭等效彈性模量臨界弱化系數(shù)ξ隨厚度的增加而減小,但地連墻厚度大于800 mm時(shí),由于地連墻厚度、剛度以及地層分布的復(fù)雜性,臨界弱化系數(shù)ξ基本不變,因此建議采用允許拉應(yīng)變安全控制的臨界弱化系數(shù)ξ作為接頭段施工質(zhì)量控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

        綜合考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性要求,地下連續(xù)墻厚度采用800 mm,取近似接頭等效彈性模量臨界弱化系數(shù)ξ為0.7作為本工程接頭段施工質(zhì)量控制要求.

        3 800 mm厚度地連墻運(yùn)營(yíng)期的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律分析

        3.1 地下連續(xù)墻厚度為800 mm時(shí)運(yùn)營(yíng)期墻體水平位移分析

        從圖5 地連墻水平位移最大值可以看出墻體厚度為800 mm 時(shí),當(dāng)接頭等效模量弱化系數(shù)為0.7 時(shí),地下連續(xù)墻水平位移最大值在短邊法向上由4.25 mm 減小到3.98 mm,在長(zhǎng)邊法向上由4.75 mm減小到4.35 mm.

        3.2 地下連續(xù)墻厚度為800 mm 時(shí)運(yùn)營(yíng)期墻體接頭段拉應(yīng)變分析

        由圖6可以看出墻體厚度為800 mm時(shí),接頭最大拉應(yīng)變?cè)诙踢叿ㄏ蛏嫌?.87×10-4減小到0.19×10-4;在長(zhǎng)邊法向上由0.88×10-4減小到0.27×10-4. 結(jié)合圖4,當(dāng)接頭等效彈性模量弱化系數(shù)ξ為0.7 時(shí),800 mm 厚度地下連續(xù)墻均能滿足開(kāi)挖期和運(yùn)營(yíng)期地連墻接頭變形要求.

        圖5 地連墻水平位移最大值Fig.5 Maximum horizontal displacements of diaphragm wall

        圖6 接頭拉應(yīng)變最大值Fig.6 Maximum tensile strains of joint

        4 結(jié)論

        1)地連墻兼作永久建筑的接頭段是地連墻最關(guān)鍵的控制性部位. 隨著接頭等效彈性模量弱化系數(shù)ξ增大,接頭處剛度變大,地下連續(xù)墻水平位移最大值減小. 采用接頭段設(shè)計(jì)允許拉應(yīng)變?yōu)榘踩刂浦?,?dāng)?shù)剡B墻厚度小于800 mm時(shí),接頭等效彈性模量臨界弱化系數(shù)ξ隨厚度的增加而減小,但地連墻厚度大于800 mm時(shí),由于地連墻厚度、剛度以及地層分布的復(fù)雜性,臨界弱化系數(shù)ξ基本不變. 所以依靠增加厚度彌補(bǔ)接頭段施工質(zhì)量差是不可行的.

        2)本文結(jié)合實(shí)際工程,采用接頭段允許拉應(yīng)變?yōu)榘踩刂浦?,提出采用接頭等效彈性模量臨界弱化系數(shù)ξ作為接頭施工質(zhì)量控制參數(shù),優(yōu)化了白沙門污水處理廠地連墻兼作水池壁板的設(shè)計(jì)厚度,指導(dǎo)了實(shí)際工程,更為地連墻接頭段施工質(zhì)量控制提供了理論依據(jù),具有重要實(shí)際價(jià)值.

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