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        格柵連續(xù)墻中隔墻深度影響的數(shù)值模擬分析

        2022-11-08 12:53:54姚廣亮李支令
        廣東水利水電 2022年10期
        關(guān)鍵詞:隔墻格柵內(nèi)力

        姚廣亮,李支令

        (廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣州 510635)

        1 概述

        隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展,要求更多地對(duì)地下空間進(jìn)行開發(fā)與利用,同時(shí)由于地鐵、地下綜合管廊、高層建筑[1]、大型船塢[2-3]等地下建筑物的建設(shè),要求基坑的開挖越來越深,在已有的水利樞紐上擴(kuò)建船閘[4]、引水隧洞不良地質(zhì)段開挖[5]也對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)有特殊的要求,常規(guī)的支撐體系已經(jīng)不適用于地下工程,從而產(chǎn)生了大量的新型支護(hù)結(jié)構(gòu),其中格柵型地連墻就是其中之一。

        格柵型地連墻由前墻、中隔墻及后墻3部分組成,屬于依靠自身重量來抵抗外側(cè)水土壓力的半重力式懸臂結(jié)構(gòu)。目前格柵型地連墻的研究主要有豎向承載機(jī)理與灌注樁區(qū)別研究[6-7]、空間變形三維分析[8-9]、格式地連墻槽壁穩(wěn)定方法[10]、地連墻土壓力、前后墻內(nèi)力計(jì)算方法[11]、中隔墻間距及寬度影響[12]等方面,而針對(duì)中隔墻深度影響的研究還很少。實(shí)際設(shè)計(jì)及施工中,為便于控制,往往取中隔墻的深度(或長(zhǎng)度)與前、后地連墻深度一致,而當(dāng)中隔墻的深度與前、后地連墻深度不一致時(shí),格柵型地連墻整體結(jié)構(gòu)受力變化情況目前少有研究。本文主要利用有限元數(shù)值模擬的方法,研究分析中隔墻位于不同的深度情況下,連續(xù)墻的變形及內(nèi)力變化情況,為進(jìn)一步優(yōu)化格柵型地連墻設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

        2 工程概況

        2.1 格柵連續(xù)墻設(shè)計(jì)

        某建筑基坑采用格柵連續(xù)墻支護(hù),基坑開挖深度為14 m。設(shè)計(jì)采用的地連墻壁厚為1.2 m,每6 m 1個(gè)槽段,地連墻進(jìn)入中風(fēng)化巖層深度按不少于3 m控制,前、后地連墻全長(zhǎng)為24.5 m。雙排地連墻之間采用2塊中隔墻連接,每塊中隔墻長(zhǎng)度為6 m,壁厚為1.2 m,前、后地連墻中心間距為17. 2 m。為提高整體剛度,地連墻頂部采用2 m厚的鋼筋混凝土板通長(zhǎng)連接,連接板長(zhǎng)度為18.4 m。格柵連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)平面及剖面見圖1所示。

        圖1 格柵連續(xù)墻平面及剖面示意(單位:高程mm;尺寸mm)

        2.2 場(chǎng)區(qū)地層條件

        場(chǎng)地地層分布總體穩(wěn)定,經(jīng)歸類主要為以下4層:表層為素填土層,主要為褐黃~土黃色黏土、含砂礫粉質(zhì)黏土組成,局部含有少量淤質(zhì)粉質(zhì)黏土,土質(zhì)不均,較松軟,地基承載力一般,滲透性中等~強(qiáng),開挖界面以上穩(wěn)定性較差;2號(hào)土層為砂性土層,灰白色為主,含礫較多,砂質(zhì)不均,局部夾泥,稍~中密,為河流相沖積,中密-密實(shí),承載力一般,滲透性中等~強(qiáng),全部位于開挖界面以上,穩(wěn)定性一般;3號(hào)土層為全風(fēng)化巖層,呈粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土狀,局部風(fēng)化不均,局部夾強(qiáng)~弱風(fēng)化巖塊,因此,歸類為全/強(qiáng)風(fēng)化巖層;底部為中風(fēng)化巖層,巖芯呈塊狀、短柱狀,碎屑結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,鐵質(zhì)膠結(jié),巖質(zhì)較硬,錘擊易碎,錘擊聲較清脆。根據(jù)地質(zhì)勘察資料及結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),各巖土層物理參數(shù)見表1所示。

        2.3 地連墻施工

        地連墻成槽采用成槽效率較高、壁面平整度較好、質(zhì)量易于控制的導(dǎo)向抓斗成槽法或液壓銑槽機(jī)。槽段施工按先轉(zhuǎn)角、后直線槽段的順序進(jìn)行。地連墻施工按成槽、清槽,施放與定位鋼筋籠,然后澆筑混凝土墻身等工序進(jìn)行。

        地連墻挖槽之前修筑導(dǎo)墻,導(dǎo)墻接頭應(yīng)與地連墻接頭錯(cuò)開,為防止導(dǎo)墻位移和變形,在導(dǎo)墻內(nèi)側(cè)加設(shè)上、下2道木支撐。護(hù)壁用泥漿,護(hù)壁泥漿密度要根據(jù)施工時(shí)的地面荷載、槽深以及具體槽段的土力學(xué)指標(biāo)等確定。在轉(zhuǎn)彎處和卵石層等易發(fā)生坍塌的地方,增加泥漿密度或在泥漿中添加增粘劑。地連墻槽段接頭采用“工字形鋼板接頭”。

        表1 巖土體物理參數(shù)

        3 支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

        3.1 分析思路

        工程上對(duì)于格柵地連墻的中隔墻深度一般都取與前、后地連墻一樣的深度。取一致深度雖然可以保證格柵連續(xù)墻的整體剛度,但地連墻底部一般都需要進(jìn)入巖層一定的深度(通常入巖深度不少于3 m),若中隔墻也與前、后墻保證相同的入巖深度,則增加施工難度,同時(shí)需耗費(fèi)較長(zhǎng)的工期。本文通過模擬中隔墻進(jìn)入基坑坑底以下不同的深度h(見圖2所示),分析前、后墻的變位情況及內(nèi)力變化情況,得出中隔墻較優(yōu)的深度位置,以研究中隔墻入巖深度優(yōu)化的可能性。

        圖2 中隔墻深度h示意

        3.2 有限元模型建立

        由于地連墻結(jié)構(gòu)形式類似,可只選取一個(gè)槽段即6 m進(jìn)行模擬計(jì)算,建立有限元計(jì)算模型(見圖3)。模型主要約束為:底部節(jié)點(diǎn)固定;前、后節(jié)點(diǎn)約束前后方向的位移;左、右節(jié)點(diǎn)約束左右方向的位移。土層材料參數(shù)采用表1參數(shù),地連墻及隔墻采用C30混凝土,彈性模量取值為3.00×104MPa,整體模型單元數(shù)量為69 700。地連墻與中隔墻均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬,兩者之間采用界面單元模擬接觸,界面單元法向剛度模量按經(jīng)驗(yàn)C30混凝土彈性模量的1/10,考慮泥漿護(hù)壁殘余泥皮的影響,偏安全考慮切向剛度模量取0(見圖4)。

        基坑開挖前

        基坑開挖后

        圖4 地連墻與隔墻實(shí)體模型示意

        3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)整體變形特性

        計(jì)算基坑開挖整體變形云示意如圖5所示,由于卸荷,基坑開挖底部會(huì)有一定的回彈及隆起,符合一般規(guī)律。

        由于根據(jù)實(shí)際施工情況,考慮了前、后墻與隔墻間、隔墻與隔墻間的泥皮接縫影響,中隔墻與前、后地連墻接觸面、中隔墻間接觸面位置采用界面模擬,中隔墻的變形會(huì)產(chǎn)生一定的錯(cuò)位(見圖6所示),與實(shí)際情況是相符的。

        圖5 基坑開挖整體變形示意

        圖6 格柵連續(xù)墻變形示意

        3.4 中隔墻不同深度情況下支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

        對(duì)中隔墻的深度取不同的值(以位于地基底面以下3 m開始,不斷往下增加中隔墻的深度,直至進(jìn)入巖層3 m,此時(shí)基本與前、后地連墻底高程持平),分析格柵連續(xù)墻變形情況(見表2所示),其中前墻的位移變形見圖7所示。

        表2 格柵連續(xù)墻變形結(jié)果 mm

        圖7 格柵連續(xù)墻前墻變形示意

        由表2可以看出:前、后墻以及中隔墻變形值基本相同,體現(xiàn)了格柵連續(xù)墻整體變形受力特性;當(dāng)中隔墻未入巖時(shí),前、后墻的最大變形差值約為0.1 mm,當(dāng)中隔墻入巖時(shí),前、后墻的最大變形差值約為0.01 mm,說明中隔墻入巖,有利于確保格柵連續(xù)墻的整體協(xié)同變形特性。同時(shí)由于頂部連接板的作用,前、后墻變形差異較小。

        由圖7可以看出:前墻隨深度的變形體現(xiàn)出了懸臂梁特性,即支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部變形最大,底部變形最小(入巖部分可視為固定端);隨深度增加,而地連墻的變形減少,嵌巖部分變形基本為0;隨著中隔墻的深度不斷增加,地連墻不同位置的變形均在不斷減少;當(dāng)中隔墻進(jìn)入巖面時(shí),位移值發(fā)生突變,說明中隔墻進(jìn)入巖層,對(duì)提高格柵連續(xù)墻整體剛度以及控制地連墻的變形是有利的;當(dāng)中隔墻進(jìn)入巖層1~3 m時(shí),地連墻的整體變形趨于穩(wěn)定。

        3.5 中隔墻不同深度情況下支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

        對(duì)中隔墻的深度取不同的值,分析前、后地連墻的內(nèi)力最值結(jié)果(見表3所示),提取前、后墻的彎矩與剪力圖如圖8~圖9所示(彎矩以基坑側(cè)受拉為負(fù)值)。

        由表3可以看出:當(dāng)中隔墻未進(jìn)入巖層時(shí),前、后墻的內(nèi)力極值變化較?。恢懈魤M(jìn)入巖層后,內(nèi)力極值變化較大,且產(chǎn)生極值的位置發(fā)生變化(體現(xiàn)在數(shù)值正負(fù)的變化)。

        由圖8~圖9可以看出:隨著中隔墻的深度不斷增加,前、后墻不同高程的彎矩、剪力值均在不斷減少;當(dāng)中隔墻未進(jìn)入巖層時(shí),隨著中隔墻的深度的不同,但前、后墻位于同一高程的內(nèi)力差異??;當(dāng)中隔墻進(jìn)入巖面時(shí),內(nèi)力值發(fā)生突變,內(nèi)力值減少較大;當(dāng)中隔墻進(jìn)入巖層1~3 m時(shí),地連墻的內(nèi)力趨于穩(wěn)定。

        表3 前、后地連墻內(nèi)力最值結(jié)果

        4 結(jié)語

        根據(jù)中隔墻位于基坑底部以下不同深度,分析格柵連續(xù)墻的位移及內(nèi)力變化情況,論證了中隔墻深度可對(duì)地連墻整體結(jié)構(gòu)剛度的影響以及中隔墻深度可優(yōu)化的空間。

        1) 隨著中隔墻的深度不斷增加,地連墻整體變形以及內(nèi)力均在不斷減少。

        2) 當(dāng)中隔墻進(jìn)入巖面時(shí),位移值及內(nèi)力值均發(fā)生突變,說明中隔墻進(jìn)入巖層,對(duì)格柵連續(xù)墻整體剛度的提高以及控制地連墻的變形是有利的。

        3) 當(dāng)中隔墻進(jìn)入巖層1~3 m時(shí),地連墻的整體變形趨于穩(wěn)定,而內(nèi)力值也基本穩(wěn)定,且入巖厚度的不同,變形與內(nèi)力的區(qū)別較小。

        4) 相比于前、后墻,中隔墻的深度可進(jìn)行一定的優(yōu)化,深度并不一定要與前、后墻保持一致;中隔墻嵌巖深度的優(yōu)化在一定程序上可節(jié)省投資,減少工期。

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