无粘性土中地连墙位移三维有限元分析

宋 翔，乔丽红

(天津市勘察设计院集团有限公司，天津 300191)

深基坑施工易诱发地表沉降，对相邻建筑物会产生极大影响。因此，评估和控制地下空间开发引起的沉降和垮塌风险，是当前深基坑开挖研究的重点之一。地下连续墙是最宽的原位墙之一，它能提供结构支撑且具有水密性，是许多深基坑工程、大型土木工程、地下停车场和地铁隧道应用最广泛的支撑技术之一。丰土根等[1]依托南京市和燕路过江通道八卦洲明挖段实际工程,针对悬挂式地下连续墙深基坑支护方式,动态模拟基坑开挖,研究地连墙墙体深层水平位移和墙体弯矩变化规律；唐寅伟等[2]以苏州地铁5号线某车站地下连续墙施工为研究背景,采取了增加导墙刚度、选择合适成槽机械、合理划分槽段、间隔施工地连墙槽段及控制泥浆参数等控制措施,并对槽长、土体摩擦角、泥浆液面高差等影响地连墙槽壁稳定性的因素进行了分析；蔡子勇等[3]基于MATLAB语言,采用遗传算法对地连墙厚度、墙体嵌入深度及支撑位置进行优化设计,通过ANSYS软件对优化前后进行分析比对,并结合现场监测进行可行性评价；郦亮等[4]以宁波轨道交通3号线某区间隧道为依托,在基坑工程与虚拟隧道之间开展注浆现场试验,测试得到了虚拟隧道水平位移、地连墙水平位移和压力、土体孔压数据,研究了注浆对隧道的保护机制。此外还有部分学者采用机器学习，现场实测等方法对地连墙进行了细致研究[5-7]。

本文针对以上文献的分析认为，土体类型是基坑开挖工程中地连墙发生变形的关键因素，因为深基坑的性能取决于土和挡墙之间的相互作用。通常在强度和刚度较低的土体中开挖，会导致较大的墙体变形。因此本文以松散和中密砂两种无粘性土为研究对象，采用数值软件分析了不同地震荷载作用下，且不同平面开挖尺寸下，松砂和密砂地基中地连墙的水平位移变化特征，得到了两种土质下地连墙的变形范围，研究结果可为相关工程提供借鉴。

1 工程概况与数值模型

本次基坑开挖项目位于天津市区内，根据现场勘察地基土为松散和中密砂两种无粘性沉积物，松散砂沉积物的细度含量约为15%，土壤的相对密度随着上覆压力的增加而增加，且由于细粒含量降低了沙土液化的可能性。因此，在0.1～0.2 g之间的峰值地震加速度下，土壤不会发生液化，但当峰值地震加速度大于等于0.3 g时，松散砂层具有较高的液化潜力，应采取相应的控制措施。此次开挖的基坑地下水距离地表面3 m深，根据静力学和地震条件下对地基土的研究情况，最终开挖深度取20 m，开挖总宽度取20 m，基坑开挖长宽比分别为L/B=1、L/B=3和L/B=5。图1给出了拟开挖现场平面图，基坑开挖横截面和平面图，共使用了四排支柱。本研究采用三维有限元程序PLAXIS，土的变形采用摩尔库伦硬化土模型，网格划分为三角形划分技术。计算时考虑的荷载为地震荷载，峰值加速度分别为0.1 g、0.2 g、0.3 g。

图1 模型尺寸与开挖方案

2 数值结果分析

2.1 平面开挖尺寸长宽比等于1(L/B=1)

图2给出了平面上开挖尺寸的长宽比等于1时(L/B=1)，在静态和地震条件下的墙体侧向位移变化规律。由图可知，在无地震条件下，密砂基坑地连墙的最大位移为0.025 m左右，发生在墙体高程为-13.5 m处，但给基坑施加地震荷载后，无论是松砂还是密砂地基，墙体的水平位移均出现了一定程度的增大。当地震加速度峰值为0.1 g时，密砂地基中的地连墙最大侧向位移为0.015 m，松砂地基中的地连墙最大侧向位移为0.046 m，分别发生在墙体高程-14.6 m和-16 m。当地震加速度峰值为0.2 g时，密砂地基中的地连墙最大侧向位移为0.028 m，松砂地基中的地连墙最大侧向位移为0.075 m，分别发生在墙体高程-16 m和-18.5 m；当地震加速度峰值为0.3 g时，密砂地基中的地连墙最大侧向位移为0.03 m，松砂地基中的地连墙最大侧向位移为0.105 m，分别发生在墙体高程-16.1 m和-19.5 m。此外，从图中还可得出，松砂地基对地震荷载的响应明显大于密砂，密砂地基的墙体位移在地震荷载作用下变化较小；地震峰值荷载越大，墙体水平变形峰值会下移。

图2 L/B=1时静态和地震条件下的墙体侧向位移变化规律

2.2 平面开挖尺寸长宽比等于3(L/B=3)

图3给出了平面上开挖尺寸的长宽比等于3时(L/B=3)，在静态和地震条件下的墙体侧向位移变化规律。由图可知，总体上来看，对地震荷载响应最大的还是松砂地基中的地连墙，密砂地基中地连墙反映较小。当地震加速度峰值为0.1 g时，密砂地基中的地连墙最大侧向位移为0.028 m，松砂地基中的地连墙最大侧向位移为0.09 m，分别发生在墙体高程-14.5 m和-18 m。当地震加速度峰值为0.2 g时，密砂地基中的地连墙最大侧向位移为0.03 m，松砂地基中的地连墙最大侧向位移为0.135 m，分别发生在墙体高程-15.1 m和-18.6 m；当地震加速度峰值为0.3 g时，密砂地基中的地连墙最大侧向位移为0.037 m，松砂地基中的地连墙最大侧向位移为0.195 m，分别发生在墙体高程-16.1 m和-20.5 m。从以上结果看出，在L/B=3这一开挖尺寸下，松砂地基下的地连墙最大水平位移明显大于L/B=1这一开挖尺寸下的位移，二者位移相差0.09 m。

图3 L/B=3时静态和地震条件下的墙体侧向位移变化规律

2.3 平面开挖尺寸长宽比等于5(L/B=5)

图4给出了平面上开挖尺寸的长宽比等于5时(L/B=5)，在静态和地震条件下的墙体侧向位移变化规律。由图可知，对地震荷载响应最大的仍然是松砂地基中的地连墙，密砂地基中地连墙反映较小。当地震加速度峰值为0.1 g时，密砂地基中的地连墙最大侧向位移为0.027 m，松砂地基中的地连墙最大侧向位移为0.09 m，分别发生在墙体高程-14.4 m和-17.8 m。当地震加速度峰值为0.2 g时，密砂地基中的地连墙最大侧向位移为0.03 m，松砂地基中的地连墙最大侧向位移为0.135 m，分别发生在墙体高程-15.3 m和-18.9 m；当地震加速度峰值为0.3 g时，密砂地基中的地连墙最大侧向位移为0.038 m，松砂地基中的地连墙最大侧向位移为0.21 m，分别发生在墙体高程-15.9 m和-20.6 m。从以上结果看出，在L/B=5这一开挖尺寸下，松砂地基下的地连墙最大水平位移虽然有所增大，但与L/B=3时相差不大，二者最大位移仅相差0.016 m。

图4 L/B=5时静态和地震条件下的墙体侧向位移变化规律

3 结语

地连墙是基坑开挖典型典型的支护方式，本文采用数值软件分析了不同地震荷载作用下，且不同平面开挖尺寸下，松砂和密砂地基中地连墙的水平位移变化特征，结果表明：(1)减少平面开挖尺寸的长宽比(L/B)会使墙体具有更好的抗震性能，当长宽比大于3(L/B>3)时，地连墙的水平位移变化不大；(2)墙的变形随着高程增加而增加，但呈钟型曲线变化，对于松散砂，三种地震荷载作用下，墙发生较大变形的高程位于-16～-21 m之间，而对于致密砂，墙发生较大变形的高程位于-11～-16 m之间；(3)无论是松砂还是密砂地基，墙体的水平位移与地震荷载成正比。松砂地基对地震荷载的响应明显大于密砂，密砂地基的墙体位移在地震荷载作用下变化较小；地震峰值荷载越大，墙体水平变形峰值会下移。