地下连续墙成槽施工引起土体位移的三维数值分析

刘 峰

(上海现代建筑设计(集团)有限公司技术中心，上海 200041)

地下连续墙成槽施工引起土体位移的三维数值分析

刘 峰

(上海现代建筑设计(集团)有限公司技术中心，上海 200041)

采用三维有限元法模拟了地下连续墙单个槽段的成槽施工，研究了泥浆比重、成槽宽度、成槽深度、及成槽厚度对槽壁水平位移及地表沉降的影响。结果表明:槽壁的水平位移和地表沉降对泥浆比重和成槽宽度的变化较为敏感;当成槽深度增加到一定程度后，再增加成槽深度，对槽壁最大水平位移和最大地表沉降的影响很小;成槽厚度的变化对槽壁的水平位移和地表沉降的影响较小。

地下连续墙;成槽施工;数值分析;修正剑桥模型

1 引言

在城市建设中，常需在建(构)筑物密集的区域进行基坑开挖，随着基坑规模的扩大及周边环境保护要求的提高，基坑工程对周边环境的影响问题日益突出。由于地下连续墙具有刚度大、整体性好、基坑开挖过程中安全性高、支护结构变形小等［1］优点，在周边环境复杂、环境保护要求高的基坑工程中得到了广泛应用。然而，人们在工程实践中发现，虽然采用地下连续墙的基坑工程在土方开挖阶段对周边环境的影响较小，但在连续墙成槽施工阶段会引起不可忽视的土体侧移与地表沉降。

地下连续墙成槽挖土会引起土体的应力释放，破坏天然土体的应力平衡。通常，成槽施工是在泥浆护壁的条件下进行的，由于护壁泥浆作用在槽壁上的力小于静止土压力，周围土体会向槽内产生侧移、并引发地表沉降，国内外学者已对该问题做了大量的研究工作。Cowland和Thorley［2］的研究表明，地下连续墙成槽开挖至主体开挖之前的总变形量可达主体开挖总变形量的40% ～50%。Poh和Wong［3］通过现场试验较系统的研究了泥浆护壁时间、泥浆压力、混凝土浇筑等因素对槽段周围土体侧移和地表沉降的影响。欧章煜［4］发现台北捷运工程中单一槽段施工引起的最大地表沉降约为0.05%的成槽深度，沉降影响范围约为1.0倍的成槽深度，整个连续墙施工完成后引起的地表最大沉降量达到0.13%的成槽深度。丁勇春等［5］利用三维有限差分法，模拟了地下连续墙成槽开挖及混凝土浇筑施工全过程，但其模拟土体时采用了摩尔库伦模型，该模型压缩和卸载模量相同，不适用于土体卸载的模拟，有一定局限性。本文尝试采用有限元软件Abaqus模拟地下连续墙的成槽施工，分析泥浆比重、成槽宽度、成槽深度、及成槽厚度对槽壁土体水平位移及地表沉降的影响。

2 计算模型的建立

建立数值分析模型时，主要考虑了以下问题:

(a)本构模型的选择

因地墙成槽与基坑开挖有类似之处，本文参考基坑开挖的研究工作，砂性土的本构关系采用摩尔库伦模型(MC)，粘性土采用修正剑桥(MCC)模型。

(b)边界条件

由文献［2］、［3］可知，在两倍的成槽深度范围以外，沉降受成槽施工的影响很小，因此，本文模型的侧向边界和下边界均延伸至两倍的成槽深度之外。模型侧面约束水平位移，底面固定，表面自由。

(c)网格的划分

在可能出现应力集中、位移可能变化较大的区域，适当加密网格。同时，网格形状尽量规则，避免出形状不好的单元，影响计算的收敛和结果精度。

(d)初始地应力场的模拟。天然土体在重力作用下，已经有初始应力、应变存在，因此，在进行成槽模拟前，先进行初始应力场的模拟。

综合考虑以上因素，基于上海某地下车库工程项目，采用通用有限元软件Abaqus建立了三维模型，如图1所示。土体单元类型为C3D8。建模时为方便起见将第①层和第②层土合并为一层，土体除第⑦层和第⑨层外其他各层土的本构关系都采用修正剑桥模型，第⑦层和第⑨层土的本构关系采用摩尔库伦模型。土体参数参考文献［6］并结合工程实际情况选取，如表1所示。

单个槽段的成槽模拟共分两个分析步:

step1:平衡地应力场;

step2:泥浆护壁下的成槽开挖;在模型中部开挖槽段，假定每个槽段一次全部挖完，土体开挖后立即在侧面和底面施加比重γ=1.05～1.20的泥浆压力，这点与基坑开挖的模拟有所不同，模拟基坑开挖时加撑与挖土并不是在同一步完成的。泥浆压力分布如图2所示，假定泥浆液面与地面齐平。

图1 三维有限元模型

图2 泥浆压力分布

3 结果分析

模拟分析了泥浆比重γ、成槽宽度b、成槽深度d、及成槽厚度a对槽壁土体水平位移及地表沉降的影响。槽段示意见图3。

图3 槽段示意图

表1 土层参数

3.1 泥浆比重对槽壁水平位移与地表沉降的影响

取成槽厚度a=0.8m、成槽宽度b=6m，成槽深度 d=20m，计算了泥浆比重 γ 分别为 1.05、1.10、1.15、1.20时的情况。沿槽深度方向(图3中虚线CD所示，以下同)槽壁的水平位移计算结果如图4所示，垂直槽段长边方向(图3中虚线AB所示，以下同)的地表沉降计算结果如图5所示。最大水平位移和最大沉降如表2所示。

表2 不同泥浆比重对应的最大水平位移和最大沉降

由图4、图5和表2可知，槽壁的水平位移和地表沉降随着泥浆比重的增加而减小，当泥浆比重从1.05变为1.20时，槽壁的最大水平位移减小了约57.9%，最大地表沉降减小了约38.4%，槽壁的水平位移和地表沉降对泥浆比重的变化较为敏感。因此实际工程中可通过提高泥浆比重来显著地降低连续墙成槽施工对周边环境的影响。另外，最大水平位移的发生位置均在地表以下13m左右，这应该是由于第四层土强度较低的缘故。

3.2 成槽宽度对槽壁水平位移与地表沉降的影响

取成槽厚度a=0.8m、成槽深度 d=20m，泥浆比重 γ=1.20，计算了成槽宽度分别为 4m、6m、8m时的情况。沿槽深度方向槽壁的水平位移计算结果如图6所示，垂直槽段长边方向的地表沉降计算结果如图7所示。最大水平位移和最大沉降如表3所示。

表3 不同成槽宽度对应的最大水平位移和最大沉降

由图6、图7可知，槽壁的水平位移和地表沉降均随着成槽宽度的增加而增加。由表3可知，当成槽宽度由4m变为8m时，槽壁的最大水平位移增加了约73%，最大地表沉降增加了约194%，槽壁的水平位移和地表沉降对成槽宽度的变化较为敏感。因此实际工程中可通过减小成槽宽度来显著地降低连续墙成槽施工对周边环境的影响。

3.3 成槽深度对槽壁水平位移与地表沉降的影响

取成槽厚度a=0.8m、成槽宽度b=6m，泥浆比重γ=1.20，计算了成槽深度分别为 10m、15m、20m、30m、40m时的情况。沿槽深度方向槽壁的水平位移计算结果如图8所示，垂直槽段长边方向的地表沉降计算结果如图9所示。最大水平位移和最大沉降如表4所示。

表4 不同成槽深度对应的最大水平位移和最大沉降

由图8、图9和表4可知，槽壁的水平位移和地表沉降随着成槽深度的增加而增加，但当成槽深度增加到一定程度后，最大水平位移和最大地表沉降的增幅很小，如成槽深度从30m增加到40m，最大水平位移仅增加了约0.24%，最大地表沉降增加了0.20%。

3.4 成槽厚度对槽壁水平位移与地表沉降的影响

取成槽宽度b=6m、成槽深度d=20m，泥浆比重 γ =1.20，计算了成槽厚度分别为 0.6m、0.8m、1.0m、1.2m时的情况。沿槽深度方向槽壁的水平位移计算结果如图10所示，垂直槽段长边方向的地表沉降计算结果如图11所示。

由图10、图11可知，成槽厚度变化时，槽壁的水平位移和地表沉降变化较小。

4 结论

通过对地下连续墙成槽施工的模拟，主要得到了以下结论:

(1)槽壁的水平位移和地表沉降对泥浆比重的变化较为敏感。实际工程中可通过提高泥浆比重来显著地降低连续墙成槽施工对周边环境的影响;槽壁最大水平位移发生在开挖土体深度范围内强度较低的土层。

(2)槽壁的水平位移和地表沉降对成槽宽度的变化较为敏感。实际工程中可通过减小成槽宽度来显著地降低连续墙成槽施工对周边环境的影响。

(3)当成槽深度增加到一定程度后，再增加成槽深度，对槽壁最大水平位移和最大地表沉降的影响很小。

(4)成槽厚度的变化对槽壁的水平位移和地表沉降影响较小。致谢

在本文的写作过程中，得到了黄绍铭、岳建勇、刘陕南、侯胜男、王笑等同志的指导与帮助，作者在此表示衷心的感谢。

［1］刘国彬，王卫东.基坑工程手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［2］ Cowland J.W.，and Thorley C.B.B..Ground and building settlement associated with adjacentslurry trench excavation［C］.Proceedings of the Third International Conference on GroundMovements and Structures，University of Wales Institute of Science and Technology，GeddesJ.D.，ed.，Pentech Press，London，England，1985，pp.723-738.

［3］ POH T.Y.，WONG I.H..Effects of construction of diaphragm wall panels on adjacent ground:field trial［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，1998，124(8):745-756.

［4］欧章煜，深开挖工程分析设计理论与实务［M］.台北:科技图书股份有限公司，2004.

［5］丁勇春，王建华，褚衍标，钱玉林.地下连续墙施工力学机理三维数值分析［J］.岩土力学，2007，28(8):1757-1761.

［6］徐中华.上海地区支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形形状研究［D］.上海:上海交通大学，2007.

Three-dimensional Numerical Analysis of Soil Displacement Caused by a Diaphragm Wall Trenching Construction

Liu Feng

(Shanghai Xiandai Architectural Design(Group)Co.，Ltd.，Shanghai200041，China)

The trenching construction of a single diaphragm wall is simulated using the three-dimensional finite element method.The influences on the soil lateral movements and surface settlements of the factors，including the slurry pressure，the depth，width，and thickness of the wall are studied.It has been found that the soil lateral movements and surface settlements are sensitive to the slurry pressure and the width of the diaphragm wall，while the influence of the thickness of the wall is smaller.The results also show that when the depth of the wall is biger than a certain value，and the variation of the depth of the wall has little effect on the maximum soil lateral movement and surface settlement.

Diaphragm Wall;Trenching Construction;Numerical Analysis;Modified Cam-clay Model

TU476.3

A

1674－7461(2011)01－0001－05

刘峰(1983－)，男，工学硕士，助理工程师。主要从事地基基础与地下空间工程的设计与研究工作。E-mail:Feng_Liu@xd-ad.com.cn