基于ANSYS的地下连续墙结构受力分析

戴 飞 金爱兵 柏天航

(北京科技大学土木与环境工程学院)

基于ANSYS的地下连续墙结构受力分析

戴 飞 金爱兵 柏天航

(北京科技大学土木与环境工程学院)

依托腾龙铁矿砾卵石层止水工程，结合平面杆系有限元-弹性支点法，采用ANSYS软件对防止涌水、渗水的地下连续墙进行了结构受力分析，包括墙体抗弯强度、抗剪强度，并比较了连续墙正常使用时和爆破震动使用时的受力情况，从理论上验证了墙体设计的合理性和稳定性。

地下连续墙 ANSYS 抗弯强度 抗剪强度

河北迁安腾龙铁矿于1987年初采，矿山采场境界圈尺寸：南北长1 160 m，东西宽260～550 m，面积为0.468 km2，地表高程为73～80 m，地势北高南低。目前，矿山开采北部坑底高程30 m，南部坑底高程-37 m(位于35～40线)，矿坑开采深度为50～105 m。为进一步扩大生产，采掘南部边帮的压矿，采场需向南进行扩帮。南侧边帮上部岩土体为砾卵石层，卵石层内充填有粗砂，其透水性和富水性极强。由于采场东侧4 km有滦河，西侧2.4 km有沙河，在无止水措施下，一旦扩帮开挖，沙河、滦河将作为定水头补给水源，砾卵石地层作为涌水通道，向采场内大量涌水；同时细颗粒易被水流带走而出现管涌现象，砾卵石层坡面难以形成，进而造成大面积滑塌。

为解决南帮扩帮第四系砾卵石层涌水、渗水问题，结合工程地质勘查、边坡基本设计及现场施工环境等，采用地下连续墙作为止水帷幕。通过在砾卵石层中设置地下连续墙，阻隔地下水向矿坑内侧渗流，保证矿山正常的安全生产。

1 地下连续墙设计

地下连续墙止水帷幕布设在39 m水平台阶，混凝土强度等级为C25，墙体宽0.8 m，总长1 200 m，设计的标准槽段长6 m，墙体深度按嵌入强风化基岩2～3 m考虑，总体深度控制在6～46 m。

考虑到地下水经墙底强风化基岩(片麻岩)绕流、渗水问题，本工程在地下连续墙墙体及槽段连接部位设置注浆管或墙体钻孔，对墙底下5～10m范围强风化基岩进行压力注浆，减少自墙底强风化层的绕渗涌水量。

2 地下连续墙结构受力分析

2.1 计算模型

在砾卵石层中布置地下连续墙后，需要进行结构内力分析，主要包括墙体抗弯强度与抗剪强度分析，保证墙体结构设计的合理性与稳定性。

连续墙结构计算时，采用平面杆系有限元-弹性支点法，使用ANSYS (v10.0)软件进行计算分析。墙体所受荷载包括永久荷载、可变荷载与偶然作用荷载。其中，永久荷载包括土压力、受影响范围内的边坡附加荷载及静水压力；可变荷载包括坡面堆载与施工荷载；偶然作用荷载包括地震作用和爆破震动作用。各种工况下墙体结构计算模型见图1。

按照使用阶段荷载组合和偶然作用组合进行考虑，因爆破震动作用参数取值比地震作用高，计算中偶然作用组合中仅考虑爆破震动作用。使用阶段荷载基本组合：地层压力+受影响范围内的边坡附加荷载+静水压力。偶然作用荷载组合：地层压力+受影响范围内的边坡附加荷载+静水压力+爆破震动作用。荷载组合分项系数见表1。

表1 荷载组合分项系数表

对于地下连续墙矿坑侧边坡开挖的影响，按以下2种情况考虑：

(1) 根据开挖情况削减矿坑侧被动土压力。

(2) 根据开挖情况削减矿坑侧被动土压力，同时折减土层侧压系数km。

图1 计算模型

2.2 计算参数

选取1-1(矿坑东)、2-2(矿坑南侧)、3-3(矿坑西侧)3个典型剖面进行地下连续墙结构内力计算。地层压力按库仑土压力理论计算，根据土层条件采用水土合算或水土分算。地下连续墙坑外侧静水压力按可能发生的地下水位最不利情况计算，矿坑内侧地下水位按墙底标高取值，卵石层承压水位按照工程水文地质勘查取值(40.7 m)。边坡附加侧向土压力根据《建筑基坑支护技术规范》(JGJ 120—2012)进行计算。坡面堆载、施工荷载分别按50和30 kPa考虑。简化后的各地层力学参数及地下连续墙计算参数按表2取值。

表2 土体各层计算参数

爆破震动作用折算成等效静荷载，考虑结构水平惯性力、动水压力和爆破震动主动土压力。取动荷载折算系数为0.3，爆破震动加速度峰值为0.5 g(g为重力加速度)。爆破震动主动土压力参照《铁路工程抗震设计规范》(GB 50111—2006)中地震主动土压力计算方法进行计算，取地震角为15°。土层侧压系数km按下式取值：

(1)

依据库仑土压力原理，不考虑边坡削坡影响时的被动土压力ppk为

ppk=γzKp,

(2)

式中，γ为土层容重，kN/m3；z为墙体高度，m；Kp为库仑被动土压力系数，Kp=tan2(45°+φ/2)，φ为土层内摩擦角，°。

(3)

式中，a1为地下连续墙矿坑侧边坡平台宽度，m；z为计算点到地层表面距离，m；m为地下连续墙矿坑侧边坡的边坡系数；θ为土体滑裂面与水平面的夹角，°；c为土层黏聚力，kPa。

2.3 结构计算结果分析

经整理ANSYS分析结果，地下连续墙在基本荷载组合与偶然荷载组合下，墙体所受弯矩汇总见表3，墙体所受剪力汇总见表4。

表3 地下连续墙弯矩汇总

由表3可知，在基本组合下，地下连续墙所受最大负弯矩为-94.323 kN·m，最大正弯矩为47.369 kN·m，在爆破震动偶然组合下，地下连续墙所受最大负弯矩为-137.104 kN·m，最大正弯矩为122.559 kN·m。

表4 地下连续墙剪力汇总

由表4可知，在基本组合下，地下连续墙所受最大负剪力为-67.735 kN，最大正剪力为49.709 kN；在爆破震动偶然组合下，地下连续墙所受最大负剪力为-113.634 kN，最大正剪力为177.266 kN。

2.3.1 墙体抗弯承载力验算

根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)，基本组合下，采用素混凝土结构时，地下连续墙能承受的最大弯矩设计值[M]= 98.16 kN·m；偶然作用下，地下连续墙能承受的最大弯矩标准值[ME]=183.44 kN·m；根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)，选取结构重要性系数γ0为1.0。

在基本组合下，地下连续墙最大弯矩设计值为

Mmax=γ0M.

(4)

计算得出Mmax=94.323 kN·m<[M],满足要求。

在偶然组合下，地下连续墙最大弯矩设计值为

MEmax=γ0ME.

(5)

计算得出MEmax=137.104 kN·m<[ME],满足要求。

综上所述，墙体抗弯强度满足设计要求。

2.3.2 墙体受剪承载力验算

根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)，在基本组合下，地下连续墙能承受的最大剪力设计值[V]=2 023 kN；偶然作用下，地下连续墙能承受的最大剪力设计值[VE]=3 785.33 kN。根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)，选取结构重要性系数γ0为1.0。

在基本组合下，地下连续墙受剪截面最大剪力设计值为

Vmax=γ0M.

(6)

计算得出Vmax=67.735 kN<[V]，满足要求。

在偶然组合下，地下连续墙受剪截面最大剪力设计值为

VEmax=γ0ME.

(7)

计算得出VEmax=177.266 kN<[VE]，满足要求。

综上所述，墙体受剪截面设计满足要求。

根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)，不配置箍筋与弯起钢筋的一般板类受弯构件的地下连续墙能承受的最大剪力设计值V=711.2 kN。由表4可知，各剖面墙体受剪力值均小于711.2 kN，墙体受剪承载力满足要求。

3 结 语

(1)在考虑根据开挖情况削减矿坑侧被动土压力，同时，是否折减土层侧压系数km2种情况对连续墙受力影响时，剖面所受最大正负弯矩和最大正负剪力都没有明显变化，表明是否考虑折减土层侧压系数km值对地下连续墙受力没有太大影响。

(2)爆破震动阶段地下连体墙受力相对正常使用时显著增大，但最大弯矩及最大剪力仍然在相关设计规程范围内。

(3)地下连续墙结构受力分析表明：采用C25素混凝土地下连续墙，其抗弯强度、抗剪强度及受剪截面均可满足设计相关要求，能有效防止砾卵石层涌水、渗水问题。

四川国土厅批准通江县9个煤炭矿业权设置

近日，从通江县国土局获悉，四川省国土资源厅批准了该县9个煤炭矿业权设置。

此次煤炭矿业权设置保留1个探矿权，调整3个采矿权，保留5个采矿权，总生产规模87万t/a，资源储量15 619.5万t。通过矿业权设置，加快通江县煤炭资源综合开发进程，稳步推进煤炭资源勘探开发，为县域经济发展提供能源资源保障。

2014-10-14)

戴 飞(1989—)，男，硕士研究生，100083 北京市海淀区学院路30号。