等厚劲性水泥土墙型钢拔除数值模拟分析

□文/陈烜 周淦 丁克胜 刁晓翔 刁宁

等厚劲性水泥土墙型钢拔除数值模拟分析

□文/陈烜 周淦 丁克胜 刁晓翔 刁宁

文章通过Abaqus有限元数值模拟软件建立基坑模型，模拟基坑开挖、支护、回填土和型钢拔除工况，重点分析型钢拔除阶段的水泥土墙变形和周边地面沉降。通过模拟分析，得出结果：型钢拔除对水泥土墙深层最大水平位移和周边地面沉降有较大影响；两边到中间对称拔桩更有利于控制水泥土墙的变形和周边地面沉降。

等厚；劲性水泥土墙；H型钢；拔除；数值模拟

劲性等厚水泥土连续墙是指将H型钢插入厚度均匀的水泥土搅拌地下连续墙内，起到加固土体和挡土、挡水的支护作用的技术。由于其优异的支护和隔水性能，目前，已用于一些超大、超深且施工环境较为复杂的基坑开挖工程中并取得较好的支护效果。此外，待基坑内地下室主体施工完毕后，插入的型钢可回收利用是该项技术的特色之一[1]，而型钢拔出时对水泥土墙体变形、新建建筑物的基础和周边环境的影响程度的分析，是此项技术急需研究的课题。

1　工程概况

1.1基坑概况

民园体育场提升改造工程位于天津市和平区重庆道、河北路、大理道和衡阳路所围成的场地内，拟建体育场整体地下2层，地上2～3层；主体结构为框架结构。该项目基础为桩基础，基坑开挖面积约24 000 m2，周长约600 m，开挖深度为10.85～12.4 m，属于深、大基坑工程。支护结构采用850mm厚、33.5m深的等厚度水泥土搅拌墙内插24 m长的H 700 mm×300 mm×13 mm×24 mm@600 mm型钢作为挡土结构体系，内设2道钢筋混凝土支撑，见图1-图3。

图1　支护结构剖面

图2　水泥土墙内插H型钢

1.2地质条件

基坑土体参数见表1。

表1　基坑土体参数

1.3有限元分析拟解决的问题

通过有限元模拟回填土[2]、型钢拔除工况[3]，研究不同的型钢拔除顺序对围护墙变形和周围地面沉降的影响。

2　数值模型的建立以及与实测结果对比

2.1Abaqus有限元数值模型的建立

基坑沿水泥土墙长度方向取6 m，坑内、坑外、深度3个方向的土体各取50m，满足3～5倍开挖深度的影响范围要求[2]。因此，模型横向宽度100.85m（X），纵向长度6m（Y），深度50m（Z）。围护墙厚0.85m，墙深33.5m，插入坑底以下22.6m。回填土尺寸为2.2m×6m×11.9m。

基于天津地区软土特性[4]，土的本构模型采用理想弹塑性的Mohr-Coulomb（摩尔-库伦）模型；水泥土墙同样采用摩尔-库伦弹塑性材料；型钢、支撑和围檩选用弹性材料模拟，见表2。

表2　模型材料属性

基坑土体分三步开挖，分别开挖3、5.5、3.4 m，支撑支顶位置为距离墙顶2.6、8.1m。根据实际工程施工进度，按照表3所列工况建立分析步。

表3　模拟工况

水泥土墙和土、型钢、围檩之间分别建立接触面[5]，接触参数见表4。

表4　接触面参数

土体、水泥土墙、型钢和回填土选用实体单元，支撑和围檩选用线单元模拟。实体单元网格类型为C3D8R[6]，线单元网格为B31。图4是网格划分之后的基坑模型，图5单独显示水泥土墙和内插H型钢。

图4　基坑剖面网格划分

图5　型钢和水泥土墙网格划分

2.2数值模拟计算结果与实测结果对比分析

2.2.1水泥土墙变形的对比分析

模型选取的研究区域，对应实际工程中监测点号为A21。图6是实测数据和数值模拟的墙体变形曲线对比。

对比可知，模拟结果中，开挖后墙体变形为顶端20.1 mm；深层最大水平位移为30.8 mm，位于墙体顶部以下8.5 m处；根据监测数据，开挖后墙体变形为顶端30 mm；深层最大水平位移为33.9 mm，位于墙体顶部以下9.6m处。对比模拟结果和实测数据，两者墙体变形趋势相同，模拟的数值稍微小于实测数据，这是因为实际工程的施工时间长，基坑变形的空间时效性更明显。

图6　水泥土墙水平位移曲线对比

2.2.2周边地面沉降对比分析

模拟区域对应的临近道路沉降的监测点号为DMS22，由临近道路竖向位移监测日报表得出地面沉降曲线。图7是实测数据和数值模拟的地面沉降曲线对比。

对比可得，模拟结果中，开挖后周边地面沉降最大值约为0.676 cm，距离基坑5 m；根据监测数据，开挖后周边地面沉降最大值约为0.86 cm，距离基坑5～9 m。两者曲线趋势大致相同，模拟的数值小于实测数据。

图7　周边地面沉降曲线对比

3　数值模拟计算结果分析

3.1不同拔桩顺序对水泥土墙变形影响的数值分析

在以上模型参数的情况下，分别模拟顺序拔桩、隔一跳拔、隔二跳拔、隔三跳拔、隔四跳拔和两边到中间对称拔桩6种拔桩顺序，得出拔桩前后墙体变形曲线，选取代表性的3条（两端到中间、隔一跳拔和隔四跳拔）和拔桩前曲线一起绘于图8。

由图8可知，从地表往下，水泥土墙水平位移都是先逐渐增加，达到峰值后逐渐减小，-20 m以下水平位移在1 cm以内。其中拔桩前，墙体最大水平位移是3.08cm，位于墙顶以下8.5 m；拔桩后，墙体最大水平位移是4.9cm左右，位于墙顶以下10m。可见拔桩对墙体变形影响很大，拔桩引起墙体约2cm的水平位移增加。

由图8中的第2、3、4条曲线看出，拔桩顺序不同，墙体水平位移在-5～-12 m段有所差异，其余段基本相同。其中，两边到中间对称拔桩时墙体水平位移最小；对于跳拔方式，跳拔根数越大，拔桩后墙体水平位移越小。但从总体来说各拔桩顺序下墙体变形在数值上差距只有几毫米，影响很小。

图8　水泥土墙水平位移曲线

3.2不同拔桩顺序对地面沉降影响的数值分析

基坑工程具有环境效应，势必引起周围地基地下水位的变化和应力场的改变[7]，导致周围地基土体的沉降变形，对周围建（构）筑物和地下管线产生影响，严重的将危及其正常使用或安全。下面就拔桩对周边地面沉降的影响进行分析，模拟了顺序拔桩、隔一跳拔、隔二跳拔、隔三跳拔、隔四跳拔和两边到中间对称拔桩6种拔桩顺序。选取代表性的3条（两端到中间、隔一跳拔和隔四跳拔）和拔桩前曲线一起绘于图9。

由图9可知，拔桩前地面沉降整体较小，曲线较平缓，最大值（0.676 cm）在距离基坑5 m处，随着距离基坑越来越远，沉降值越来越小。拔桩后，距离基坑0～15 m区段地面产生较大沉降，最大位移增大3倍以上，最大可达2.4 cm（距离基坑5 m）；而在15～50 m区段，和拔桩前相比沉降值只有细微变化。

由图9中第2、3、4条曲线可得，变换拔桩顺序，地面沉降在距离基坑0～15 m区段上数值略有变化，15～50m区段基本一致。其中，两边到中间对称拔桩时地面沉降最小；对于跳拔方式，跳拔根数越多，拔桩后基坑周围地面沉降越小。

图9　基坑周边地面沉降曲线

4　结论

1）该空间模型能较好的模拟基坑实际工况和型钢拔除效果，可以为实际工程提供参考。

2）型钢拔除对水泥土墙变形和周围地面沉降有很大影响。拔桩后，塑性的水泥土墙独立承受弯矩能力较弱，墙体和拔桩前相比有大约2 cm的水平位移增加，进而影响地面沉降。施工时需要采取有效措施，如选用弹性模量较大的回填材料。

3）几种不同拔桩顺序对比，两边到中间对称拔桩更有利于控制水泥土墙的变形和周边地面沉降。由于该模型选取10根型钢，数值上差距不太明显，但是实际工程型钢数量庞大，选择两边到中间对称拔桩的优越性将更加得以体现。

[1]何平，成跃兵，张宇，等.水泥土搅拌桩中H型钢拔除回收施工技术[J].江苏建筑，2010，（S1）：44-45.

[2]黄昌乾，张建青，陈昌彦.人工填土的勘察与评价[J].工程勘察，2010，（S1）：187-191.

[3]费康，张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[4]王新岐,梅荣利.天津市土基回弹模量值的合理确定[C].第七次全国城市道路与交通工程学术会议论文集[A].2002.

[5]CHEN Xiao-ping，YAN Jun.3D pole system finite elementanalysis of bracing structure of deep foundation pit[J].Rock and Soil Mechanics，2001，22（3）：258－261.

[6]曹金凤，石亦平.ABAQUS有限元分析常见问题解答[M].北京：机械工业出版社，2009.

[7]郑刚，焦莹.深基坑工程设计理论及工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.02.004

□周淦、丁克胜/天津城建大学土木工程学院。

□刁晓翔、刁宁/天津住宅集团建设工程总承包有限公司。

□TU753

□C

□1008-3197（2015）02-09-03

□2014-12-02

□陈烜/男，1980年出生，讲师，博士，天津城建大学土木工程学院。