双排地下连续墙多因素敏感性分析中的应用研究

永 新

(华南理工大学土木与交通学院 广东 广州 510640)

引言

在撰写本文时，关于国内外在船闸附近的深基坑工程中双排隔板墙支撑结构应用的报道很少。在实际的工程实践中，您只能参考类似的工程项目和以前的工程经验进行设计。基于清远枢纽二线船闸的深基坑工程，数值模拟是研究双排地下连续墙支撑结构变形，受力特性和内应力的主要研究方法。

交实验法(OAT)是一种使用正交数组创建测试用例的测试技术，当要测试的系统具有多组变量时，此方法最为有效。根据文献，OAT通常与有限元建模(FEM)结合使用来分析基坑支护结构。建立了有限元模型来分析具有双排横墙和相邻船闸结构的二线船闸基坑的性能(盛海林,2018)[1]。它可以用来确定每个变量的影响因素以及基于所需结果的更有利的设置参数。尽管所需资源有所不同，但OAT优化能够获得与基于可靠性的优化类似的结果(盛海林,2000)[2]。

研究了设计参数对双排连续墙支撑结构变形的影响。结构参数包括：前连续墙的厚度(FWT)，开挖初期基坑变形的影响因素为基坑深度，支护结构刚度等(Finno R.J.,1981)[3]。前与后墙之间的距离(WS)和前墙进入基岩的深度(FWDB)。通过正交实验法，要控制的关键参数是支撑结构的变形和相邻船闸室的位移。采用正交试验法将变形，支撑结构的内应力和相邻船闸的沉降作为评价指标(田海亮,2013)[4]。通过对多组参数变化的分析，得出了相应的影响规律，并探索了参数优化的方向，为以后的类似工程实践提供了更为全面的参考。希望该课题的研究为双排连续墙支护结构的设计和施工实践提供参考。

一、工程概况

(一)基坑支护方案

清远二线船闸扩建工程的考虑条件为：地质条件复杂，基坑深度大,基坑周围的设计洪水位很高,覆盖层很深，部分由坚固的可渗透砂卵石层制成,需要垂直支撑结构以满足基坑位移控制要求,靠近一线船闸室结构，一线船闸与二线船闸中心轴之间的距离仅为90m。之前介绍的条件让设计部门选择为二线船闸上闸段的基坑由半重力结构支撑，该半重力结构具有侧向支撑和双排地下连续墙。

(二)支护结构设计

上闸首段基坑宽度65m，深约15.5m，支护形式采用地下连续墙+坑内2道钢筋砼支撑系统的方案(见图1)。

图1 上闸首段基坑剖面图

最靠近一线船闸的二线船闸基坑侧采用双排隔膜支撑结构。地面连接壁前后壁的净间距为7.8m，隔板壁的顶部高度为6.50m，前隔板壁的厚度为1200mm，后隔板壁的厚度为1000mm。墙朝向基坑的一侧与中风化岩石相距3m，外墙没有隔水要求。

二、船闸基坑开挖有限元建模

为准确地模拟带撑双排地下连续墙及邻近一线船闸闸室的受力及变形状况，以MIDAS GTS有限元软件进行数值模拟分析，岩土体本构采用硬化土(HS)模型，根据实际情况建立二维平面有限元模型(见图2)。

(一)模型及参数选取

为了提高计算效率并提高有限元计算的收敛性，建立了三维应变模型。项目基坑宽度为65m，深度为15m。为了尽可能消除模型边界条件对基坑的影响，模型尺寸为280m×95m×50m(宽×长×高)，而实际案例边界条件为160m×56m×40。由于项目的规模，分析的重点是横截面的宽度和高度。水平约束应用于模型的左右两端，水平约束和垂直约束应用于底部。利用三维平面应变单元对岩体和船闸结构进行了模拟。与实际情况相反，由于重力或存在的物体已经存在约束。

考虑到工程项目的复杂性和规模，仅考虑了土体，支撑结构和相邻的现有船闸室的自重载荷。在DRDW和土壤之间布置了一个界面单元，以模拟支撑结构与岩石和土壤体之间的滑动接触行为。界面强度降低系数R统一为0.8，虚拟厚度系数tv为0.1。对于DRDW筏支撑和柱，通过梁单元进行模拟，

三、正交实验法分析多因素敏感性分析

(一)正交实验法

在许多多因素实验中都需要进行。在因素多的情况下，如果测试方法比较全面，测试数量过多，可操作性较低，那么“正交测试方法”可以减少测试数量并获得更好的结果，这是科学的研究和处理多因素实验的有效方法。

在这种设计下，因素主要影响的估计彼此独立，方差分析简单直观。OAT设计的一般定义：一个包含“m”，每个因子的设计，并且“n”试验如果构成对任意两个因子的完整，相等，重复的测试，则称为正交试验。具体地说，正交检验满足以下两个条件：

1.每个因素的不同水平在实验中出现的次数相同(平衡)。

2.任何两个因素的不同水平在实验中出现的次数相同(正交)。

(二)双排地下连续墙正交实验

本文研究的DRDW支撑结构受到压力，弯矩，变形等的影响。我们选择三个因素，即前壁厚度，壁间距和基岩前壁深度(FWDB)。测试期间测试因素的状态和条件的变化可能会导致测试指标发生变化。我们称因素的各种状态和条件改变了因素的水平。对于定量因素，如果仅考虑线性效应，则三个级别就足够了。对于非线性效果，需要四个或更多级别。

在本文中，我们需要建立变形，弯曲力矩和设计之间关系的优化模型，即进行定性分析。因此，对于支撑结构的三个测试因素，我们选择每种水平的三个因素。测试因子及其水平示于表1。从表2和图2可以看出，对于影响系数，前壁厚度的极端差异最大，即影响最大。随着前壁厚度的增加，整体变形显着减小。进入基岩的深度随之而来，与后壁厚度相比，壁间距为第三。比相差大，因此对变形的影响在客观上较小。

表1 因素与等级正交设计

表2 正交实验系数表格

图2 评价指标和实验因素影响趋势图

根据这些信息可以清楚地看出，后壁的主要作用是减轻前壁的内部应力，而前壁在相邻船闸的变形和基坑的支撑结构中起着更为积极的作用。最大变形与其重要因素之间存在显着差异，显示出线性关系。

四、结论

本文以清远枢纽枢纽新二线船闸扩建工程中的双排隔板墙支护方案为工程案例。应用研究方法是数值分析。深入研究了基坑开挖模型中的有限元方法和土的本构模型。

使用正交阵列测试方法，确定了多种可能的改进。改进的影响极小，但进一步支持以下结论：影响最大的因素是进入基岩的前壁厚度和前壁深度。它还证实了后壁在很大程度上有助于降低前壁的内部应力的说法。分析为从壁空间和前壁深度增加到基岩的内部应力的急剧变化提供了详细的参考，并提出了一套建议的最佳设计参数，以略微改善支撑结构的变形和相邻船闸室的位移。作为一种简单经济的多因素优化方法，给出了实现优化目标的步骤。本文提出的优化设计方法为实际工程应用提供了参考，为复杂非线性问题的优化分析提供了一种新的方法。