悬挂式深基坑地下连续墙支护数值模拟及工程优化

2021-11-06丰土根乔广轩刘江涛

科学技术与工程 2021年29期

丰土根，乔广轩，刘江涛，张箭*

(1.岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098； 2.中铁(上海)投资集团有限公司，上海 200126)

基坑支护通常选择落底式围护结构，即在整个承压含水层设置围护结构，并将其延伸至隔水底板，以便隔断基坑内外水力间联系。悬挂式围护结构不能贯穿含水层，基坑开挖过程中坑内降水会引起坑外水位下降，进而导致周边地表出现不均匀沉降或坑底凸涌，周边建筑物出现裂缝、沉降等灾害。为保证基坑及周边环境安全，通常采用监测方法掌握围护结构变形状态。然而，基坑监测只能实时反馈施工后地层和围护结构变形，判断是否超出安全预警值，难以预测后期结构变形规律，提前预判可能出现风险的类型和风险部位，并提出合理的安全施工保障措施[1-3]。针对悬挂式深基坑支护方式，仅采用现场监测的方式确保基坑安全略有不足。

数值模拟方法在研究基坑问题时，首先，通过数值软件构建基坑开挖模型；其次，根据地质条件、水文条件和施工条件，将室内试验或现场原位测试获得的土体参数赋值给模型；最后，通过基坑开挖过程中工序、相互作用及边界条件的模拟计算，分析基坑开挖过程中围护结构和地表位移内力变化情况，预测其变化趋势，评价围护结构可靠性[4-6]。基于变形控制指标，合理调整工程施工参数，挖掘不同施工方案下悬挂式地下连续墙位移及内力变化规律，优化施工方案，提高基坑安全性和稳定性，降低施工成本。Abaqus作为可分析复杂非线性问题的工程模拟有限元软件，王绍君等[7]、郭雪源等[8]、Li等[9]采用Abaqus模拟基坑开挖全过程，分析支护结构水平位移及内力变化，验证了Abaqus模拟基坑开挖、研究变形问题的可靠性。由于地下连续墙适用性强、围护效果显著，针对采用地下连续墙和内支撑作为围护结构体系基坑的研究从未停止过。丁勇春等[10]、刘念武等[11]、殷俊鹏等[12]研究了地下连续墙与内支撑相结合时地下连续墙的变形特性；杨博等[13]对采用高频振动沉模成孔方式的格栅状地下连续墙的成墙效果和支护性能展开研究；Comodromos等[14]结合三维非线性分析和本构关系，系统地研究了地下连续墙对周围及邻近建筑物的影响；罗震刚等[15]、王启云等[16]对地连墙在软弱深厚地层的弯矩及稳定性做出研究；Finno等[17]、帅红岩等[18]通过大量有限元分析，确定基坑深度、地连墙埋深、墙体系统刚度等因素对开挖引起土体水平及竖向位移的影响；但上述研究仅针对落底式基坑，对于悬挂式地下连续墙，张兴胜等[19]建模分析了地连墙部分位于承压含水层中的情况，研究表明渗流将造成土体一定程度沉降增加和强度降低；崔永高[20]针对悬挂式围护结构局部存在缺陷，分析了承压水底侧突涌的发生机理；李方明等[21]、郑刚等[22]发现悬挂式地下连续墙对水头的降低有一定的积极影响；李又云等[23]采用Abaqus建立三维流固耦合模型，考虑分级降水开挖的实际工况，研究开挖过程中悬挂式止水帷幕基坑的变形规律。目前中外有对复合地层悬挂式地下连续墙变形及内力正反演研究，但鲜有针对地连墙墙厚及埋深的优化研究。

现依托南京市和燕路过江通道八卦洲项目，该场地土上软下硬，上部主要为渗透性较差的淤泥质黏土，下部以粉砂为主，支护方案选择悬挂式地下连续墙以及内支撑围护方式。首先选取合适的土体参数，采用Abaqus有限元分析软件将开挖断面危险截面(软弱土层厚度最大、开挖宽度最大)作为典型断面建立精细化数值模型，对悬挂式深基坑进行开挖全过程的动态施工模拟，研究地下连续墙墙体深层水平位移和墙体弯矩随开挖过程的变化规律，给予施工指导作用。其次，实时监测施工过程中地下连续墙深层水平位移变化，对比分析监测数据与数值模拟结果，验证结果准确性以及模型合理性。最后，通过有限元软件改变地下连续墙厚度、墙体埋深等施工参数，研究在上述不同施工方案下地下连续墙位移及弯矩变化，根据位移及弯矩变化百分比绘制折线图，优化施工方案，为类似复合地层悬挂式地下连续墙深基坑支护方式提供参考。

1 工程概况及计算模型

1.1 工程概况

和燕路过江通道工程位于南京市栖霞区，始于和燕路与燕恒路的交叉口，止于八卦洲与浦仪公路交叉处。其中八卦洲明挖段全长440 m，基坑宽度33～54 m，基坑最大深度25.7 m。该工程所处场地为长江漫滩区，地基土属第四系全新统和第四系上更新统。场地土层上软下硬，上部主要为渗透性差的淤泥质黏土，下部以粉砂为主，透水性极强，孔隙水地下水位埋深0.4～2.2 m，微承压水主要分布在下部砂土，水位埋深1.9～3.9 m，水位4.39～5.22 m。

基坑开挖采用明挖顺作法，围护结构采用地下连续墙和土搅拌墙(soil-mixing wall，SWM)桩相结合，支撑系统由钢筋混凝土和钢支撑组成。由于采用悬挂式围护结构，基坑内外水力并未被完全隔断，因此围护结构不能起到彻底的防水、止水作用，基坑受降水影响较大，坑内布置降水井进行施工期降水，现场施工时，每次开挖前将坑内水位降低至开挖面以下1 m，以保证基坑在开挖过程中的安全。

1.2 计算参数及模型

假定土体的应力-应变模型为摩尔-库伦模型，计算中均采用实体单元，土体部分考虑渗流，网格单元类型选用CPE4P；围护结构和立柱桩的网格采用四节点平面应变单元CPE4，支撑结构采用的网格类型为线性梁单元B21。涉及的土体参数主要有弹性模量E、黏聚力c、内摩擦角φ，勘察报告只给出土体压缩模量ES，实践证明通过试验测得压缩模量与适用于数值计算的土体材料弹性模量E0之间差异较大，根据长江三角洲工程经验，现场土体弹性模量E0与试验所得压缩模量ES关系为E0=2ES～2.5ES。典型断面土体计算参数如表1所示。

围护结构体系中的钢筋混凝土地下连续墙、混凝土支撑和钢支撑均采用弹性材料模拟，典型断面围护结构采用厚度1 000 mm、深度43.5 m地下连续墙(C40混凝土)，支撑体系为1道钢筋混凝土支撑(长度36 m，截面1 m×1 m，C30混凝土)与五道钢支撑(长度36 m，截面直径0.8 m，管壁0.016 m)，具体参数如表2所示，支护结构剖面图如图1所示。

表1 土体参数Table 1 Soil parameters

表2 模型物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of the model

图1 支护结构剖面图Fig.1 Section of supporting structure

实践经验和研究表明，当基坑的长宽比大于4时，二维平面模型计算得到的位移、应力等结果，在基坑转角处会比三维模型模拟结果大15%左右，模拟基坑开挖偏于安全，其他部位模拟结果的分布形态和数值与三维模型基本一致[24]。考虑到明挖段的长度远大于基坑宽度，拟对明挖段区间选取软弱土层厚度最大、开挖宽度最大的断面作为控制断面，建立二维有限元模型。

二维模型分析区域取为基坑开挖边界向外延伸2倍以上开挖深度，基坑底部向下2倍以上开挖深度[25]，基坑典型断面尺寸为35.398 m×22.136 m，此模型将基坑开挖模型尺寸取为252 m×80 m。土体采用四节点等参单元模拟，地下连续墙采用四节点非协调实体单元模拟，可更好地模拟围护结构的弯曲。支撑采用梁单元模拟，在数值模拟分析时考虑了围护结构与土体之间的相互接触作用，断面计算模型示意图及网格划分示意图如图2、图3所示，开挖及支撑参数如表3所示。

图2 计算模型示意图Fig.2 Calculation model

图3 网格划分(开挖后)Fig.3 Mesh element (after excavation)

表3 断面开挖及支撑参数Table 3 Section excavation and bracing parameters

计算模型底边界施加水平约束和法向约束，即Ux=Uy=0；两侧施加水平约束，即Ux=0；上部为自然边界，不施加约束。初始应力场由自重确定，基坑外侧水位与墙顶平齐，按土体有效重度计算天然状态下初始应力场，后续每级开挖前坑内水位降至开挖面以下1 m。

2 数值模拟计算

根据地质勘察报告、水文条件等资料，合理选取土体参数和围护结构参数，对基坑6次开挖进行动态模拟，挖掘地下连续墙深层水平位移及墙体弯矩变化规律，对比监测值验证模拟结果。施工按全断面分层开挖考虑，每次开挖前设置上一道支撑，基坑开挖模拟主要过程如下。

步骤一平衡初始地应力，模拟土体开挖前稳定状态。

步骤二土体相应位置嵌入围护结构，模拟围护结构生成。

步骤三开挖至地下1 m，模拟架设混凝土支撑前地下连续墙悬臂状态。

步骤四模拟支撑架设，钢支撑施加预加轴力。

步骤五降低基坑内水位，降至每次开挖面以下1 m位置。

步骤六根据施工情况，移除基坑需要开挖的土体。

步骤七重复上述步骤四～步骤六，直至开挖至基坑底部。

2.1 地下连续墙深层水平位移

实际工程中，地下连续墙墙体深层水平位移最大值及出现深度是施工中最为关注的数据，能够直观反映基坑安全性，因此，模拟过程以及数据分析中重点关注墙体深层水平位移及深度，不同开挖阶段地下连续墙水平位移沿深度分布模拟结果如图4所示。

图4 深层水平位移模拟曲线Fig.4 The simulation of the deep horizontal displacement

由图4可知，随开挖深度不断增加，作用在地连墙墙体的土压力逐渐增加，使得墙体产生变形，由于基坑底部土体约束作用，沿深度方向水平位移呈现“两头小，中间大”的变化规律。模拟过程中支撑发挥了很大的作用，深层水平位移最大值并未发生在地连墙顶部，而是随基坑开挖、支撑架设逐渐向下移动。比较架设支撑前后两次基坑开挖曲线，在支撑以上部分，地下连续墙深层水平位移基本不变，钢支撑的设置很好限制了地下连续墙的水平位移。随开挖深度增加，地下连续墙墙体深层水平位移最大值递增，与工程经验基本吻合，第六次开挖至设计开挖深度后，地下连续墙水平位移达到最大值3.35 cm，小于本断面深层水平位移预警值5 cm。所在深度同样递增但增加幅度有减小趋势，均出现在开挖面附近，具体数据如表4所示。

随开挖步进行，墙底水平位移逐渐增加，分别为0.29、0.36、0.50、0.70、0.87、1.37 cm，原因是在使用测斜仪进行监测时，通常测斜管底部嵌入稳定的基岩内，假设测斜管底部为位移零点，此工程为悬挂式地下连续墙，下部围护结构未嵌入岩石层，随开挖深度的增加，基坑内外水力压力差较大，土压力及水力压力作用下产生水平位移，数值模拟软件与实际计算原理存在一定差异，导致模拟位移底部不为归零点。

图5为不同开挖步地连墙深层水平位移监测值与模拟值对比示意图，实测曲线并不如模拟值曲线光滑，其原因是在实际基坑开挖过程中，现场有诸多不确定因素，在使用Abaqus有限元软件进行模拟现场工况时，并不能完全反映复杂工况。

图5 深层水平位移对比曲线Fig.5 The comparison of the simulation and actual monitoring of the deep horizontal displacement

由图5可知，数值模拟结果与监测数据趋势基本一致，深层水平位移最大值及深度与实际监测数据基本吻合。第一次至第四次开挖模拟误差均小于0.20 cm，第五次开挖误差有所增大，为0.31 cm，整体考虑，水平位移最大值的差值随基坑开挖不断增加，但均在合理范围内。数值模拟结果与实际监测水平位移最大值所在深度基本相同，所在深度的差值，随基坑的开挖不断增大，第六次开挖最大水平位移所在深度相差有3 m，仍在开挖面附近，说明模拟结果有效，数值模型合理。具体数据如表4所示。

表4 深层水平位移最大值及所在深度对比表

2.2 地下连续墙墙体弯矩

弯矩数值是由有限元应力计算值沿截面积分后求得，为每延米的结果，以基坑内侧受拉为正。图6为地下连续墙弯矩沿深度的分布。

图6 土体弯矩模拟曲线Fig.6 The simulation of the bending moment

由图6可知，墙体弯矩计算结果与墙身位移模式基本对应，随开挖深度增加，正弯矩最大值逐渐增加，所处位置逐渐下移，符合长江漫滩地区弯矩随基坑开挖的变化规律[26]。由于设置六道内支撑，地下连续墙发生内力重分布现象，设置支撑后，墙体水平位移受到约束，在上下两支撑点之间地连墙内凹，内侧墙体受拉，支撑点处为局部反弯点。

架设混凝土支撑后第一步开挖，在支撑处受约束，产生较大负弯矩-61.47 kN·m，混凝土支撑与第一步开挖面对地连墙都有一定的约束作用，中间墙体向基坑内侧突出，出现最大弯矩235.59 kN·m。架设第一道钢支撑后第二步开挖，两道支撑处出现反弯点，两道支撑中间、第一道钢支撑与第二步开挖面中间墙体向基坑内侧突出，后续开挖弯矩图趋势基本一致，支撑位置收到约束，约束点中间墙体出现最大正弯矩。

墙体最大正弯矩出现位置随基坑开挖逐渐下移，基本都出现在基坑开挖面或稍靠下的位置，与地下连续墙深层水平位移最大值基本发生在同一位置。开挖初期正弯矩最大值远大于最大负弯矩，随基坑开挖正负弯矩趋于平均，表明现有工况地连墙采用较少配筋能承受更大弯矩，围护结构设置合理。弯矩具体数据如表5所示。

3 地下连续墙影响因素研究

为同时更好满足基坑安全性和经济性，基于现有模型，改变墙体厚度和埋深参数，挖掘地下连续墙深层水平位移及弯矩影响因素，优化施工方案，降低基坑支护成本，为类似复合地层悬挂式地连墙支护方式提供参考依据。

3.1 地下连续墙厚度影响

通常工程中，采用的地下连续墙厚度为800、1 000、1 200 mm。在现有模型的基础上，只改变地下连续墙厚度，其他参数保持不变。不同地连墙墙体厚度方案下墙体深层水平位移及弯矩如图7、图8所示。

表5 土体正负弯矩最大值及所在深度对比表Table 5 The comparison of the maximum value of the positive and negative bending moment and the depth of the soil

图7 厚度变化深层水平位移对比曲线Fig.7 The deep horizontal displacement with different thickness

图8 厚度变化土体弯矩对比曲线Fig.8 The bending moment with different thickness

由图7可见，不同墙体厚度下地连墙深层水平位移变化规律基本一致，随墙体厚度增加，深层水平位移最大值逐渐减小，所处深度逐渐下移。开挖完成后，800、1 000、1 200 mm厚度地下连续墙水平位移最大值分别为3.61、3.39、3.29 cm，所处深度分别为22.0、24.0、26.0 m，说明增加墙体厚度有助于提高抗弯刚度，控制墙体深层水平位移。

由图8可见，不同墙体厚度下地连墙弯矩值变化趋势基本相同，随墙体厚度增加，最大正弯矩逐渐加大，而最大负弯矩及最大弯矩所处深度变化不大。800、1 000、1 200 mm厚度墙体最大正弯矩分别为410.14、750.21、880.38 kN·m，1 200 mm厚度墙体较800 mm厚度墙体最大正弯矩提高114.65%，说明增大墙体厚度对地连墙抗弯性能要求较大，需要加大配筋，提高施工成本。由此可见，不可盲目增加墙体厚度来控制地连墙水平位移，需根据现场状况综合考量。

通过墙体厚度对水平位移及弯矩的影响综合分析，得到墙体厚度合理值，该厚度下水平位移得到控制，弯矩增加不大，同时满足安全性和经济性。方法是令不同墙厚水平位移和弯矩的最大值与最小值分别为100%、0%，通过计算变化百分比绘制折线图，折线交点即为墙体厚度合理值。墙体厚度对水平位移及弯矩影响如表6所示，地连墙厚度优化如图9所示。

表6 不同地连墙厚度水平位移及弯矩表Table 6 The deep horizontal displacement and bending moment of the diaphragm wall with different thickness

图9 地连墙厚度优化曲线Fig.9 Optimization of the thickness of the diaphragm wall

由图9可知，折线交点对应墙体厚度约为950 mm，此时墙体变形和弯矩均较合适，安全系数高，工程造价低。考虑到工程常用墙厚为800、1 000、1 200 mm，选择1 000 mm墙体厚度较为合适。通过模拟发现，当墙厚为800 mm时，最大水平位移模拟值仍在安全预警值之内，但安全系数较低。因此，在土层条件较好、地下水不丰富的类似工程中可以考虑采用800 mm厚度地下连续墙。

3.2 地下连续墙埋深影响

本工程地下连续墙埋深为2.0H(H为截面基坑深度)，在原有模型上改变埋深为1.8H、2.2H、2.4H，其他参数保持不变。不同地连墙埋深方案下墙体深层水平位移及弯矩如图10、图11所示。

由图10可见，增加地下连续墙埋深能够减小水平位移，当墙体为1.8H、2.0H、2.2H埋深时，水平位移最大值分别为3.53、3.33、3.17 cm，所在深度为23、24、26 m，当埋深增加至2.4H时，水平位移减小至3.11 cm，所在深度为28 m。表明在一定范围内，增大地下连续墙埋深可控制墙体水平位移，超过一定深度后，增加埋深对水平位移影响逐渐较小。1.8H、2.0H、2.2H、2.4H时对应墙底水平位移分别为1.62、1.14、0.96、0.91 cm，说明随埋深增大，墙底水平位移逐渐减小，悬挂式地连墙对基坑内外阻断作用增强，围护结构性能逐渐趋于落底式围护结构，但超过一定深度后，增大埋深对墙底水平位移影响减小，与地连墙深度对基坑变形的影响研究相吻合，规律更加直观[27]。

图10 埋深变化深层水平位移对比曲线Fig.10 The deep horizontal displacement with different buried depth

图11 埋深变化土体弯矩对比曲线Fig.11 The bending moment with different buried depth

由图11可见，随地连墙埋深增大，最大正弯矩逐渐减小，墙体负弯矩有减小趋势，但负弯矩极值及最大弯矩所处深度基本不变。埋深为1.8H、2.0H、2.2H、2.4H时，最大正弯矩分别为962.99、795.75、556.11、449.64 kN·m。说明增大埋深可以减小弯矩极值，但超过一定范围后深度变化对弯矩改变作用逐渐减小。

地下连续墙埋深增大会提高成本，不可盲目增大埋深，需计算墙体埋深合理值。令不同埋深水平位移、墙底位移和弯矩的最大值与最小值分别为100%、0%，计算变化百分比绘制折线图，墙体埋深对水平位移及弯矩影响如表7所示，地连墙厚度优化如图12所示。

表7 不同地连墙埋深水平位移及弯矩表Table 7 The deep horizontal displacement and bending moment of the diaphragm wall with different buried depth

图12 地连墙埋深优化曲线Fig.12 Optimization of the buried depth of the diaphragm wall

由图12可知，虽然2.4H埋深条件下最大水平位移及最大弯矩较小，但是相对成本也最高，且当埋深超过2.2H后，继续增加埋深对水平位移和弯矩的控制不明显，埋深增大对水平位移和弯矩的影响较小，但成本增加较大。综合考虑安全性和经济性，可在埋深2.2H范围内适当增加地连墙埋深，以控制墙体水平位移。在需严格控制水平位移的工程中，可以适当增加墙体埋深，以获得更好的围护效果。