高水位区地下连续墙穿越粉砂层槽壁稳定性数值分析*

严朝锋，张孟喜，周忠群

(1.中铁二十局集团第一工程有限公司，江苏 苏州 215151； 2.上海大学力学与工程科学学院，上海 200444)

0 引言

地下连续墙具有整体性好、结构刚度大、抗渗抗裂性能好等一系列优点，因此，在地下结构深基坑围护中得到广泛运用。但在复杂地质成槽施工中，槽壁经常发生失稳破坏，尤其是在湖中高水位区进行施工，槽壁失稳现象更加明显，成槽开挖后会造成土体的卸载效应，槽壁周边土体会出现应力重分布[1]，依靠成槽后泥浆的护壁压力来维持槽壁的稳定，当泥浆的护壁压力不足以平衡土体的主动土压力和水压力的合力时，槽壁稳定状态被打破，从而发生失稳破坏，因此，研究湖中高水位地层成槽施工中槽壁失稳机理及变形规律就显得十分必要。

目前，针对各种复杂地质槽壁失稳问题已经开展了很多研究，Oblozinsky等[2]通过槽壁的二维和三维弹塑性有限元对比分析发现:在平面应变条件下，深层土体的稳定性最差；在三维条件下；接近地表面位置土体的稳定性最差。George等[3]对泥皮形成前槽壁局部稳定性进行了研究，认为增大泥浆密度对槽壁稳定性具有3方面的有益作用。丁勇春等[4]采用 FLAC3D对地下连续墙成槽施工及墙体硬化全过程进行模拟，分析了槽壁加固、混凝土导墙、刚性地坪及侧边已有墙体等施工因素对槽壁侧向位移和地面沉降的影响。秦会来等[5]采用ABAQUS软件，土体本构模型选用修正剑桥模型，分析研究正常固结黏性土中超深下连续墙槽段施工所诱发的地层变形特点。Zhuo等[6]借助离心模型试验研究了不同类型泥浆对软土地层地下连续墙成槽施工槽壁稳定性的影响特征。姜涛[7]针对单一土层进行成槽施工模拟，探究了成槽施工中土体的水平应力、水平侧向位移及地面沉降的变化规律。李晓海[8]通过现场试验和数值模拟，探究了减压降水对粉砂层槽壁稳定性的影响。李慕涵[9]采用数值分析软件对紧邻3幅地下连续墙成槽全过程进行模拟，重点分析了槽壁土体受力与变形规律。朱宁等[10]采用FLAC3D对地下连续墙施工进行模拟，分析苏州地区粉土地层中地下连续墙施工对土体扰动及周边建筑物的影响。邱明明等[11]以深厚富水砂层地下连续墙成槽施工为研究背景，通过现场试验和数值模拟研究深厚富水砂层地下连续墙泥浆槽壁稳定性特征及其影响因素。

目前，多数学者在对地下连续墙的数值模拟中忽略了泥皮作用，这明显与实际不符，而本文以苏州春申湖路快速化改造工程为背景，选取三工区湖中围堰施工段的部分地下连续墙进行研究，考虑了泥皮的作用，采用有限元软件ABAQUS对地下连续墙成槽施工过程进行数值模拟，揭示高水位区地下连续墙成槽施工中槽壁变形规律，并对主要失稳影响因素进行参数分析，从而对施工参数进行优化，以提高槽壁稳定性，为后续湖中高水位区地下连续墙施工提供一些参考。

1 工程概况

苏州春申湖路快速化改造工程以隧道形式由西向东穿越阳澄西湖，湖中段基坑施工长度为2 685m， 深度10.54～18.17m，隧道采用围堰明挖法，围堰采用拉森钢板桩进行隔水施工，湖中围堰平面布置如图1所示。湖中段基坑围护结构采用地下连续墙，槽段长度为6m，厚度为1m，深度为42m,导墙两侧采用倒L形钢筋混凝土结构，地下连续墙混凝土设计强度等级为水下C30及水下C35两种，墙体之间的接头采用H型钢连接。

图1 湖中围堰平面布置

根据勘探结果，沿线场地地表下90.300m深度范围内地基土构成除填土外，其余为第四系滨海、第四系河泛、河床相沉积物，一般由黏性土、粉(砂)土组成。场地浅层地下水中孔隙潜水主要赋存于浅部填土及黏性土中，水位埋深0.700～4.100m，标高-0.530～1.630m，稳定水位埋深0.300～4.300m，标高0.480～2.090m。地下潜水受大气降水、地表水入渗补给，通过地面蒸发及侧向径流排泄。水位随季节、气候变化而波动，在雨水季节补给量大于排水量，潜水面相对上升，含水层厚度加大。旱季排泄量大于补给量，潜水面下降，含水层变薄，夏秋季节为高水位，冬春季节为低水位。地下连续墙成槽施工需要穿越承压水层，微承压水主要赋存于③3粉土及④2粉土夹粉砂中，其富水性一般，透水性较好。承压水主要赋存于⑥3粉土夹粉砂及⑦2粉土层中，富水性中等。

2 数值模拟

2.1 计算模型

结合现场湖区段地下连续墙施工的实际情况，采用ABAQUS对湖区地下连续墙进行有限元模拟，选取湖区段部分地下连续墙进行分析，基于对称原理，模型采用实际地下连续墙的一半进行分析，沿着厚度的中垂面进行切割，取一半进行建模，则模型中地下连续墙的尺寸变为：长度6m，深度42m，厚度0.5m，模型中沿着槽段长度方向为x方向，沿着槽段厚度方向为y方向，沿着槽段深度方向为z方向。土体采用实体单元C3D8P，土体采用莫尔-库仑模型为破坏的屈服准则，导墙采用线弹性单元，泥皮采用弹塑性单元，由于泥皮是依附在槽壁上的薄层，且刚度较小，建模用薄壳单元进行模拟，地下连续墙成槽施工模拟的三维模型如图2所示，计算模型共计18 360个实体单元，20 615个结点。计算模型尺寸为120m×60m×80m。边界条件设置：其中对称面为y=0，采用对称约束，y=60m平面约束y方向位移，x=0和x=120m两个平面约束x方向位移，底面约束3个方向位移，地面为自由面，保证模型的竖向变形不受边界条件约束。孔压边界设置：地下水位所处平面孔压设置为0，底面孔压设置为P=γwZ(γw为水的重度；Z为计算点到地面距离)，其他边界默认为不透水层。

图2 有限元三维模型

2.2 土层计算参数

湖区槽段地层由黏性土、粉土、砂性土交互沉积而成，按土层结构、成因及性状特性将其划分为6层，如图3所示，土体和构筑物的物理力学参数如表1所示。由于湖区地下水位过高，在地下连续墙成槽施工中，地下水渗流作用明显，因此，数值模型考虑地下水的渗流作用，ABAQUS中通过设置土层中的孔隙压力来模拟地下水的静水孔隙水压力作用，从而对成槽施工中槽壁稳定性进行流固耦合分析[12]。

表1 土体及构筑物物理力学参数

图3 槽段横剖面

2.3 计算步骤

地下连续墙塌槽绝大多数情况下发生在成槽开挖和泥浆护壁的过程中，由于土体开挖后，槽壁处于悬空状态，容易发生坍塌，而在混凝土浇筑和凝结硬化阶段，槽段内的混凝土会向槽壁外侧挤压土体，减小槽壁的侧向变形，槽壁的稳定性会得到提高。本文重点研究槽壁塌槽规律，因此，数值建模中不考虑成槽后混凝土浇筑和凝结硬化成墙两个阶段，主要研究土体开挖和泥浆护壁过程中槽壁侧向变形规律，模拟步骤如下。

1)地应力平衡 首先进行力学计算得到地层应力场，模型中考虑了导墙来计算土体的初始自重应力场。并清除自重应力所产生的位移及塑性区保留应力场，在此基础上进行地下连续墙施工模拟。

2)成槽开挖和泥浆护壁 ABAQUS采用单元生死法来进行土体开挖的模拟，3步开挖成槽，成槽开挖后立即在槽壁泥皮上和槽底施加静水泥浆压力Fs(见图4)，通过在槽壁四周区域单元表面赋予压强模拟泥浆护壁压力，泥浆压力分布规律为：

图4 泥浆护壁压力分布

Fs=γbZ

(1)

式中：γb为泥浆重度，取11kN/m3；Z为泥浆深度(m)。

3 数值结果分析

3.1 承压水作用对槽壁侧向位移影响分析

不考虑承压水和考虑承压水两种情况下的槽壁侧向位移对比如图5所示。考虑到承压水对粉土夹砂层抗剪强度的削弱影响，从而对粉土夹砂层的强度参数进行一定程度的折减[13]。由图5所知，不考虑承压水对土体的作用时，槽壁呈现单峰状，槽壁侧向位移沿深度呈现随深度增大而增大，之后接近槽段底部时侧向位移达到最大值然后迅速减小至零，侧向位移最大值约在0.9倍槽深处。而考虑承压水作用时，槽壁呈现双峰状，在粉砂层侧向位移呈现局部增大的情形，之后在槽段底部0.9倍槽深处呈现最大值。

图5 承压水作用对槽壁侧向位移的影响

经计算，考虑承压水时，槽壁在底端粉砂层存在明显的塑性破坏区。湖区地下连续墙超声波检测结果如图6所示。由图6可知，湖区地下连续墙施工在底部⑥3粉土夹砂层出现滑塌，而数值模拟结果显示，槽壁最大侧向位移在槽段底端35m处，槽壁侧向位移显著影响区域为30～40m，且该区域存在明显的塑性破坏区，这和现场槽段超声波实测滑塌区域基本一致。因此，承压水对地下连续墙成槽施工影响很大，在实际施工中，承压水的影响不能忽视，实践表明。地层存在高承压水头时，应当采用槽壁外侧减压降水措施，从而确保地下连续墙成槽的稳定。

图6 湖区槽段超声波检测结果

3.2 泥皮作用对槽壁侧向位移影响分析

不考虑泥皮和考虑泥皮两种不同情况下的槽壁侧向位移对比如图7所示，两种情况均考虑承压水，由图7可知，两种情况的曲线趋势大致相同，考虑泥皮时槽壁侧向位移适当减小，泥皮一定程度上是能起到保护槽壁的作用，但在粉砂层和粉土层的影响较黏性土大。

图7 泥皮作用对槽壁侧向位移的影响

两种情况下槽壁塑性应变对比如图8所示。由图8可知，考虑泥皮时，槽壁塑性应变明显比不考虑泥皮时小很多，说明从塑性应变的角度去考虑槽壁稳定性，则泥皮作用对槽壁起到明显的保护作用，因此，在实际地下连续墙施工中，粉土夹砂层的间隙较大，不利于泥皮的形成[14]，而泥皮对槽壁稳定性的影响也不可忽略，可通过控制泥浆配合比改善泥皮性能。

图8 泥皮作用对槽壁塑性变形的影响

3.3 槽壁侧向位移在空间上的分布规律

由确定的槽壁提取路径(见图9)，在考虑承压水的情况下，分别提取距槽壁中垂面距离0，1，2，3m处槽壁侧向位移值，绘制槽壁侧向位移沿深度的变化曲线(负值表示向槽段内侧变形)，如图10所示。由图10可知，距槽段中垂面不同距离处槽壁侧向位移沿深度的变化规律一致，均为双峰状，在粉土夹砂层和接近槽段底部处出现最大侧向位移，而靠近地面的槽壁侧向位移很小，说明导墙的存在很大程度上约束了地表处槽壁的侧向变形，距离槽段中垂面越近，槽壁的侧向位移越大，槽段两侧和底部侧向位移较小。由此说明三维的土拱效应在槽段两侧及底部作用明显。

图9 槽段提取路径示意

图10 槽壁侧向位移沿深度的变化曲线

4 槽壁稳定性影响因素分析

4.1 地下水位对槽壁稳定性的影响

地下水位对槽壁侧向位移的影响如图11所示，由图11可知，地下水位对槽壁侧向位移的影响大，尤其是粉砂层的侧向位移变化量明显比其他土层影响大，粉砂层的渗透系数远远大于其他土层，渗透系数大的土层对地下水位的变化较为敏感。另外，地下水位在地下1.5m时侧向位移最大，且随着地下水位变为地下3.0m时，粉砂层槽壁最大侧向位移从32mm下降到24mm，下降了8mm，而当水位从地下4.5m再次降到6.0m时，槽壁最大侧向位移仅变化2mm，由此可见，地下水位过高对槽壁稳定性影响较大，因此，需要对地下水位过高的地区采取降水措施，保持地下水位在一个相对稳定的状态，从而提高槽壁的稳定性，防止槽壁发生塌槽。

图11 地下水位对槽壁侧向位移的影响

4.2 内摩擦角对槽壁稳定性的影响

内摩擦角对槽壁侧向位移的影响如图12所示，可以看出，改变粉砂层的内摩擦角只对邻近土层侧向位移产生影响，对较远的土层侧向位移几乎不产生影响，当粉砂层内摩擦角达到16.6°时，粉砂层槽壁侧向位移最大，达到36mm，随着内摩擦角的不断增大，槽壁侧向位移逐渐减小，起初最大侧向位移变化大，当内摩擦角达到一定程度，侧向位移变化就较小。由此说明，内摩擦角对槽壁稳定性的影响很大，当粉砂层中存在承压水时，承压水会加速土粒流动，会对土的抗剪强度产生削弱作用，从而一定程度上降低了土层的内摩擦角，从而使槽壁稳定性降低。除此之外，当遇到软弱土层时，可以采用局部加固措施，如局部冻结，可提高土体的强度，进而提高槽壁稳定性。

图12 内摩擦角对槽壁侧向位移的影响

4.3 黏聚力对槽壁稳定性的影响

黏聚力对槽壁侧向位移的影响如图13所示。由图13可知，改变黏聚力也会对邻近土层侧向位移产生影响，而对较远土层侧向位移几乎不产生影响。黏聚力越小，槽壁最大侧向位移越大，当黏聚力为5kPa时，粉砂层槽壁侧向位移最大，最大值为16mm，随着黏聚力的增大，槽壁最大侧向位移稳步减小，但变化幅度均相对较小。由此说明，黏聚力对槽壁稳定性也发挥着重要的作用，当土层中含有承压水时，承压水的作用可能对内摩擦角和黏聚力均产生削弱作用，因此，不可忽视承压水的作用，当承压水头过高时，要采取措施降低承压水头，降低承压水的影响，从而提高槽壁稳定性。

图13 黏聚力对槽壁侧向位移的影响

5 结语

1)当考虑承压水时，槽壁沿深度变化的侧向位移曲线为双峰状，不考虑承压水时，曲线为单峰状。通过数值模拟和湖区槽段现场超声波实测对比，结果基本吻合，因此，当考虑承压水时，粉砂层槽壁侧向位移明显增大，槽壁容易出现失稳破坏。

2)泥皮作用对槽壁侧向位移产生一定影响，但影响不大，若从土层塑性应变的角度来看，泥皮对粉砂层的塑性应变的影响较为明显，因此，实际地下连续墙施工中不可忽视泥皮对槽壁稳定性的影响，一般可通过调整泥浆的配合比来改善泥皮的性能，从而提高槽壁稳定性。

3)通过对地下水位、内摩擦角以及黏聚力的影响参数分析，地下水位对槽壁侧向位移影响较大，粉砂层的内摩擦角和黏聚力对槽壁的侧向位移影响也较大，相比之下，内摩擦角对槽壁侧向位移影响较黏聚力大。因此，在高水位区成槽施工中，应该结合降水措施以及对粉砂层等软弱土层进行土体加固处理，从而能有效提高槽壁的稳定性。