劉 攀

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司， 天津 300000）

1 引言

隨著環(huán)境條件復(fù)雜的深大基坑工程越來越多， 地下連續(xù)墻支護(hù)形式被廣泛應(yīng)用， 同時地下連續(xù)墻還能與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合。 在基坑開挖期間， 地連墻有擋土止水作用； 在基坑使用時期，地連墻作為側(cè)墻可與內(nèi)襯墻形成復(fù)合式結(jié)構(gòu)， 它們之間僅能傳遞法向壓力， 不能傳遞彎矩和剪力。

針對地下連續(xù)墻在深基坑工程中的應(yīng)用問題， 眾多學(xué)者通過不同手段開展了一系列的研究。 沈磊等［1］以長峰商場超大深基坑工程為研究對象， 通過有限元軟件建立三維模型， 并與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比， 總結(jié)了逆作法施工基坑中地表變形和地連墻變形。 孫峰等［2］基于某采用地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的深基坑工程， 結(jié)合主體結(jié)構(gòu)沉降和現(xiàn)場靜載試驗(yàn)， 研究了地連墻極限承載力理論。 基于采用地下連續(xù)墻+鋼支撐聯(lián)合支護(hù)的望京站基坑工程， 孫長軍等［3］通過現(xiàn)場監(jiān)測獲得了基坑變形及周邊地表沉降規(guī)律。 研究表明， 在基坑開挖范圍內(nèi)基坑施工對周邊環(huán)境影響顯著。邸國恩等［4］以浦江耀華站為研究對象， 針對臨近建筑地下室與地鐵車站整體施工問題， 提出了地下連續(xù)墻作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。 金志仁等［5］以馬氏距離判別分析理論為基礎(chǔ)， 從可行性、 經(jīng)濟(jì)性、 安全性三個方面， 研究了不同影響因素下基坑施工方案的效果。 陳有亮等［6］以某地鐵車站端頭井采用地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)工程為例，通過PLAXIS 3D 有限元軟件建立兩種不同墻體模型， 對比分析了地連墻采用實(shí)體單元和殼單元兩種模型， 并對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比。 其他一些學(xué)者也通過數(shù)值模擬、 現(xiàn)場監(jiān)測等手段對采用地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的深基坑工程進(jìn)行了研究。

在實(shí)際設(shè)計時， 應(yīng)考慮在試用期內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料劣化影響， 需將地下連續(xù)墻剛度進(jìn)行一定程度的折減后與內(nèi)襯墻共同承載。 但是上述研究對地下連續(xù)墻剛度的折減程度并無統(tǒng)一， 導(dǎo)致對材料利用率的差異。 因此， 本文通過有限元軟件對實(shí)際工程進(jìn)行建模， 對考慮不同剛度時地下連續(xù)墻與車站結(jié)構(gòu)協(xié)同受力情況進(jìn)行分析， 從而對地鐵車站主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2 工程概況

某車站主體結(jié)構(gòu)為12m 島式站臺雙柱三跨地下兩層矩形框架結(jié)構(gòu)， 車站中心里程頂板覆土厚度0.96m， 起點(diǎn)里程頂板覆土厚度1.26m， 終點(diǎn)里程頂板覆土厚度0.59m。 車站采用明挖法施工，采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的支護(hù)型式， 墻厚0.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑豎向設(shè)三道支撐+一道倒撐。 第一道為鋼筋混凝土支撐， 主撐截面800mm×1000mm，第二～三道及倒撐為直徑800mm、 壁厚16mm 的鋼管支撐。

3 計算分析

本文利用有限元軟件建立了車站及地下連續(xù)墻的二維有限元模型。 采用荷載－結(jié)構(gòu)模型， 考慮連續(xù)墻與主體結(jié)構(gòu)共同受力， 結(jié)構(gòu)為彈性地基上的平面框架。 水壓力作用在結(jié)構(gòu)上， 土壓力作用在地連墻上。 分別采用水平彈簧和豎向彈簧模擬坑底地層對結(jié)構(gòu)的水平位移和底板垂直位移的約束作用， 結(jié)構(gòu)底部豎向彈簧僅能承受壓力； 連續(xù)墻結(jié)構(gòu)外側(cè)部分水平彈簧只能承受壓力， 入土部分則為拉壓彈簧。

因連續(xù)墻與主體結(jié)構(gòu)之間設(shè)置防水層， 連續(xù)墻與內(nèi)襯墻的相互作用采用水平剛性連桿模擬，該連桿只能傳遞壓力， 不能傳遞拉力、 剪力和彎矩［7］。

為分析考慮不同剛度地下連續(xù)墻對主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻的影響， 按800mm 厚地下連續(xù)墻分別按不考慮地下連續(xù)墻作用、 剛度10%、 剛度20%、 剛度30%、 剛度40%、 剛度50%、 剛度60%、 剛度70%、 剛度80%、 剛度90%、 剛度100%等11種情況。 分析側(cè)墻頂板支座、 側(cè)墻負(fù)一層跨中、側(cè)墻中板支座、 側(cè)墻負(fù)二層跨中、 側(cè)墻底板支座等幾個控制界面的彎矩變化情況。

為分析地下連續(xù)墻的不同剛度情況， 本次引入地下連續(xù)墻的剛度系數(shù)概念， 地下連續(xù)墻的抗彎剛度見式（1）。

式中：E為混凝土的彈性模量， kN/m2；b為地下連續(xù)墻沿豎向的劃分單元長度， 取1m；h為地下連續(xù)墻厚度， m； β 為地下連續(xù)墻的剛度系數(shù)。

本次計算分別采取0.1、 0， 2、 0， 3、 0.4、0.5、 0.6、 0.7、 0.8、 0.9、 1 模擬地下連續(xù)墻剛度10%、 剛度20%、 剛度30%、 剛度40%、 剛度50%、 剛度60%、 剛度70%、 剛度80%、 剛度90%、 剛度100%等十種情況。

考慮地下墻時計算的彎矩形態(tài)如圖1 所示。

圖1 考慮地下墻時計算的彎矩形態(tài)

為全面對比地下連續(xù)墻剛度的影響， 本文考慮地下連續(xù)墻剛度為0 時即不考慮地下連續(xù)墻的作用時的情況， 此時側(cè)向土壓力直接作用在結(jié)構(gòu)側(cè)墻上， 不考慮地下墻時計算的彎矩形態(tài)如圖2所示。

圖2 不考慮地下墻時計算的彎矩形態(tài)

4 結(jié)果分析

由于不同車站的結(jié)構(gòu)參數(shù)、 土層參數(shù)各不相同， 本次以考慮地下連續(xù)墻100%剛度時結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彎矩為基準(zhǔn)， 取其他剛度模型的結(jié)構(gòu)構(gòu)件彎矩的變化率。 以考慮地下連續(xù)墻100%剛度時的變形為基準(zhǔn)， 取其他剛度模型的結(jié)構(gòu)變形的變化率。

4.1 考慮地下連續(xù)墻不同剛度系數(shù)對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

4.1.1 對側(cè)墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

考慮地下連續(xù)墻不同剛度系數(shù)對側(cè)墻結(jié)構(gòu)的影響如圖3 所示。

圖3 考慮地下連續(xù)墻不同剛度系數(shù)對側(cè)墻結(jié)構(gòu)的影響

從圖3 中可以看出：

（1） 地下連續(xù)墻剛度變化對側(cè)墻頂板支座位置彎矩影響： 從考慮地下連續(xù)墻100%剛度到不考慮地下連續(xù)墻側(cè)墻的頂板支座位置的彎矩增加了40%。

（2） 地下連續(xù)墻剛度變化對側(cè)墻負(fù)一層跨中位置彎矩影響： 從考慮地下連續(xù)墻100%剛度到不考慮地下連續(xù)墻側(cè)墻負(fù)一層跨中的彎矩增加了38%。

（3） 地下連續(xù)墻剛度變化對側(cè)墻中板支座位置彎矩影響： 從考慮地下連續(xù)墻100%剛度到不考慮地下連續(xù)墻側(cè)墻的中板支座位置的彎矩增加了100%。

（4） 地下連續(xù)墻剛度變化對側(cè)墻負(fù)二層跨中位置彎矩影響： 從考慮地下連續(xù)墻100%剛度到不考慮地下連續(xù)墻負(fù)二層跨中的彎矩增加了140%。

（5） 地下連續(xù)墻剛度變化對側(cè)墻底板支座位置彎矩影響： 從考慮地下連續(xù)墻100%剛度到不考慮地下連續(xù)墻底板支座的彎矩增加了18%。

4.1.2 對頂板結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

考慮地下連續(xù)墻不同剛度系數(shù)對頂板結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響如圖4 所示。

圖4 考慮地下連續(xù)墻不同剛度系數(shù)對頂板結(jié)構(gòu)的影響

從圖4 中可以看出：

（1） 地下連續(xù)墻剛度變化對頂板支座彎矩影響： 從考慮地下連續(xù)墻100%剛度到不考慮地下連續(xù)墻頂板支座的彎矩增加了25%。

（2） 地下連續(xù)墻剛度變化對頂板跨中彎矩影響： 從考慮地下連續(xù)墻100%剛度到不考慮地下連續(xù)墻頂板跨中的彎矩增加了0.88%。

4.1.3 對底板結(jié)構(gòu)的影響

考慮地下連續(xù)墻不同剛度系數(shù)對底板結(jié)構(gòu)的影響如圖5 所示。

圖5 考慮地下連續(xù)墻不同剛度系數(shù)對底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

從圖5 中可以看出：

（1） 地下連續(xù)墻剛度變化對底板支座彎矩影響： 從考慮地下連續(xù)墻100%剛度到不考慮地下連續(xù)墻底板支座的彎矩增加了15%。

（2） 地下連續(xù)墻剛度變化對底板跨中彎矩影響： 從考慮地下連續(xù)墻100%剛度到不考慮地下連續(xù)墻底板跨中的彎矩減少了24%。

4.2 考慮地下連續(xù)墻不同剛度系數(shù)對側(cè)墻結(jié)構(gòu)和地下連續(xù)墻變形的影響

考慮地下連續(xù)墻不同剛度系數(shù)對側(cè)墻結(jié)構(gòu)和地下連續(xù)變形的影響如圖6 所示。

圖6 考慮地下連續(xù)墻不同剛度系數(shù)對結(jié)構(gòu)變形的影響

從圖6 中可以看出：

（1） 地下連續(xù)墻剛度變化對側(cè)墻變形影響：從考慮地下連續(xù)墻100%剛度到不考慮地下連續(xù)墻側(cè)墻負(fù)二層跨中的變形增加了119.1%， 變形隨地下連續(xù)墻的剛度減小而增加明顯。

（2） 地下連續(xù)墻剛度變化對地下連續(xù)墻變形影響： 從考慮地下連續(xù)墻100%剛度到10%剛度地下連續(xù)墻的變形增加了111.7%。

4.3 考慮地下連續(xù)墻不同剛度系數(shù)對結(jié)構(gòu)配筋的影響

4.3.1 對側(cè)墻結(jié)構(gòu)配筋的影響

考慮地下連續(xù)墻不同剛度系數(shù)對側(cè)墻結(jié)構(gòu)配筋的影響如圖7 所示。

圖7 考慮地下連續(xù)墻不同剛度系數(shù)對側(cè)墻結(jié)構(gòu)配筋的影響

從圖7 中可以看出：

（1） 地下連續(xù)墻剛度變化對側(cè)墻負(fù)二層跨中配筋的影響： 從考慮地下連續(xù)墻100%剛度到不考慮地下連續(xù)墻側(cè)墻的負(fù)二層跨中的配筋增加了198.5%， 配筋率隨地下連續(xù)墻的剛度減小而增加明顯。

（2） 地下連續(xù)墻剛度變化對側(cè)墻頂板支座底板支座位置的影響： 從考慮地下連續(xù)墻100%剛度到不考慮地下連續(xù)墻時側(cè)墻底板支座的彎矩增加了20.6%， 側(cè)墻頂板支座的彎矩增加了42.3%。4.3.2 對頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)配筋的影響

考慮地下連續(xù)墻不同剛度系數(shù)對頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)配筋的影響如圖8 所示。

圖8 考慮地下連續(xù)墻不同剛度系數(shù)對頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)配筋的影響

從圖8 中可以看出：

（1） 地下連續(xù)墻剛度變化對頂板配筋影響：從考慮地下連續(xù)墻100%剛度到不考慮地下連續(xù)墻頂板支座的配筋增加了26%， 頂板跨中的配筋幾乎不變， 頂板支座配筋率隨地下連續(xù)墻的剛度減小而增加明顯。

（2） 地下連續(xù)墻剛度變化對底板配筋影響：從考慮地下連續(xù)墻100%剛度到不考慮地下連續(xù)墻底板支座的配筋增加了17%， 底板跨中的配筋減少了17%。

5 結(jié)論

利用有限元軟件計算分析地下連續(xù)墻考慮不同剛度時與車站結(jié)構(gòu)協(xié)同受力情況， 主要獲得以下主要結(jié)論：

（1） 主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻背土側(cè)跨中彎矩隨考慮地下連續(xù)墻剛度的減小而有較大幅度增加， 中板支座處彎矩增大幅度次之， 頂?shù)装逯ё帍澗卦龃蠓容^小。

（2） 當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻考慮剛度在50%以上時，側(cè)墻結(jié)構(gòu)的彎矩變化較小， 當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻考慮剛度越小時對于側(cè)墻結(jié)構(gòu)彎矩的增大幅度越明顯。

（3） 主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻變形隨地下連續(xù)墻的剛度減小而增加明顯， 地下連續(xù)墻變形隨地下連續(xù)墻剛度變化基本呈線性變化。

（4） 主體頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)受地下連續(xù)墻剛度的影響較小， 其中頂板支座彎矩、 底板支座彎矩隨考慮地下連續(xù)墻剛度的減小有小幅度增大， 底板跨中彎矩隨地下連續(xù)墻剛度的減小而有小幅度減小， 頂板跨中彎矩受地下連續(xù)墻剛度的影響可忽略不計。

（5） 地下連續(xù)墻考慮不同剛度對于側(cè)墻背土側(cè)配筋優(yōu)化作用最為明顯， 對于側(cè)墻臨土側(cè)配筋、 頂?shù)装迮浣畹膬?yōu)化作用較小。

在實(shí)際的工程中， 由于各車站的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的不同， 需要對地下連續(xù)墻的折減情況進(jìn)行進(jìn)一步的研究， 以有效提高材料利用率， 節(jié)約社會資源。