圆形竖井变形特性及其计算分析方法.pdf
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1、圆形竖井支护结构的受力变形特性与一般基坑支护有着显著的差异。结合珠三角水资源配置工程中一超深圆形竖井支护的计算分析,讨论类似问题的有限元法及增量法计算模型及计算方法,并将计算结果与现场实测进行对比,研究此类问题计算模型构建时需考虑的因素,及圆形竖井的变形特性。计算对比表明,无论采用有限元法还是增量法,适当选取计算模型参数,对此问题均可给出较为符合实际的计算结果。圆形地连墙加逆作内衬的支撑方式,可以有力发挥支护墙体的环向支撑作用,特别是在小径深比情况下。墙体内的环向内力主要是轴压力,而竖向内力主要是在地连墙的嵌岩部位发生外侧受拉的较大弯矩,而在此部位上方一定范围发生内侧受拉的较大弯矩。关键词:圆
2、形竖井;有限元分析;增量法;地连墙;逆作内衬中图分类号:TU47Deformation characteristics and calculation methods of circularLIN Shi-jiel,FU Hao,SONG Er-xiang*,LI Zhi-ling2,LU An-dian3,YANG Guang-hua42.Guangdong Hydropower Planning and Design Institute Co.,Ltd.,Guangzhou 510635,Guangdong,China;3.Guangdong Yuehai Pearl River Delt
3、a Water Supply Co.,Ltd.,Guangzhou 511458,Guangdong,China;4.Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower,Guangzhou 510635,Guangdong,China)Abstract:The mechanical and deformation characteristics of the circular shaft support structure are significantly differentfrom those of general
4、foundation pit support.Combined with the calculation and analysis of an ultra-deep circular shaftsupport in the water resources allocation project in the Pearl River Delta,the calculation models and calculation methodsby finite elements and the incremental method for similar problems are discussed.C
5、omparing the calculation results withthe field measurements,the factors to be considered in the construction of calculation model for such problems,and thedeformation characteristics of circular shafts are discussed.The computational comparisons show that whether the finiteelement method or incremen
6、tal method is adopted,so long as the model and the parameters are properly selected,thecalculation results can reasonably in line with the reality.The circular diaphragm wall together with top-down constructedlining can give strong circumferential support of the shaft,especially in the case with a s
7、mall diameter to depth ratio.Thecircumferential internal force in the wall is mainly axial pressure,while the vertical internal force is mainly the bendingmoment,tensile on the outside,occurs in the rock socketed part of the diaphragm wall.And the large bending moment,tensile on the inside,occurs in
8、 a certain range above that part.Key words:circular foundation pit;finite element analysis;incremental method;diaphragm wall;top-down constructedlining文献标识码:Afoundation pit support(1.Department of Civil Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;文章编号:2 0 9 6-7 19 5(2 0 2 3)0 3-0 19 5-10收稿日
9、期:2 0 2 2-0 5-12基金项目:珠三角水资源配置工程首批科研课题(WW2018229)。作者简介:林世杰(19 9 6),男,福建仙游人,博士研究生,主要从事岩土力学研究工作。E-mail:lins_。*通信作者:宋二祥(19 5 7 一),男,河北博野人,博士,教授,主要从事岩土力学与工程领域的教学及研究工作。E-mail:.1960 引 言近年来在工程中出现不少圆形基坑及竖井,比如武汉阳逻长江大桥南锚基坑、镇江五峰山长江大桥南锚基坑、“上海中心”塔楼区基坑、日本新丰洲地下变电站、南水北调中线穿黄工程盾构始发井等 1-5 。圆形基坑的支护一般采用地连墙加逆作钢筋混凝土内衬的支护形式
10、,利用圆形支护结构的水平拱效应,在省去内支撑或背拉锚杆的条件下实现基坑体系变形的较好控制。这种圆形支护体系的受力变形与一般常见形状基坑的支护有着显著差异,由此也使其稳定变形分析方法有着突出特点。实际工程中的基坑支护,包括这里拟讨论的圆形竖井的支护,往往是随开挖进行而逐步施作,支护体系的每一部分显然要在施作之后才发挥作用,所以对基坑支护的受力变形分析很有必要考虑开挖与建造的过程。此外,土体本构模型的选择,以及作为支护构件的地连墙因相邻墙段间接缝而造成竖向和横向力学性质差异,都需要予以合理考虑。对于基坑支护的计算分析,较完善的做法显然还是采用可以考虑岩土-结构共同作用的地层结构模型进行有限元计算,
11、而实际工程中相对简化又可近似模拟施工过程的方法应是增量法 6 。增量法实际是弹性支撑法和模拟施工过程方法的结合,可以用相对较少的计算量实现考虑基坑开挖与建造过程的计算。本文结合珠三角水资源配置工程中的一圆形竖井基坑的计算分析,讨论圆形竖井基坑的变形特性与计算分析方法,包括有限元法和增量法。对于有限元法这里简要讨论了土体本构模型的选用,特别是饱和黏性土不排水条件下变形及强度特性的模拟,还着重考虑了相邻两幅地连墙接缝的模拟。对于增量法,讨论了圆形支护结构的等效支撑刚度、圆形基坑土压力的确定等。通过两种计算的对地层地层名称序号人工填土2淤泥4淤泥质黏土2含有机质粉质黏土11.90IV强风化岩II弱风
12、化岩地基处理比,讨论了各自的优缺点,还对两种方法对类似圆形竖井或基坑构建模型时需关注的问题,以及圆形竖井支护的变形特性进行了分析讨论,期望对类似问题的建模分析及支护设计提供一定参考。1工程概况珠江三角洲水资源配置工程输水线路总长113km,其中盾构隧洞长8 5 km,共有3 7 座工作井。这里选取直径和深度较大且所处地层具有代表性的 GS出发井 0 3 进行计算分析。该盾构井为一个 8 3 0 0 盾构和一个 410 0 盾构组成的双线盾构出发井,平面布置为圆形,外直径为3 5.9 m,井深为6 1.9 m,而到底板底面的开挖深度为6 5.9 m,基坑半径与坑深之比(径深比)为0.2 7。1.
13、1场地地层该项目地处珠江三角洲,拟分析的竖井所在场地上软下硬。据勘察报告 7 ,土层以淤泥、淤泥质黏土和粉质黏土为主,下卧岩层主要是泥岩、泥质粉砂岩、砂岩。表1给出了各地层的主要力学性质参数,其中岩层的压缩模量根据经验估计取值,渗透系数由实测透水率近似换算给出。场地地下水位较高,位于地表以下约1.6 m。1.2支护方案由于基坑开挖深度大,软弱、透水覆盖层厚度大,基坑采用地下连续墙加逆作钢筋混凝土内衬的支护体系(图1)。地连墙厚1.2 m,嵌入坑底以下4.1m,分2 4幅施作,直线形槽段与三折线形槽段间隔分布,围成48 边形。内衬墙厚1.2 1.5 m,随开挖进行从上到下分段施做。支护结构挡土的
14、同时也起止水作用,混凝土强度等级均为C30,弹性模量取 E。=3 0 G P a。这里坑外未进行降水,坑内水位则随挖随降保持在开挖面之下。表1各地层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of different stratums重度黏聚力内摩擦角有效黏聚有效内摩不排水强度压缩模量渗透系数层厚/m(kN/m)c/kPa3.7018.28.4017.211.9017.617.83.2021.050.0023.02023年5 月0/()力c/kPa 擦角 p/()8114667810602640030)Cu/kPa1215810101212
15、14603040033Es/MPak/(cm/s)9.71+1.72z4.254.44+0.79z2.656.78+0.97z3.169.53+1.48z4.00一40.00一5 000110-7110-7110-7110-7一710-5(2)第3 期地面平整高程2.40人工填土?1.302 淤泥-9.704淤泥质黏土21.602 含有机质粉质黏土-33.50IV强风化岩-36.70I弱风化岩C30地下连续墙厚12 0 0注:高程单位为m,其余单位为mm。图1基坑支护结构Fig.1 Foundation pit support structure2有限元计算分析首先按地层结构模型采用弹塑性有限
16、元法进行模拟施工过程的计算分析,计算软件采用大型岩土有限元软件PLAXIS,分别建立二维轴对称模型和考虑竖井周边地面荷载不均匀的三维有限元模型进行计算。2.1计算模型的几点考虑根据地勘报告,该竖井所处场地岩土大体水平分层。在开挖深度范围内,大部分土层为渗透性很低的饱和土层,开挖施工对于这类土层属于快速加载,应按不排水情况进行计算,在理论上可以按有效应力法采用有效强度指标及模量进行计算,但这需要能够很好模拟土体剪胀变形过程的本构模型,较难做到。因此,这里采用饱和土的不固结不排水强度cu来考虑土的强度,Cu值可由固结不排水强度指标(表1中所列c、)计算给出 8-9 ,如此计算的Cu随深度z线性增大
17、(见表1)。而饱和土的刚度特性则采用有效应力法来模拟 8 ,亦即材料排水特性设为PLAXIS中的Undrained B10。本构模型选择林世杰,等:圆形竖井变形特性及其计算分析方法0.82不C30压顶梁2.4001500C30作内衬墙厚12 0 00080C30逆作内衬墙厚15 0 0底板顶高程-5 9.5 2-63.52197模量随应力水平变化的硬化土模型 10-1,参考PLAXIS软件针对硬化土模型中模量参数的缺省设置,取 E=Es,Emr =4E。而 E实际对应于1002 0 0 k P a 间的压缩模量Es,据以往大量工程经验考虑室内试验测试的模量因采样制样扰动往往比原状土的模量明显偏
18、低,这里取Eref为1.5 Es。岩米层主要为压缩性很小的弱风化岩,选用MC模型,按排水条件计算。由于地连墙分幅施作,幅间接缝的影响有必要考虑。当考虑地面荷载的不对称性而采用三维有限元进行计算时,采用实体元模拟地连墙和内衬,用界面单元来模拟幅间接缝相对较弱的刚度及强度特性。而按轴对称模型进行计算时,幅间接缝只是影响圆形地连墙的环向刚度,这里通过分析将环向刚度予以折减来考虑。这样,地连墙是采用环向和竖向刚度不同的壳单元模拟,而内衬因软件功能的限制采用实体元来模拟。在地连墙与内衬间添加界面单元,折减系数Rinter设为0.6 6 7,以模拟两者简00单叠合而非合成一个大断面的弯曲构件。考虑接缝影响
19、的地连墙环向模量建议如下估计:设每幅地连墙长l,材料模量为E。;接缝厚t,材料模量为E(E E。),其等效环向模量Eeq近似按两者串联进行计算,即:+一-1+tEEE.由此得:1+tEeqEEE式中:为环向模量折减系数。各幅地连墙长度不等时,取平均长度1=2 元rln,r为墙体中心线半径,n为地连墙幅数,该竖井r=17.35m,n=2 4。根据日本地连墙施工经验,槽段接缝厚度一般可按3 mm左右来考虑,由试验数据 12 取Es=30MPa,计算得到=0.603,Ee q=18.1G P a,下面的计算即采用此参数。但如施工质量较低,接缝厚度可达t=10mm,则有Eeq=9.4GPa,墙体环向刚
20、度将大大降低。模型边界距竖井中心10 0 m,深至标高-10 0 m。考虑竖井的施工需求,在墙后40 m范围内施加地面荷载,在地连墙施工后施加。轴对称模型中为35kPa均布荷载,三维模型中为3 5 kPa和2 0 kPa各90交错分布(图2)。(1)1+tE。=E。198本工程施工过程为:完成地下连续墙施工后,开挖土体和浇筑内衬交替进行,每层开挖厚度约4.5m,开挖至深处的弱风化岩,有两层按6 7 m计算。根据施工流程共划分为15 个计算工况。坑内水位随开挖进行降低至开挖面。2.2车轴对称模型的主要计算结果忽略竖井周边地面荷载的不对称分布,可采用二维轴对称模型进行计算,有限元网格如图3 所示。
21、X图3 轴对称模型Fig.3 Axisymmetric model选取具有代表性的几个工况,计算得到的地连墙水平位移如图4所示。由于此时按轴对称计算,地基处理竖井侧壁均匀受压,地面荷载引起的墙体变形非常35 kPa小,仅0.5 mm。开挖土层时,地连墙侧向变形呈典型的“凸”字形。开挖至弱风化岩顶面时,地下连20kPa20 kPa35 kPa图2 地面荷载分布Fig.2Ground load distribution2023年5 月续墙最大水平位移为6.5 mm,发生在标高约-2 8.5 m处,在强风化岩顶面上方约5 m处。继续向下开挖,原先嵌入岩层中的墙段逐层暴露,岩层中的应力得到释放,墙体水
22、平位移曲线上段保持不变,下段出现了第二个峰,峰值为5.0 mm。10水平位移/mm04-10-201信-3 0FI-40-50-60-70Fig.4 Horizontal displacement of diaphragm wall inaxisymmetric model由于按轴对称计算,地连墙内仅有沿竖向发生弯曲的弯矩。开挖土层时,地连墙中段出现较大弯矩,反弯点位于强风化岩顶面附近,其上10m墙体在坑内侧受拉,其下8 m墙体在坑外侧受拉,而地连墙上段和下段的弯矩都非常小(图5(a))。开挖至弱风化岩顶面时,地连墙弯矩仍主要在中段,达到全过程最大值13 8 6 kNm/m(图5(b)。开挖岩
23、层时,地连墙中段弯矩减小后基本恒定,而下段开始出现较大弯矩,反弯点位于开挖面附近,弯矩最大处随开挖过程不断下移(图5(c)、5 (d)。6图4轴对称模型地连墙水平位移810一地面荷载开挖至-9.7 2 m:开挖至-2 3.2 2 m开挖至-3 6.7 2 m开挖至-5 3.0 2 m开挖至坑底1214Mmax=466.6 kNm/mMmin=-216.7 kNm/m(a 开挖至-9.7 2 mMmax=1 386kNm/mMmin=-755.5 kNm/m(b)开挖至-3 6.7 2 m图5 轴对称模型地连墙弯矩Fig.5 Bending moment of diaphragm wall in
24、 axisymmetric modelMmax=1 164 kNm/mMmin=-981.0 kNm/m(c)开挖至-5 3.0 2 mMmax=1 184 kNm/mMmin=602.3 kNm/m(d)开挖至坑底第3 期内衬采用实体元模拟,可在结果输出中查看应力并近似计算内力。内衬施做后,下层土体开挖时内衬随着地连墙一起变形,且内衬下端位移大,上端位移小,使得内衬靠地连墙侧受拉,内衬临空侧受压。与地连墙弯矩分布类似,1.2 m厚浅层内衬的竖向应力较小,普遍低于5 0 0 kPa,1.5 m 厚深层内衬的竖向应力明显增大。以开挖至坑底工况为例,内衬的竖向应力分布如图6(a)所示,在标高约-4
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