圆筒形地下连续墙不同接头形式数值模拟研究

陈 宇

(中冶赛迪上海工程技术有限公司，上海 200940)

圆筒形地下连续墙不同接头形式数值模拟研究

陈 宇

(中冶赛迪上海工程技术有限公司，上海 200940)

依托湛江市东海岛钢铁基地圆形连铸池工程实例，采用数值模拟方法，对刚性接头与铰接接头的连续墙结构进行了受力分析，结果表明：接头连接形式的不同对墙体的水平变形大小影响较大，铰接条件下墙体的水平变形值较刚接时增大了24%。

圆形连续墙，刚性连接，铰接，受力变形，数值模拟

圆筒形地下连续墙作为一种特殊的连续墙结构，在如今的基坑施工中应用越来越多。圆筒形墙体由于其自身的拱效应能够将外部土压转换成环向内力，使混凝土墙体的耐压性能得到更好的发挥，且能较好地控制墙体周围土体的水平位移。工程中圆筒形连续墙需要分段浇筑，各槽段连接处结构整体性较差，目前工程设计中通常将此处接头视为刚性接头与柔性接头两种情况。不同的接头形式关系到墙体的整体性及使用效果，更关系到工程的经济效益与结构安全。

董秀竹等[1]针对武汉阳逻长江大桥南锚碇工程，对圆形深基坑变形的主要影响因素和墙体位移进行了灰色关联分析，得出位移对分层厚度最为敏感的结论。田振等[2]对圆形基坑基地变形的研究现状进行了回顾，并论证了直径与深度之比、降水和入土深度对圆形基坑基地变形的影响。徐中华[3]整理了90多个地下连续墙结构的位移监测结果，总结了地下连续墙的变形特征。熊浩[4]以武汉鹦鹉洲长江大桥深基坑工程圆形地下连续墙为研究对象建立了计算模型，比较计算值与实测值，全面地分析了圆形地下连续墙的围护效果。罗耀武等[5]以上海世博500 kV变电站为例研究了若干因素对圆筒状地下连续墙内力和变形的影响。胡明辉[6]通过对地下连续墙建立仿真模型，探讨了墙厚、m值和插入比对结构位移的影响。佘海洋[7]通过建立三维有限元力学模型，分析了墙体不同刚度、分幅形式以及坑底加固混凝土标号对施工期整个围护结构内力和变形的影响。目前对圆筒形地下连续墙的受力与变形分析较多，但槽段间接头性质对墙体受力特性的影响研究较少，有必要结合实际工程展开接头形式对连续墙结构受力与变形影响的研究，为类似工程提供经验。

1 模型假设

圆筒形地下连续墙有两种接头形式，一般认为刚性接头能够抵抗弯矩与剪力的共同作用，对应于工程中的钢筋搭接接头；工程实际中槽段接头处的连续墙刚度必然会被减弱，不能承受显著的水平方向弯矩，只能传递而无法传递水平方向弯矩，因此在对连续墙接头进行简化过程中，假设刚性接头两端的墙体不会发生相对位移、相对转动，而铰接接头两端的墙体则可以围绕竖向轴转动，如图1所示。

2 工程概况

本文依托工程为广东省湛江市东海岛钢铁基地内连铸旋流池与机清旋流池施工。其中连铸池半径为10 m，墙厚800 mm，墙体竖向高度41.7 m，由16段折线型施工槽段组成；机清旋流池半径为8 m，墙厚800 mm，全高42.7 m，由10段折线型施工槽段组成。两旋流池中心相距31.7 m，连续墙墙体采用水下C30混凝土，抗渗等级P10。连铸池开挖深度为27 m，机清池开挖深度为25 m，并规定基坑每步开挖深度控制在5 m以内。施工过程中坑内降水，开挖至坑底最底部时，降水水位低于坑底1 m以下。

场地开挖深度范围内主要土层：素填土层；淤泥层；粘土层;中粗砂层等。依据相关地质勘查资料，各土层物理力学指标见表1。基坑整体模型图如图2所示。

表1 土层力学参数统计表

土类名称层厚m重度kN/m3粘聚力kPa内摩擦角(°)压缩模量ES/MPa①素填土6．518．217．07．02．5②粘性土2．519．56．011．05③中砂4．019．85．026．010④粘性土1317．740．09．014．5⑤粘性土517．335．012．015⑥中砂1120．5——15⑦粘性土1117．3——14．5⑧粘性土14．017．3——14．5

3 数值分析

结合工程中旋流池尺寸大小及施工情况，考虑基坑开挖后对周围土体应力、应变的影响，查阅相关文献确定几何模型尺寸如下：模型水平方向长度为170 m，宽度为140 m，竖向高度为70 m。

3.1 参数及施工工况确定

连续墙体采用弹性本构，土体采用摩尔库仑模型。根据相关规范，连续墙采用C30混凝土，弹性模量对应为E=30 GPa，泊松比μ=0.2，重度γ=25 kN/m3。

地连墙与土体接触面模型图见图3。

连续墙和土体由于材料上的差异较大，两者接触面的性质对基坑变形有重要影响。相关文献中法向刚度kn和切向刚度ks可取接触面周围相邻区域的等效刚度的10倍左右。基坑开挖共分为11个施工步骤进行，其中连铸池基坑为6个开挖步，机清池基坑为5个开挖步，竖向最大开挖步距不大于5 m。

3.2 墙体受力与变形对比分析

1)墙体受力对比。开挖结束后，以尺寸较大的连铸池为研究对象。两种接头类型的连续墙结构所受的环向轴力分布趋势相同，而所受环向轴力值的大小有所差别。其中刚性接头连续墙所受环向轴力最大值约为3 183 kN，最大值位于接近基坑底部范围内的墙体处；而铰接接头连续墙所受的环向轴力最大值为3 811 kN，较刚性接头条件下的相应值增大了19.7%，而环向轴力最大值的位置则差异不大，见图4。

由于圆筒形地下连续墙特有的拱效应，墙体环向受力主要表现为压力作用，环向所受弯矩值非常小，可忽略不计。墙体竖向弯矩较环向弯矩稍大，刚性接头时，墙体所受最大竖向正、负弯矩值分别为135 kN·m，96 kN·m；铰接接头时，最大竖向正、负弯矩值的绝对值则减小为110 kN·m与66 kN·m，较刚性接头条件下分别减小了18.5%与31.3%。且接头铰接条件下墙体竖向弯矩的分布形态也有别于刚接，刚接表现为坑底上方墙体为正弯矩、下方为负弯矩，环向上分布一致且形态上无明显变化；而铰接时坑底上方最大正弯矩位于各槽段中心处，入土范围内墙体最大负弯矩则位于槽段连接处，呈菱形沿竖向轴线分布，见图5。

2)墙体水平变形对比。同常规的矩形基坑连续墙支护体系相比，圆筒形地下连续墙的一大优势就是能够较好地控制墙体的水平变形。针对两种接头连接形式，模拟结果显示当接头为刚接时，开挖结束后墙体的最大水平变形为3.13 mm，位于坑底上方基坑深度的1/3左右；而铰接时墙体的最大水平方向变形增大至4.13 mm，较刚性接头增大了24.2%，水平变形最大值位置则无变化。不同的是接头铰接时墙体变形沿接头处呈锯齿形分布，这也体现了接头铰接时较刚性连接时整体性要差一些，见图6。

两种接头形式下连续墙结构水平变形随开挖步的变化曲线绘制于图7。接头形式的不同对基坑开挖过程中墙体的水平变形整体趋势影响不大，每开挖步墙体的最大水平方向变形均位于基底上方的墙体处。刚性接头与铰接接头墙体水平变形随开挖深度基本呈线性增大，前四步开挖完成墙体已完成最大变形的80%以上，表明铰接接头条件下墙体的水平变形对基坑开挖深度较为敏感，这也反映了圆形基坑施工空间效应明显，不应单纯简化为平面结构进行分析。

4 结语

1)同刚性连接相比，接头形式为铰接时墙体所受环向压力值增大了约19.7%，环向压力的分布形态则差别不大。2)铰接接头连接下的墙体所受竖向正弯矩与负弯矩的绝对值均有所减小。弯矩分布形态有所不同，接头为刚接时墙体所受竖向弯矩在环向上无明显变化；而铰接条件下竖向弯矩呈菱形沿竖向轴线分布在基底上下的墙体上。3)接头连接形式的不同对基坑开挖过程中连续墙体的水平变形大小影响较大，铰接条件下墙体的水平变形值较刚接时增大了24.2%；另外接头形式的不同对连续墙体的水平变形整体趋势影响不大，但铰接接头条件下墙体的水平变形对基坑开挖深度较为敏感。

[1] 董秀竹，吴 浩，阮文军，等.武汉阳逻大桥南锚碇圆形深基坑变形的智能预测[J].世界桥梁，2005(1):40-42.

[2] 田 振，顾倩燕.大直径圆形深基坑基底回弹问题研究[J].岩土工程学报，2006,28(sup):1360-1364.

[3] 徐中华.上海地区支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形性状研究[D].上海：上海交通大学，2007.

[4] 熊 浩.圆形地下连续墙力学特性及其围护效果研究[D].武汉：湖北工业大学，2014.

[5] 罗耀武，凌道盛，陈云敏，等.环形超深基坑围护结构受力变形特性分析[J].岩土力学，2011,32(2):617-622.

[6] 胡明辉.深基坑地下连续墙变形及受力特性研究分析[J].山西建筑，2011,37(24):69-70.

[7] 佘海洋.圆形深基坑围护结构优化设计研究[J].隧道建设，2015,35(7):665-673.

Research on numerical simulation of different joint forms of cylindrical underground continuous wall

Chen Yu

(ShanghaiCISDIEngineeringLimitedCompany,Shanghai200940,China)

Based on the round continuous casting pool engineering example of Zhanjiang Donghai Island steel foundation, using the numerical simulation method, this paper made force analysis on the continuous wall structure with rigid joint and hinged joint, the results showed that the difference of joint connection forms had little influence to level deformation of wall, the horizontal deformation value of wall under articulated rigid connection increased 24%.

circular continuous wall, rigid connection, hinge, force deformation, numerical simulation

1009-6825(2017)03-0049-02

2016-11-09

陈 宇(1984- )，男，硕士，工程师

TU476.3

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