基于MIDASGTS地下连续墙接头分析

【摘要】地下连续墙是工程应用较多的一种围护与承重构件，其在施工过程中的安全性极为重要。因地下连续墙在施工中无法一次性完成需分幅进行，因此存在较多的接头部位。该部位对于连续墙是一薄弱位置。文中利用MIDASGTS有限元软件对不设支撑基坑开挖过程中地下连续墙柔性接头的变形和受力做一定的研究，通过分析发现在无支撑的情况下，位移随开挖深度的增加显著增大，在墙顶处位移最大。应力在首层土体开挖（10m深）與第二层（10m深）、第三层（10m深）土体开挖差异较大，首层土体开挖应力波动较大，但总体上看应力较大处集中在墙底处。从中说明基坑开挖过程中设置支撑对接头部位有很好的保护作用。

【关键词】地下连续墙；柔性接头；有限元分析

1、引言

随着我国城市化进程的快速推进，高层建筑、地铁等重要项目逐渐增多。高层建筑、地铁等项目的基坑在施工过程离不开地下连续墙这一重要的结构构件。其既可充当围护结构也可充当承重构件，即“两墙合一”。但这一结构构件在设计施工中存在的重难点是地下连续墙的接头部位。该部位是地下连续墙的薄弱位置。目前所应用的接头型式种类较多，有锁口管接头、工字钢接头、H型钢接头、Ⅱ型接头等。这些接头按照受力性质主要分为柔性接头和刚性接头两种。本文选用柔性接头作为研究对象，利用MIDASGTS有限元软件模拟软土地区该接头的受力和变形特点。

2、建模与计算

2.1 建立模型

研究当中选取的土体模型长36m，宽30m，厚50m；其中地下连续墙长36m，厚1m，深50m，墙体分为6幅，每幅长度为6m；地下连续墙的两侧均有土体，土体简化为2层，上层为粉质粘土，下层位为粘性土。图1为土体及连续墙整体模型。

模型中对于地下连续墙取中间位置的墙体，墙体底部采用固定端作为边界条件，每幅墙体之间的柔性接头采用铰接方式作为边界条件，如图2所示。

2.2 模型有限元计算

2.2.1 计算基本假定及具体参数

为简化计算，基本假定如下：土体为理想的弹塑性材料，同一种材料匀质各向同性，不考虑土体的排水固结，考虑土体与连续墙间的摩擦力，不考虑地下水的影响。土体及地下连续墙的具体参数如表1所示。

2.2.2模型计算过程分析

模型主要模拟基坑在开挖阶段地下连续墙接头处的变形及受力情况，基坑开挖主要经历三个施工阶段每个施工阶段开挖10m深土体，在计算过程中不设置支撑，仅考虑土压力作用下地下连续墙柔性接头处的变形和受力情况。土压力的施加因模型中地下连续墙墙体厚度选取1m，厚度较大，且在基坑开挖过程中所开挖部分的墙体后方土体呈现主动状态，故所施加的荷载选取主动土压力。参照文献[1]提供的理论计算方法并结合基本假定，主动土压力可简化为公式1.1。

在MIDASGTS中基坑的开挖过程通过钝化的方式进行模拟。第一施工阶段将首层开挖土体进行钝化，第二施工阶段将首层和第二层的土体进行钝化，第三阶段将首层、第二层和第三层的土体进行钝化。如图3所示。

3、模拟结果及分析

3.1 接头处变形分析

从有限元计算结果总体看，中间位置的各个连续墙柔性接头位移变化很协调，模型中各接头位移一致。在每一个开挖阶段，柔性接头处的变形主要为X方向（向基坑内的方向）和Z方向（沿着地下连续墙的深度方向）。Z方向的位移仅为X方向位移的0.8%，因此主要研究X方向位移的变化规律。

从模型中可以看出在基坑开挖过程中，若不施加水平支撑，地下连续墙柔性接头处X方向位移在每一开挖阶段从墙底至墙顶总体呈现逐渐增大的趋势，且在墙顶处位移较大。如图4所示。同时从图4中不难发现第二层和第三层土体在开挖后地下连续墙柔性接头处的位移基本一致，说明在第二层土体开挖时其位移已达上限。第二、三阶段土层开挖后墙体接头处位移与第一阶段土层开挖后墙体接头处位移差值亦呈现逐渐增大趋势，说明在接头深度越深的位置变形越明显，最易发生倾覆事故。

3.2接头处受力分析

在基坑开挖过程中不设置支撑时，中间位置连续墙柔性接头所受应力一致。每一阶段土体开挖所受应力变化规律如图5所示。从图中可以看出，柔性接头处的应力在第二层和第三层土体开挖时基本一致，没有较大变化，说明在开挖第二层土体时应力已达到上限。首层土体在开挖时接头处应力变化与其余两层土体开挖时应力差异较大，首层土体开挖后柔性接头处在10-20m深度处应力波动较大。总体上看，每一阶段土体的开挖亦是对墙底处的接头影响最大。

结论：

深基坑地下连续墙在开挖过程中若不设置支撑，地下连续墙柔性接头处位移变化比较明显，随着开挖深度的增加位移逐渐增大。在墙顶处的位移最大。而柔性接头处的应力随着开挖深度的增加呈现非线性的变化规律。在墙底和1/3墙身处波动比较明显。从总体上看，不设支撑对基坑开挖时，位移对连续墙接头处的安全性影响更大。因此施工过程当中必须设置支撑控制接头处的位移。保证整个墙体施工的安全性。

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作者简介：

臧园，硕士，讲师，单位：武汉科技大学城市学院，湖北武汉。