墙周土加固对双排地下连续墙结构的影响研究

陈文霞

摘 要：基于某扩建船闸中双排地下连续墙支护结构墙周土体加固处理的工程案例，研究墙周土加固效果对双排墙支护结构的影响。通过利用MIDAS GTS/NS有限元软件建立三维计算模型，对船闸基坑开挖过程进行数值模拟。针对墙周土加固刚度、加固深度及及墙间区加固宽度对双排墙支护结构的变形和内力影响进行了系统的分析。结果表明：墙周土加固可以较好地改善雙排墙结构的变形和内力，其中墙间区加固的效果明显;墙周土的加固刚度、宽度与墙间区的加固宽度均具有一个最优范围，当超过一定范围后，加固效果不再有显著提高。

关键词：双排地下连续墙;有限元模拟;土体加固;变形和内力

中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）11-0184-05

Study on the Influence of Soil Reinforcement Around the Wall on the Double-row Diaphragm Wall Structure

Chen Wenxia

（School of Civil Engineering & Transportation， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China ）

Abstract：Based on the engineering case of double underground continuous wall reinforcement in an expansion lock， the effect of wall reinforcement effect on double wall support structure is studied. Numerical simulation of the lock foundation pit excavation process was performed by establishing a 3 D calculation model using MIDAS GTS / NS finite element software. The influence of the supporting structure of the double row wall is analyzed. The results show that the deformation and internal force of the wall soil can improve the reinforcement of the double wall structure better ， including the reinforcement of the wall area; the reinforcement stiffness， width and the wall area have an optimal range， when the certain range， the reinforcement effect will no longer be significantly improved.

Keywords：double row underground continuous wall; finite element simulation; soil reinforcement; deformation and internal force

近年来，为了缓解航道的通行压力，现有不少地方在原有船闸的附近加建一个新的船闸。工程实践表明，在新建船闸的基坑工程中，直接进行土体开挖容易导致支护结构产生过大位移、带来较大地表沉降，进而影响基坑和周围环境的安全。因此实际工程中，常对土体进行加固处理来抑制基坑开挖过程中产生的过大变形[1]。

土体加固对基坑变形和周围环境的影响一直是众多学者和工程师关心的问题。张文超等（2015）对基坑主动区不同加固宽度与深度的组合条件进行数值模拟，讨论了主动区的合理加固范围[2]。李卓峰等（2017）通过现场静力触探测试获得加固土体真实强度值，结合有限元计算和实测数据，研究了坑底加固对周边土体位移的影响[3]。康志军（2017）等通过精细化数值模拟，分析了坑底加固土体的参数、加固深度及加固方式对地铁深基坑变形的影响[4]。熊伟等（2019）采用模型试验，对坑底土体裙边加固对基坑变形和支护结构的影响进行了探究[5]。

但随着地下工程迅速发展，在软土地区中传统单一的支护结构已难以满足实际要求，达到严格控制基坑的变形、保护周边建筑及环境的目的。因此，双排桩结构、双排地连墙结构及双排复合结构作为支护手段开始被应用于软土地区超大深基坑工程中[7-8];同时新型支护结构周围土体的加固效应也受到研究者们的关注。王祥秋等（2020）基于室内试验模型，对桩间土、桩侧被动区以及桩端土加固不同工况下的双排桩承载性状进行研究，发现桩间土加固的效果最好[9]。黄超煊等（2020）基于双排桩的预加固处理，研究分析了主动区、被动区及桩间土处理深度对双排桩支护结构的影响[10]。本文基于某扩建二线船闸基坑工程采用有限元软件进行数值分析，重点研究双排地下连续墙墙间区和主动区（本文简称墙周土）加固对支护结构的影响，从而为今后采用双排地下连续墙支护的工程提供参考。

1 工程案例

1.1 工程概况

某枢纽新建二线船闸的船闸闸室段基坑剖面图如图1所示，该工程位于某水利枢纽右岸滩地处的河谷平原地区。闸室段基坑开挖深度内以第四系全新统（Q4）的人工填砂及淤泥质粉质黏土混粉砂为主，坑底以下土层主要为粉细砂、卵石层以及中风化岩。勘察期间，地下水位在地表以下2.4～9.1 m。

新建船闸基坑为长条形，与原有船闸平行，距原有船闸底板边缘约38 m。闸室段基坑南北向长220 m，东西向宽65 m，开挖深度约15 m。基坑工程采用双排地下连续墙+内支撑支护，在靠近原有船闸侧采用双排地下连续墙支护，前排地下连续墙厚1.2 m，入岩止水，墙体埋深约36.5 m;后排地下连续墙厚1.0 m，不入岩层，墙体埋深约33.5 m。前后排墙净距13.8 m，在顶部采用2 m厚的连板相连。在基坑靠岸一侧，采用厚1.2 m单排地下连续墙支护，入岩止水。支撑的截面尺寸（高×宽）分别为：第一道1.1 m×1 m;第二道1.2 m×1.1 m，两者纵向间距为4.25 m。

1.2 支护结构土体加固方案

如图1所示，工程对双排地下连续墙间土、后排墙侧和单排墙侧的主动区土体均采用高压旋喷桩进行加固，桩穿透淤泥粉质黏土混粉砂层且桩底高程要超过土层1.5 m以上。其中双排地下连续墙侧主动区加固宽度约20 m，单排地下连续墙侧区加固宽度约26 m，加固深度均为17.5 m，墙间土加固至与主动区同一高程。

2 有限元模型建立与验证

2.1 数值模型的建立

本文采用MIDAS GTS/NX有限元软件建立三维简化空间模型，为尽可能减小边界约束对模型的影响，模型边界尺寸取280 m×68 m×90 m（长×宽×高），模型底部固定，在四周设置水平约束。模型中岩土体和原有一线船闸采用三维实体单元，连续墙采用板单元，而支撑、立柱等则采用梁单元来模拟。土体均采用硬化土（HS）模型[11]，该本构模型可采用不同的卸载模量和加载模量，能更好地反映土体卸荷时的土体硬化行为。土层物理力学参数的选取如表1所示。支护结构和一线船闸结构均采用弹性本构模型，其中结构材料参数如表2所示。同时，为合理考虑地下连续墙与土体之间的接触特性，在接触面设置界面单元，虚拟厚度系数tv 取0.1，界面强度折减系数R取0.8。

施工工况分析分为5步：①初始应力阶段：激活所有土体、荷载和边界条件，对相应区域土体进行加固处理，位移清零;②连续墙施工阶段：激活地下连续墙、立柱和灌注桩;③开挖1：设置第一道内支撑，开挖至-1.5 m;④开挖2：设置第二道内支撑，开挖至-6 m;⑤开挖3：开挖至-10 m。

2.2 模型计算结果及分析

选取闸室段某监测点的整理数据，各开挖步工况有限元计算结果和实测数据的墙体位移变化曲线对比如图2所示。在不同工况下，有限元计算结果与现场监测数据的变化趋势基本相似，曲线沿深度方向呈现“两头小中间大”的变化特征。其中，有限元计算的墙体水平位移最大值分别为26.5 mm （前排墙）、18.7 mm （后排墙）;与现场监测数据25 mm（前排墙）、16.2 mm（后排墙）相比，误差较小。且有限元计算位移结果与实测数据整体比较吻合，这说明本文的有限元模型较为合理。

3 墙周土加固效果的影响分析

为研究双排地下连续墙结构墙周土体的加固效应，本文结合上述工程案例，通过有限元模拟分析加固强度、加固深度对支护结构的影响。

3.1 加固土体刚度的影响

实际工程土体加固是通过注浆、水泥搅拌桩等措施改善相应区域土体的力学性能，以提高土体刚度抵抗变形。在数值模拟中，材料刚度的大小是通过设置不同的刚度模量来体现。本文的加固土体采用硬化土模型，割线刚度模量和加载切线模量取压缩模量Es，卸载-再加载模量取3倍的压缩模量Es。保持土体加固区域的宽度及深度不变，选取压缩模量分别为0、10、20、30、40、50、60和100 MPa的8个工况进行分析。图3是不同压缩模量值下的墙体位移变化曲线。

从计算结果来看，墙周土加固能有效改善双排墙支护结构的变形。随着墙周土压缩模量的增加，墙体位移越来越小，但前后排墙体的水平位移变化曲线存在一定的差异。当对墙周土进行加固处理，前排墙墙体的水平位移整体明显减小，Es=10 MPa时最大水平位移为34.7 mm，比未加固时最大水平位移58.1 mm下降了40.3%;后排墙的墙体位移只在坑底上方处有显著减小，加固后位移曲线由近似直线分布变为“鼓肚型”分布。同时，当加固土体的刚度模量增加到一定值后，墙体水平位移的减小趋势越来越缓。这说明加固土的刚度模量存在一个最优值。

3.2 加固深度的影响

选取不同的墙间区和主动区加固深度（分别取0、5、10、15、20和25 m），依次进行组合，对组合的36个工况进行分析。图4为不同组合条件对应的前、后排墙墙体最大水平位移。从图4可知，墙间区和主动区采取不同的加固深度，增加墙间区土体加固深度更能有效地改善前排墙体的位移。当未进行墙间区加固时前排墙最大水平位移值为52.1 mm;加固至25 m时能控制前排墙最大水平位移值至26.5 mm，降低了49.1%。同时，随着主动区加固深度的增加，后排墙最大位移也有所减小，但对比前排墙位移的减小十分微弱。

墙间区和主动区不同加固深度下前后排墙墙体最大水平位移差值如图5所示;图6为墙周土分别加固0、5、10、15、25 m时前、后排墙最大弯矩的变化曲线。由图5可知，增加墙周土的加固深度能减小前后排墙墙体的最大位移差值，改变墙间区的加固深度时效果最为显著。由图6可知，随着墙周土加固深度的增加，前排墙最大弯矩减小幅度较大。由此可知，在墻周土加固至坑底以下时，墙体最大位移差值和最大弯矩值变化幅度越来越小，因此，墙间区加固深度为墙周土加固基坑深度的1.2～1.5倍时能有利于加强土体与支护结构的相互作用，有效地协调前、后排墙的变形和受力。

4 墙间区加固宽度的影响分析

主动区加固深度和宽度保持工程实际方案不变，选取墙间区不同加固宽度（沿前排墙加固宽度依次分别取0、4、8、12和14 m）进行分析。图7和图8分别为墙间区不同加固宽度下前排墙的位移和弯矩变化曲线。

由图7可知，随着墙间区加固宽度的增加，前排墙的墙体位移和弯矩都在减小，墙体中部范围（-14～-20 m）内的位移和弯矩值变化幅度较大，且前排墙最大弯矩的位置也有所下降。这可能是由于增加墙间区的加固宽度可使墙间区土体的抗弯刚度增大，提高墙与土的复合刚度，从而改善了前排墙的变形和内力。但当加固宽度增加至8 m后，前排墙和墙体位移和弯矩值不再有显著的减小，且逐渐趋于稳定。由此可见，墙间区的加固宽度存在一个界限值，一般在0.5～0.9倍的墙体间距范围能达到较好的效果。

5 结语

通过建立三维有限元模型，模拟扩建船闸基坑的开挖过程，系统分析了双排地下连续墙墙周土刚度模量、加固深度和墙间区加固宽度对支护结构的影响，得到以下结论：（1）墙周土加固对改善双排地下连续墙支护结构的变形和内力有明显的积极效果。随着加固土体刚度模量的增大，前、后排墙的水平位移减小，但这种减小趋势逐渐趋于平缓。因此实际工程中，建议进行一定的经济分析，合理控制加固土体的刚度模量，进而优化投资。（2）随着墙周土加固深度的增加，前、后排墙的最大水平位移有所减小。但合理的加固深度应在坑底以下，1.2～1.5倍基坑开挖深度为宜，可充分协调前、后排墙的变形和内力。（3）对墙间区进行加固处理时，可显著提高墙体与桩间土的相互作用，增强墙土复合体的刚度，进而有效地减小前排墙的位移和内力。墙间区加固宽度的变化对前排墙的水平位移和弯矩影响较大，墙间区加固宽度在前、后排墙间距的0.5～0.9倍较经济合理。

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