（岩土工程专业论文）城市下穿结构施工数值模拟.pdf

合肥工业大学 i i i itei f1 1j ! l lli it iilli 18 8 6 8 5 1 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 主席： 委员： 导师： 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 雠。2 幻落钨洋应啵 名叛 夕一九驴密疋 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知， 除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得金旦墨互些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：乒多勿签字日期：2 ，驴。f 年中月圬日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月墨工些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 盒月曼：些厶 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：夏蹈缛 导师签名： 签字日期：弦f f 年z f 月砺日签字目期：勃年，月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：彳锨荡肥卒玖抛f 哺 通讯地址： 刍8 函乍 电话：i s 芎口多6 7 研矿 邮编： 城市下穿结构施工数值模拟 摘要 城市下穿路线在市政道路修建中应用越来越广泛，城市下穿较多采用明挖 的方式进行，采用桩和盖顶。这种施工方式需要开挖较深的桩孔，而且成桩麻 烦。可以借助其他形式改变下穿的模式。本文提出地下连续墙与支护一体化结 构基础是深基础的一种占地面积小、施工对周围环境的影响小、旌工时噪音低、 振动少、施工深度大、防水性能和耐久性均较好、适用地质条件范围比较广的 一种基础结构。地下连续墙与支护一体化结构只要保证其强度和刚度，就可以 充分的利用其内部空间作为种通道，不但可以解决基础问题，也可以有较好 的整体刚度和稳定性。 本文正是基于地下连续墙与支护一体化结构的可以作为开挖基坑时的临时 支挡结构，可以发挥其刚度大，整体性好的特点，稳定性强和刚度好，以此作 为地下连续墙与支护一体化结构应用于城市下穿结构作为研究对象。为了确保 地下连续墙与支护一体化结构有可靠的应力和变形稳定性的要求，同时对地下 连续墙与支护一体化结构的施工可能采用按照地质条件分层开挖和均层开挖的 方式进行数字模拟和计算分析。由于地下连续墙与支护一体化结构中间部分有 多种形式，可以有单孔和多孔的，本文按照现实条件将地下连续墙与支护一体 化结构分为单孔的和有隔墙的两种形式进行结构的模拟。对于多, l - j 2 n 荷载，由于 在城市应用道路下穿比较多，故将荷载可以施加两边对称均衡的超载和单边加 载超载情况进行荷载的施加。以此建立模型，进行数据模拟分析，找出其应力 和位移变形的可靠性。 关键词：城市下穿结构；地下连续墙；应力；位移；有限元 u n d e r c r o s s i n gs t r u c t u r ea n de n g i n e e r i n gn u m e r i c a l n s l mu l a t i o n a b s t r a c t w h e nt h eo p e ne x c a v a t i o n ，p i l e sa n dr o o fa r ec o m m o ni nt h ec o n s t r u c t i o no f c i t e s r o a d ，t h eu n d e r c r o s s i n gr o a da r em o r ea n dm o r ep o p u l a ri nt h em u n i c i p a l b u i l d i n g s t h i sa p p r o a c hr e q u i r e sd e e pe x c a v a t i o no fp i l eh o l e ，a n dt h e r ea r em a n y p r o b l e m sd u r i n gt h i sp r o c e s s o t h e rf o r m sc a nb eu s e dh e r et oi m p r o v ec a nb et h e u n d e r c r o s s i n g t h i sp a p e rp r e s e n t st h a tu n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l li sab e t t e ra n d r e l a t i v es t r u c t u r e ，w h i c hi so fw i d er a n g ei ng e o l o g i c a lc o n d i t i o n s t h i ss y s t e mi s b a s e do nt h ei n t e g r a t i o no fas i n a i la r e ao fd e e pf o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o no nt h e s u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t ，t h ec o n s t r u c t i o no fl o wn o i s e ，j o wv i b r a t i o n ，c o n s t r u c t i o n d e p t ha n dw a t e rr e s i s t a n c ea n dd u r a b i l i t y a sl o n ga st h es t r e n g t ha n dr i g i d i t ya r e g u a r a n t e e d ，t h eu n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l la n ds u p p o r ti n t e g r a t e ds t r u c t u r ec a n b et a k e nf u l lu s eo fi t si n t e r i o rs p a c ea sac h a n n e l ，n o to n l yh a v et os o l v e b a s i c p r o b l e m s ，b u ta l s ot h e r ei sag o o dr i g i d i t ya n ds t a b i l i t y t h i sp a p e ri sb a s e do nu n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l la n di n t e g r a t e ds u p p o r t i n g s t r u c t u r eo ft h ee x c a v a t i o np i ta sat e m p o r a r ys u p p o r t i n gs t r u c t u r e i tc a nf u l f i l ji t s r i g i d i t y ，f e a t u r e s ，s t a b i l i t ya n ds t i f f n e s s u s i n gi t a sa nu n d e r g r o u n d r e t a i n i n gw a l l ， t h ea p pl i c a t i o no fi n t e g r a t e ds t r u c t u r eo ft h ed e f o r m e ds t r u c t u r eb e n e a t ht h e s t r u c t u r eo ft h ec i t yi sa no b je c to ft h er e s e a r c h i no r d e rt oe n s u r et h es t r e s sa n d d e f o r m a t i o ni nt h ec o n t i n u o u su n d e r g r o u n dw a l la n ds u p p o r t i n gs t r u c t u r e s ，t h e u n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l la n ds u p p o r tt h ec o n s t r u c t i o no fi n t e g r a t e ds t r u c t u r e c a nb eu s e di na c c o r d a n c ew i t ht h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dw e r es t r a t i f i e d e x c a v a t i o n w a yt h r o u g h t h el i n e d i g i t a l s i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o n t h e u n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l l a n ds u p p o r ts t r u c t u r eo ft h em i d d l e p a r to ft h e i n t e g r a t i o n o fm a n yf o r m sc a nh a v eas i n g l eh o l ea n dp o r o u s ，t h i sa r t i c l ei n a c c o r d a n c ew i t ht h ea c t u a lc o n d i t i o n so ft h eu n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l la a d s u p p o r t s t r u c t u r e i n t e g r a t e d i n t oas i n g l eh o l ea n dt w ow a l l s s i m u l a t i o no f s t r u c t u r a lf o r m s f o rt h ea p p l i e dl o a d ，d u et ot h ew e a ru n d e rt h er o a d si nt h ec i t y a r em o r ea p p l i c a t i o n s ，i tw i l ll o a db a l a n c ec a nb ea p p l i e do nb o t hs i d e s0f s y m m e t r i c a ll o a do v e r l o a da n do v e r l o a d i n gt h es i d el o a da p p l i e d t h eb a s i so ft h is m o d e l ，s i m u l a t ed a t aa n a l y s i st oi d e n t i f yt h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n td i s t o r t i o no f r e l i a b i l i t ya r es h o w n k e y w o r d s u n d e r c r o s s i n gs t r u c t u r ei nc i t y ；u n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l l ；s t r e s s ； d i s p l a c e m e n t ；f i n i t ee l e m e n t ffjjjjiifffjjjijliiffijjjllifffif_ 致谢 非常感谢本文作者的指导老师王国体教授三年来对我的学习的帮助和指导， 对论文的从开题报告到论文的最终完成都给予的悉心指导和莫大的帮助。本文 的完成过程，也是对作者一次学习和锻炼的过程，从中学习和体会到王老师的 随和与专心于学术的精神，也感谢王老师对作者生活中的帮助和关心，再次， 对王国体老师表示由衷的感谢和深切的敬意。 同时还要感谢建模和论文写作过程中同门师兄弟的帮忙和指导，感谢共同 学习和生活三年的同学苏文杰、李明亮、鲍大春、江彬。 由衷的感谢培养和教到作者多年的母校合肥工业大学和各位老师的学习指 导，从他们的授课中学到很多专业性的知识，开阔了我的视野，并奠定了扎实 的理论基础。也非常感谢培养我多年的父母和家人，他们一直默默无闻和无私 的支持是作者得以安心学习的动力。 还要感谢各位评委老师的指导 作者：吴路辉 2 0 11 年4 月1 4 日 目录 第一章：绪论1 1 1 地下连续墙与桩的介绍和优缺点1 1 2 国内外地下连续墙施工技术研究现状3 1 3 研究背景和意义5 1 4 本文所要做的主要工作和研究的主要内容5 第二章地下连续墙设计计算简介7 2 1 地下连续墙在水平荷载作用下的内力与变形计算7 2 2 地下连续墙在竖向荷载作用下内力与变形计算8 第三章m i d a s 的简介15 3 1m i d a s 功能介绍15 3 2m i d a s g t s 的数值分析模型1 5 3 3 数值模拟注意问题1 6 第四章马鞍山下穿结构的工程概况1 8 4 1 工程地质条件18 4 2 工程概况2 0 4 3 地基土( 岩) 承载力及桩基参数的确定2 2 4 4 方案对比2 2 第五章下穿结构的数值模拟和分析2 4 5 1 计算区域的选择和坐标选取2 4 5 2 网格的设置和划分2 4 5 3 结构模型2 5 5 4 计算材料参数2 6 5 5 工况情形介绍2 6 5 6 地下连续墙与支护一体化结构施工期三维有限元计算模拟2 7 第六章结论与展望5 9 6 1 主要研究的成果5 9 6 2 不足与展望6 0 参考文献6 1 插图清单 图5 1 结构有限元计算模型实体地基土体模型选取区域2 4 图5 2 下穿结构有限元计算结构模型( 三道竖墙模型) 2 5 图5 3 下穿结构有限元计算结构模型( 两道竖墙模型) 2 5 图5 4 模型土体的周边边界约束情况2 7 图5 5 土体初始应力z 方向应力( 单位k n m 2 ) 2 8 图5 - 6 土体初始应力在y 轴方向应力( 单位k n m 2 ) 2 8 图5 7 土体在x 方向的应力( 单位k n m 2 ) 2 9 图5 8 在无初始应力状态下开挖第四阶段土体开挖下沉x 方向应力情况3 0 图5 9 在无初始应力状态下每次开挖2 m 第四阶段土体下沉x 方向应力情况3 0 图5 10 在无初始应力状态下开挖第四阶段土体开挖下沉z 方向应力情况31 图5 11 在无初始应力状态下每次开挖2 m 第四阶段土体下沉z 方向应力情况 3 】 图5 1 2 在无初始应力状态下开挖第四阶段土体开挖下沉z 方向位移情况3 3 图5 13 在无初始应力状态下每次开挖2 m 第四阶段土体下沉z 方向应力情况 ：3 3 图5 1 4 在无初始应力状态下开挖第四阶段土体开挖下沉x 方向位移情况3 4 图5 1 5 在无初始应力状态下每次开挖2 m 第四阶段土体下沉x 方向应力情况 3 z i 图5 1 6 施加初始应力荷载图3 6 图5 17 初始加入荷载的x 轴方向的应力3 7 图5 1 8 初始加入荷载的z 轴方向的应力3 7 图5 1 9 在初始加荷载状态下第四阶段开挖在x 轴方向的应力3 8 图5 2 0 在有初始应力状态下每次开挖2 m 第四阶段土体下沉x 方向应力情况 3 8 图5 2 1 在初始加荷载状态下第四阶段开挖在z 轴方向的应力3 9 图5 2 2 在有初始应力状态下每次开挖2 m 第四阶段土体下沉z 方向应力情况 3 9 图5 2 3 初始加荷载状态下第四阶段开挖在x 轴方向的位移4 0 图5 2 4 在有初始应力状态下每次开挖2 m 第四阶段土体下沉x 方向位移情况 4 1 图5 2 5 在初始加荷载状态下第四阶段开挖在z 轴方向的位移4 1 图5 2 6 在有初始应力状态下每次开挖2 m 第四阶段土体下沉z 方向位移情况 4 2 图5 2 7 在初始加荷载状态下第四阶段开挖在x 轴方向的应力4 3 图5 2 8 有初始应力状态下非均层开挖在x 轴方向的应力4 4 图5 2 9 在初始加荷载状态下第四阶段开挖在z 轴方向的应力4 4 图5 3 0 有初始应力状态下非均层开挖在z 轴方向的应力4 5 图5 31 初始加荷载状态下第四阶段开挖在x 轴方向的位移4 6 图5 3 2 有初始应力状态下非均层开挖在x 轴方向的位移：4 6 图5 3 3 在初始加荷载状态下第四阶段开挖在z 轴方向的位移4 7 图5 3 4 有初始应力状态下非均层开挖在z 轴方向的位移4 7 图5 3 5 在有初始应力状态下每次开挖2 m 第四阶段土体下沉x 方向应力情况 。4 9 图5 3 6 在有初始应力状态下每次开挖2 m 第四阶段土体下沉x 方向应力情况 。4 9 图5 3 7 在有初始应力状态下每次开挖2 m 第四阶段土体下沉z 方向应力情况 5 ( ) 图5 3 8 在有初始应力状态下每次开挖2 m 第四阶段土体下沉z 方向应力情况 5 ( ) 图5 3 9 在有初始应力状态下每次开挖2 m 第四阶段土体下沉x 方向位移情况 5 1 图5 4 0 在有初始应力状态下每次开挖2 m 第四阶段土体下沉x 方向位移情况 5 2 图5 4 1 在有初始应力状态下每次开挖2 m 第四阶段土体下沉z 方向位移情况 5 2 图5 4 2 在有初始应力状态下每次开挖2 m 第四阶段土体下沉z 方向位移情况 5 3 图5 4 3 再有初始应力状态下荷载为偏压是的模型5 4 图5 4 4 在有初始应力状态下第四阶段土体下沉x 方向应力情况5 5 图5 4 5 在有初始应力状态下第四阶段土体下沉z 应力位移情况5 5 图5 4 6 在有初始应力状态下第四阶段土体下沉x 方向位移情况5 6 图5 4 7 在有初始应力状态下第四阶段土体下沉z 方向位移情况5 7 图5 4 8 墙厚与选点的位移图5 8 插表清单 表2 1 地下连续墙内力计算理论和方法及使用条件8 表2 2 土与地下连续墙间单位面积摩阻力值10 表4 ，1 地基土( 岩) 承载力基本容许值及相关桩基参数表。2 2 表4 2 主体结构方式比较2 3 表5 1 各种材料的物理力学参数值2 6 表5 2 下穿地下连续墙与支护一体化结构的水平和竖向最大应力( 墙厚0 6 m ) 3 2 表5 3 下穿地下连续墙与支护一体化结构的水平和竖向最大位移( 墙厚0 6 m ) 3 5 表5 - 4 下穿地下连续墙与支护一体化结构的水平和竖向最大应力( 墙厚0 6 m ) 4 0 表5 5 下穿地下连续墙与支护一体化结构的水平和竖向最大位移( 墙厚0 6 m ) 4 2 表5 - 6 下穿地下连续墙与支护一体化结构的水平和竖向最大应力( 墙厚0 6 m ) 4 5 表5 7 下穿地下连续墙与支护一体化结构的水平和竖向最大位移( 墙厚0 6 m ) 4 8 表5 。8 下穿地下连续墙与支护一体化结构的水平和竖向最大应力( 墙厚0 6 m ) 51 表5 - 9 下穿地下连续墙与支护体化结构的水平和竖向最大位移( 墙厚0 6 m ) 5 3 表5 1 0 下穿地下连续墙与支护一体化结构的水平和竖向最大应力( 墙厚0 6 m ) 5 6 表5 11 下穿地下连续墙与支护一体化结构的水平和竖向最大位移( 墙厚o 6 m ) 5 7 表5 1 2 墙厚与选点的位移数据表5 8 第一章：绪论 社会经济的发展以及人们生活水平的提高使交通服务水平面临新的挑战。 近年来，合肥市特别是几条主干路及中心城区的交通拥挤不断加剧，交通拥堵 路段的分部范围逐步扩大；马鞍山路每天早晚峰时段出现较为严重的堵车状况， 特别是马鞍山与南一环交叉口的交通同行已达饱和状况，交通安全形势也极为 严峻；交通环境持续恶化，机动车尾气污染和噪音污染逐年加剧。随着生活水 平的提高，人们对交通出行的机动性、畅达性、舒适性等提出了新的要求，对 交通安全和环境保护也提出了更高要求在城市建设的同时，也是对环境的一次 美化，由于建设项目数量和规模的扩大，地面空间日益有限，高架的高度超过 了地面建筑两层以上，对周围的居住区环境也有较大的影响，所以现在大部分 的城市道路相交的地方多采用城市下穿的地下结构形式。 1 1 地下连续墙与桩的介绍和优缺点 按照地下建筑物和构筑物的施工方法，可以将地下结构分为明挖法、盾构 法、矿山法修建地下工程，由于城市下穿大多是浅层建筑，多采用明挖法i 4 引。 明挖法施工简单、方便，便于修建与地层表面附近( 浅埋) 的地下工程多 属于明挖法修建地下工程，这些过程包括有地下街，地下商场，停车场，地铁 等等。这类的工程的主体结构的建造，实际上采用的是一种开敞式的施工方法， 与地面结构的建造方法类似，在主体结构完成后，然后掩盖覆土，恢复地面。 人类在认识自然和生产实践活动的过程中，是由易到难的。明挖法或者开 敞式施工，是地下工程常用的施工方法，除了施工简单、方便外，在一定地层 和埋藏深度下往往较其他方法节省工程费用，但是这种方法要占用地面，也会 对地面有一定的影响。当开挖深度较大的时候，需要支护系统也比较复杂，工 程费用也不一定比暗挖法节省。这时可以考虑采用整体结构施工，减少支护系 统。 在基础设计时，如果建筑场地浅层土不能满足建筑场地对地基承载力和变 形的要求，又不适宜采取地基处理措施，就要考虑以下部坚实土层或岩土层作 为持力层的深基础方案。常用的深基础形式主要有：桩基础、沉井基础、沉箱 基础、地下连续墙等，目前应用较多也较好的有地下连续墙和桩基础。 地下连续墙是利用专门的挖槽设备，沿深基础或者地下结构的周边，在采 用泥桨护壁的方法，在土中开挖一条具有一定宽度、长度和深度的深槽，然后 安放钢筋笼，浇筑水下混凝土，形成一个单元的墙段。各单元段之间以各种特 制接头相互连接，逐步形成道就地灌注的连续的地下钢筋混凝土墙。 地下连续墙施工方法与其他施工方法相比具有的优点 ( 1 ) 能适应各种的地质条件，可以穿越软土地层、砂卵石层并且进入风 化的岩石层。目前我国除了岩溶地区和承压水头很高的沙砾层难易采用外，在 其他土质中均可以应用地下连续墙。其施工深度国内已有超过8 0 m ，国外达到 1 4 0 m 记录。不受高地下水位的影响，无需采取降水措施，可避免降水对邻近建 筑物的影响1 4 3 1 。 ( 2 ) 可以减少工程施工对周围环境的影响，施工时噪音低，振动少，现 在城市建设中对“建筑公害”的限制越来越严，地下连续墙的这一优点更凸显出 来。 ( 3 ) 施工时可以作为开挖基坑时的临时支挡结构，可以发挥其刚度大， 整体性好的特点。当下部结构完成后又可以作为地下主体结构的一部分，从而 节约工程造价。同时当其用于基坑开挖支护时，变形小，基坑周围地面沉降小， 在建筑密集、构筑密集的地方可以施工，对邻近建筑物、地面交通和地下设施 影响较小，能够紧邻相近的建筑物及管线施工。 ( 4 ) 施工可以完全机械化施工，工效高，施工速度快，劳动条件得到改 差 口o ( 5 ) 作为一种连续整体结构，其使用范围比较广。由于其整体性，防水 性能和耐久性均较好，具有强大的强度和刚度，故除了可以用作地下主体结构 的一部分，或单独作为地下结构的外墙，亦或作为承重的深基础之外，还可以 作为防渗及隔振墙等。 ( 6 ) 地下连续墙从其承受荷载来看，在无明显坚硬持力层的情况下，地 下连续墙基础可以获得较大的承载力。地下连续墙基础的承载力不仅比桩基础 的承载力大而且比沉井基础的承载力也大。日本通过实测对比试验发现，在水 平力作用下的地下连续墙基础的位移和转角都较小。 地下连续墙存在的不足和局限性 ( 1 ) 弃土和废泥浆的处理问题，除了增加工程费用外，如果处理不当， 还会引起新的环境问题。 ( 2 ) 如果施工不当或者土层条件特殊，容易出现不规则超挖或者槽壁坍 塌，引起槽壁坍塌的原因有地下水位急剧上升、泥桨护壁液面急剧下降、有较 软疏松或砂性夹层，以及泥浆指标参数不当或已经变质等，而槽壁坍塌轻则引 起墙体混凝土超方和结构尺寸超出允许范围，重则引起相邻地面沉降、坍塌， 危害邻近建筑和地下生命管线的安全。 ( 3 ) 与板桩、灌注桩及水泥搅拌桩相比，地下连续墙造价较高，对其选 用经过技术比较，确认采用合理性后才可选用。 ( 4 ) 地下连续墙施工设备造价昂贵，施工技术复杂，对施工质量要求高， 若施工管理不善，则效率低下，质量达不到要求，易发生施工事故，故该技术 推广受到一定限制。 端承桩桩基础是一种通过承台把若干根桩的项部组成共同体，共同来承受 2 动静荷载的深基础，而桩是置于土中的竖向或倾斜的基础构建，其作用在于穿 越软弱的高压缩性水层和水，将桩所承受的荷载传递到更硬、更密实或压缩性 较小的持力层上，通常将桩基础中的桩称为基桩。 而桩基具有承载力较高，沉降量小而均匀，抗震性好，抗力能力墙等优点， 且对地质条件适应性强，容易满足各种建筑物的不同要求。同时还有以下优点： 1 节省不少材料和开挖的土方量；2 施工中可免去深基坑开挖经常遇到的防水 问题、防漏的坑壁支撑等复杂问题；3 桩可长可短，适用于持力层的层面起伏 不平的变化；4 施工方法灵活，既可以采用预制桩，也可以采用现场灌注桩， 易于适应不同的地质条件和场地环境；5 既可承受压力，又可承受拉力、弯矩， 适用于不同的工作方式。桩基一般比较适用于以下情：1 软弱地基或某些特殊 性土上的各类永久性建筑物，不允许地基有较大的沉降和不均匀沉降时；2 对 于高重量建筑物，如高层建筑物、重型工业厂房和仓库、料仓等，地基承载力 不满足设计需要时；3 对桥梁、码头、烟囱、输电塔等结构物时，宜采用桩基 以承受较大的水平和上拔力时；4 对精密或大型的设备基础，需要减小基础振 幅、减弱基础振动对结构的影响时；5 在地震区，以桩基作为地震区结构抗震 措施或穿越可液化地基时；6 水下基础，施工水位较高或河床冲刷较大，采用 浅基础施工困难或不能保证基础安全时。 通过地下连续墙和别的施工方案的比较发现地下连续墙在旌工中比桩基 础有更多的优点：1 在城市下穿结构中，需要土体的开挖，虽然桩基础可以不 用开挖桩间土体，但是相对地下连续墙和支护一体化结构没有优势：2 城市下 穿需要开挖土方，土体的开挖经常会遇到水的问题，地下连续墙的防漏、抗渗 性更好；3 桩的施工深度比较大，但是城市下穿开挖深度，地下连续墙也满足 要求；4 地下连续墙可以采用现场浇筑和现场预制的；5 地下连续墙相比桩基 的排桩形式墙，在施工中可以使支护和地下连续墙作为一个整体，成为一体化， 对称分布，整体刚度大，稳定性好。由于采用地下连续墙和支护一体化措施， 则整体性强、稳定性好，有较大承载面，能承载较大的水平荷载，墙壁可以作 为旋工时的挡土和挡水的围堰结构物，故选取地下连续墙和支护一体化的结构 作为模拟对象【i 5 - 2 6 j 。 本文与采用地下连续墙的类似形式使用与城市下穿结构，地下连续墙作为 两侧土体的挡土结构墙体，在墙体之间用浇筑的混凝土梁作为两道连续墙或者 三道连续墙相互连接结构，以上下支护之间的部分作为下穿道路的路线部分， 用于车辆的通行。 1 2 国内外地下连续墙旖工技术研究现状 地下连续墙也是一种特殊的强梁基础形式。该施工技术于1 9 5 0 年最早出 现于意大利实施的两项工程，即s a n t am a l i a 大坝下深度大4 0 m 的防渗墙( 截 水止漏) 以及v e n a f r o 附近的储水池及引水工程中深达3 5 m 的防渗墙。以后， 3 相继传入法国、德国、墨西哥、加拿大和日本等国，技术上得到不断的改进和 发展，又被用于深基坑施工中作为临时支护结构以代替板状支护结构来防渗和 挡土、逐渐扩大到高层建筑的地下室、地下停车场、地下街道、地铁等地下建 筑的外墙或侧壁结构。日本( 1 9 7 5 年手都高速公路5 号线) 在原有地下连续墙 的基础上，将墙体用接头的技术成功在平面上连接成一个封闭的矩形、八角形、 井字形和圆形等不同结构形式的地下连续墙基础作为特殊的桥梁基础形式，称 为地下连续墙井箱基础【4 川。 我国于1 9 5 8 年开始，在北京密云水库白河主坝等水利工程中采用地下连 续墙作为防渗墙。1 9 7 6 年以后，逐渐推广到高层建筑地下室、地下停车场、地 铁工程、矿山等建设项目的施工中。我国2 0 世纪9 0 年代公路交通部门在修建 虎门大桥时才开始其在深水建设领域的应用与研究，该桥西锚锭为重力式锚定， 采用外径6 1 m 、内径5 9 4 m 、壁厚o 8 m 的连续墙。其后在润江长江公路大桥( 2 0 0 2 年) 基础中采用直径为3 0 5 m 、内壁1 4 m 、深3 0 r n 的圆形连续墙。总的来说， 与国外相比，尚待继续发展和提高。 地下连续墙的研究方法主要包括了物理模拟法、经验公式法、数值解析法， 数值模拟法以及实时监测法。物理模拟法是通过现场及室内模拟试验，利用相 似原理进行模拟的。但是，由于地下连续墙工程中有许多难以模拟和不可预测 因素，因此物理模拟方法多用于科研和理论研究，很少直接应用于实际工程。 经验公式法是通过对现有的工程实测资料进行有意义的统计分析而得出一 些有用的规律性认识。此法在目前的沉井工程中应用广泛，特别是在沉井施工 中土体移动和地面稳性问题上有许多可借鉴的公式。 数值解析法是半理论的解析方法，主要应用极限平衡理论，通过分析工程 体系中变形和受力情况，推导出土体变形和施工参数之间的关系式。所有的解 析法都需要事先假定土压力的分布形式，这是解析法的最大缺陷。 数值模拟法能较好地模拟土与结构的复杂力学性质，但是，通常的基础工 程的数值分析成败的关键是能否建立反映土的物理性质的模型以及土与结构相 互作用的模型。在建模过程中，若采用线弹性有限元本构模型，虽然需要参数 少、计算简便，在某些情况下可以满足工程要求。但是土体的应力应变关系明 显不同于金属和混凝土等材料，表现出明显的非线性特性，因此需要采用土体 非线性本构模型【4 2 1 。此外，连续墙与周围土体相互作用的接触面问题，也是中 外学者研究的重点。目前接触面模型主要有以下几种： f 1 ) c l o u g h 和d u n c a n 等提出的双曲线模型； ( 2 ) 陈慧远提出的弹塑性模型； f 3 ) 钱家欢提出的粘弹塑性模型； f 4 ) 殷宗泽提出的刚塑性模型。因此，要建立精确的地下连续墙与支护一体 化下穿结构施工过程的力学模型是很困难的，目前还没有很好的地下连续墙与 4 支护一体化下穿结构工程的数值模拟算法可供借鉴【2 7 卫9 1 。 由于岩土工程本身以及施工环境等诸多的不确定因素，使得连续墙施工的 过程难以建立精确的力学模型。即使根据施工中结构的受力特点，利用一些假 定或简化，所求的不同工况工程的结果与真实量测的吻合程度也不尽相同。 1 3 研究背景和意义 由于地下连续墙能适应各种的地质条件，可以穿越软土地层、砂卵石层并 且进入风化的岩石层；可以减少工程施工对周围环境的影响，施工时噪音低， 振动少；施工后可以作为开挖基坑时的临时支挡结构，可以发挥其刚度大，整 体性好的特点；当下部结构完成后又可以作为地下主体结构的一部分，从而节 约工程造价。同时当其用于基坑开挖支护时，变形小，基坑周围地面沉降小， 在建筑密集、构筑密集的地方可以施工，对邻近建筑物、地面交通和地下设施 影响较小，能够紧邻相近的建筑物及管线施工：施工可以完全机械化施工，工 效高，施工速度快，劳动条件得到改善；作为一种连续整体结构，其使用范围 比较广；在水平力作用下的地下连续墙基础的位移和转角都较小。由于其有众 多的优点和一些缺点，可以把其优点和别的结构形式进行结合，形成一个充分 发挥优势和变形模式来为工程服务。 同时连续墙的工程还牵涉到多门学科，包括土力学、工程地质学、地下结 构力学、水文地质学等等，还有监理、检测、施工等相关的知识。并且岩土工 程本身具有复杂性和地下连续墙结构施工过程中有一些不确定性因素，也使得 这样一个工程在数值模拟仍没有很好的规律借鉴。该工程的结构形式尤其有自 身的特点：一是把连续墙和上下支护中间部分空间作为城市下穿的一部分，充 分利用其内部空间作为车辆行驶的道路空间；二是采用明挖法对对地下连续墙 和支护一体化结构的下沉，还要满足道路路线的要求；三是要最后完成上顶板 的浇筑或者用预制板作为上顶板来行驶车辆。由于目前还没有此项目的施工， 没有类似的工程经验借鉴，对此项目研究还要依靠借鉴沉井技术的发展和完善。 1 4 本文所要做的主要工作和研究的主要内容 目前对地下连续墙与支护一体化结构的分析主要是按照分开的方式进行的， 没有作为一体化按照地基基础主体进行的数值模拟分析，很大程度是作为深基 础的基坑的临时支护代替板状结构，进行数值模拟进行分析，地下连续墙与支 护一体化结构从连续墙和支护的设计、制作到下沉、封底各个环节，都需要进 行科学的分析和计算，制定出安全、经济和切实可行的施工方案，保证地下连 续墙与支护一体化结构在施工期间能够顺利的下沉，并且在以后的使用当中有 足够的安全储备。目前地下连续墙与支护一体化结构按照土压力分布计算，此 计算较多采用库仑土压力理论，朗肯土压力理论以及静止土压力理论等理论方 法。本文在地下连续墙整体式用于下穿结构形式中对于施工过程进行了有限元 数值模拟。本文重点对施工期及其过程中的应力一应变经行了计算分析，从而 得出施工中及其结束在地面荷载作用下不同位置的最大位移场和应力场的发展 变化规律，从而找出较优的工况和连续墙厚度。 6 第二章地下连续墙设计计算简介 地下连续墙设计内容与该结构在旋工与使用期间所发挥的作用相关，根据 需要可对其水平承载力和竖向承载力加以计算，以确保结构在不同期间的安全 性和稳定性。目前国内外对地下连续墙的研究，在施工技术的发展、入土深度 的确定、地基隆起和稳定计算，墙侧土压力理论和位移计算等方面的研究比较 深入。对地下连续墙做竖向承重结构计算，主要集中在地下连续墙竖向承载力 的模型试验和现场承载力试验、承重式地下连续墙与基础结构的沉降协调、荷 载分担以及结构设计的研究。 2 1 地下连续墙在水平荷载作用下的内力与变形计算 地下连续墙作为基坑开挖施工过程中的防渗挡土结构，是由墙体、支撑及 墙后土体组成的共同作用受力体系。它受力变形状态与基坑形式、开挖深度、 墙体刚度、支撑刚度、墙体入土深度、土体特性以及施工工序等诸多因素相关。 地下连续墙破坏可分为稳定性破坏和强度破坏两种情况。稳定性破坏有整体式 失稳( 整体滑动、倾覆) ，基坑隆起、管涌或流砂现象；强度破坏则主要为支撑 强度不足或屈服，墙体强度不足等。 地下连续墙的设计首先要考虑地下连续墙的应用目的和施工方法，然后决 定结构类型和构造，使其具有足够的强度和稳定性。 2 1 1 作用在地下连续墙上的荷载 作用在地下连续墙上的荷载主要是土压力和水压力。当地下连续墙用作主 体结构的一部分或结构物的基础时，还必须考虑作用在墙体上的其他荷载。 1 土压力 在地_ 卜1 廷续墙设计计算中的一个重要问题就是确定作尽经墙体上的侧向土 压力，它与墙体的刚度、支撑情况、开挖方法、土质条件及墙高因素有关。目 前常用的有以下三种计算方法： a 古典土压力理论：我国大多数设计院均采用r a n k i n e 或c o u l o m 的主、被 动土压力计算理论，即非开挖一侧均按照主动土压力计算，而开挖一侧基坑地 面以下部分则按照被动土压力理论计算。 b 静止土压力理论：对于刚度较大且设有可靠支撑时，墙体位移很小，所以 非开挖侧的土压力近似于静止土压力。 c 经验作图法：按照各种土质条件以下土压力实测值为基础而提出的土压力 分布图形计算。 2 水压力 作用在地下连续墙上的水压力与土压力不同，它与墙的刚度及位移无关， 按照静水压力计算。在一般情况下，地下水位以下的土层对墙体作用的水、土 7 合压力可按照取土的饱和重度计算一次，也可以分别加以计算。 2 1 2 墙体内力计算 地下连续墙的设计必须使墙体具有足够的刚度和强度。地下连续墙作为挡 土结构时内力计算理论是从钢板桩计算理论发展起来的，有的计算方法和板桩 计算近似。目前一般计算方法可归纳为表2 1 ： 表2 1 地下连续墙内力计算理论和方法及使用条件 类别计算理论及方法使用条件方法名称举例 ( 一)较古典的钢板桩土压力已知假象梁( 等值粱) 计算理论不考虑墙体变形法 不考虑支撑变形 二分之一分割法 t e r z a g h i 法 ( 二)横撑轴力、墙体弯土压力己知山肩邦男法 矩不变化的方法考虑墙体变形 不考虑支撑变形 ( 三)横撑轴力、墙体弯土压力已知日本国的建筑基 矩随之变化的方考虑墙体变形础结构设计规范 法考虑支撑变形的弹塑性法 有限单元法 ( 四)共同变形理论( 弹土压力随墙体变化而变化森重龙马法 性)考虑支撑变形有限单元法( 包括 考虑墙体变形土体介质) ( 五) 非线性变形理论考虑土体为非线性介质考虑部分开挖的 考虑墙体变形非线性有限单元 考虑支撑变形 法 考虑施工部分开挖 2 2 地下连续墙在竖向荷载作用下内力与变形计算 日本大林组在京都千代田和千叶县流山市进行了地下连续墙的垂直承载力 试验，试验槽的断面均为6 0 c m x l 8 0 c m ，墙深分别为5 1 5 m 和2 4 m ，相应端墙 地层分别为砂砾层和细