夏元友，裴尧尧，王 震，陈少炎，陈 晨

（1. 武汉理工大学 土木工程与建筑学院，武汉 430070；2. 中国建筑第三工程局有限公司，武汉 430000）

1 引 言

为确保开挖过程中建筑基坑的正常工作，基坑变形预测显得极其重要，对于建筑物密集地区的基坑变形更应该得到严格的控制[1]。采用数值计算的方法来预测基坑工程在各施工步中的变形已经越来越广泛地应用于工程实践中。传统的数值计算没有考虑支护结构（地下连续墙、支护桩等）施工对计算的影响作用，作用在支护结构上的初始土压力采用的是静止土压力[2－3]。

以地下连续墙支护的基坑开挖为例，如图1所示，传统的基坑开挖数值计算连续墙上的初始土压力一般都取静止土压力E0。考虑土体的应力路径，该取值忽略了施工引起土体扰动对连续墙上土压力的影响作用。如果影响作用很大，在此基础上进行的基坑开挖模拟将不能准确地反映基坑的变形。

考虑施工过程中地下连续墙上土压力重分布对基坑开挖变形预测的影响将更符合实际。如果施工过程对接下来的基坑开挖墙体变形和地表沉降影响较小，则可以忽略；反之，该过程应该得到必要的重视。如图 2所示[4－5]，基坑开挖之前需要施工地下连续墙，图中的 AB段反映了随着成槽开挖土体在泥浆护壁作用下卸载的过程，BC段表示随后混凝土浇筑到固结的过程，最后的CD段代表在地下连续墙上土压力重分布基础上土体开挖的过程。

图2 考虑成槽影响的墙上土压力随变形变化Fig.2 Stress-deformation behavior of retaining wall considering grooving effect

关于地下连续墙施工过程影响基坑变形作用的现场实测和数值模拟，国外不少学者做出了一些有意义的研究工作。Gunn和 Clayton[6]提出并分析了支护结构施工对基坑变形影响的重要性。Mortan等[7]将地下连续墙支护的基坑变形分为3个独立的阶段：①地下连续墙施工引起的变形；②开挖引起的变形；③开挖降水引起的变形。Poh等[8－9]等对成槽施工引起土体扰动做了现场实测，并总结了大量现场监测数据，得出地下连续墙上土压力有一定幅度的变化。Thorley和Forth[10]总结了香港大量地下连续墙成槽施工对周围建筑的沉降影响的现场实测数据，表明地下连续墙施工对基坑变形预测有很大的影响，不能忽略。

在数值计算方面，Kutmen[11]、Gunn等[12]最早采用平面有限单元法模拟了成槽开挖及混凝土浇灌和固结过程，但混凝土的浇筑过程采用的是全静液压力分布的形式加载，不同于Ng CWW等采用变静液压力的方式[4－5,12－13]。Ng CWW 等[12－13]先后采用三维有限元法对黏土中大型基坑开挖进行了数值计算，将数值计算结果分别与现场实测和离心机试验数据进行了对比。Gourvenec和Powrie等[14]采用三维有限元模拟了一系列的地下连续墙成槽施工工程，并将结果与二维有限元方法进行了对比。结果表明，地下连续墙上的土压力更多地受槽长的影响，且三维分析较之二维分析结果更准确，二维分析结果偏于保守。Shafer和 Triantafyllidis[4－5]采用三维有限元法先后模拟了成槽影响土压力扰动及考虑成槽影响基坑变形的计算，结果表明，考虑成槽影响的基坑变形要比不考虑成槽影响的值要大。Yasushi[15]等将地下连续墙施工模拟作为基坑变形数值计算的必要步骤。

以武汉市某超大型超深基坑地下连续墙施工为工程背景，选取了10幅连续槽段对连续墙施工过程进行了跳跃式三维有限差分数值模拟，并与地下连续墙施工过程中的土压力、水平位移现场实测数据进行了对比分析，探讨地下连续墙施工影响应力重分布的过程及原因。

2 数值计算

2.1 工程概况

该超大型超深基坑临近长江，距长江防洪堤约250 m。基坑呈长方形，长为304 m，宽为121 m，基坑周边采用“两墙合一”地下连续墙作为基坑围护体，地下连续墙既作为基坑开挖阶段的挡土止水围护体，同时又作为地下室结构外墙。地下连续墙为165幅，单幅长度为6 m，总长为1 067 m，平均挖深为50.5 m。根据勘察资料，场地内含水层厚度为39.0 m左右，52.5 m以下为中风化砂质泥岩。上覆相对隔水层为粉质黏土夹粉土、淤泥质粉质黏土、厚度位于13.5 m左右，根据场区内钻孔资料，下伏隔水层为中风化砂质泥岩地层，含水层厚约为39.0 m，静止水位埋深在11.60～11.90 m之间。上覆少量上层滞水，主要以中间带承压水为主。

2.2 数值模型

数值模拟采用有限差分软件FLAC3D，图 3为成槽模型的整体模型图。模型包括116 188个网格节点，108 702个单元，组成8幅长为6 m、2幅3 m的地下连续墙，所模拟的槽段所在的挖深为47.4 m，沿墙体宽度方向对称建模。土体和地下连续墙皆采用实体单元进行模拟。土体本构模型选用经典的Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，地下连续墙采用线弹性模型。图4为逐步成槽开挖模拟过程图，开挖顺序依次为槽段 1、3、2、5、4、7、6、9、8、10。表1为土层物理力学参数值，其中，γ为土体重度，E为弹性模量，v为泊松比，c为黏聚力，φ为内摩擦角。根据现场经验，上层黏土层侧压力系数取0.65，下层砂土层取侧压力系数0.58。

2.3 地下连续墙施工模拟步骤

整个模拟过程依次为槽段土体挖出、混凝土浇筑、及混凝土的硬化。从第1槽段开始，跳跃式的重复工作直到10幅墙全部模拟完成（见图4）。

（1）泥浆护壁作用下开挖

图3 整体模型图Fig.3 Sketch of whole model

图4 跳跃式开挖模型图Fig.4 Jumping excavation models

表1 土层力学参数Table 1 Mechanical parameters of strata

泥浆压力的模拟采用常静液压力方式加载到开挖后的各临空面上，包含槽底压力。

（2）混凝土浇筑模拟

混凝土浇筑过程模拟包括常静夜压力加载方式[11－12]及变静液压力加载方式[4－5,12－13]。常静液压力的加载方式与泥浆压力的加载方式相同，只是重度取值不一。本文选用变静液压力加载方式来模拟混凝土的浇筑过程，具体见式（1）：

式中：pc为混凝土灌注压力；γs为泥浆重度；γc为混凝土注浆重度，取23.5 kN/m3；hct为临界深度，一般取槽深度的20%～30%，本文取12.6 m；z为基坑深度。

（3）混凝土固结硬化模拟

混凝土硬化过程采用线弹性实体单元进行模拟，土体与墙体间设置接触面。采用变弹性模量和泊松比的方法来模拟其硬化过程。混凝土最终取弹性模量E =45 GPa，泊松比v =0.2。

3 现场实测

由于该基坑面积大，各槽段地下连续墙施工不连续，一般相邻甚远。第86幅地下连续墙相邻槽段已施工完成，所以本文应用数据为该幅地下连续墙施工过程中进行的常规土压力监测和测斜数值。土压力监测沿长度方向布置3个断面，每个断面沿深度方向均匀布置6个土压力盒，测点距离开挖槽段面为0.5 m。每槽段距开挖槽段面1 m处平行布置3根测斜管，沿中轴及两侧对称布置。

4 数据分析与讨论

图5为槽段2施工完成后墙中轴线位置沿深度方向按照本文计算的土压力值、现场实测得到的土压力值、及泥浆压力值对比图。实测值与计算值的趋势和波动幅度吻合良好。土压力值与泥浆压力的差值随深度越来越大。

图5 槽段2施工完成后中轴线处土压力分布对比曲线Fig.5 Earth pressure distribution in the middle of panel 2 after construction completion

图6为槽段 2在泥浆 1#（9.8 kN/m3）和 2#（γs=10.3 kN/m3）护壁情况下成槽开挖的水平位移计算值与现场实测数据对比图，实测值总体要大于计算值，但变化趋势吻合良好，最大位移发生在槽深约36 m的位置，1#泥浆约为16.5 mm，2#泥浆约为14.3 mm，实测最大值发生在接近槽底部，约为19.1 mm。同时，上层黏土层的计算值与实测值的变化幅度比下层砂土层的要大，砂土层里的变化幅度相对要小。

图6 槽段2在泥浆护壁下开挖完成后水平位移的计算值及实测值对比曲线Fig.6 Computed and measured horizontal displacements with slurry supported of panel 2

图7为槽段2在泥浆护壁下开挖、混凝土浇筑完成后中轴线处沿深度方向的水平位移计算值及开挖实测值的对比。混凝土浇筑过程中，上层土体位于临界深度 12.6 m上部的土体受到的注浆压力增量较之临界深度下部值要大，上部土体出现了挤压的情况，最大值出现在13 m左右，为9.8 mm。随着泥浆压力的增量幅度相对土压力增量的逐渐减小，水平位移慢慢出现负值。

图7 槽段2在泥浆护壁下开挖及混凝体浇筑后水平位移计算和实测值对比曲线Fig.7 Computed and measured horizontal displacements with slurry supported and concrete poured of panel 2

图8为槽段 2在泥浆护壁作用下开挖深度为6 m及24 m处沿槽段的水平位移计算值和实测值对比图，总体上看，实测值要大于计算值，差值在2～3 mm。变化趋势基本一致。下部土层内的计算偏差要小于上部土层。水平位移最大值出现在槽段中轴线位置，沿槽段两侧骤减。

图8 槽段2断面上泥浆护壁下水平位移计算和实测值Fig.8 Computed and measured horizontal displacements with slurry supported of panel 2

通过以上实测数据与数值计算值的对比验证了该数值模型的准确性和有效性。在此基础上，对墙上的土压力进行了进一步的计算分析。图9为按槽段1、3、2的顺序依次模拟得到的土压力变化规律图。

图9(a)、9(b)分别为槽段 1施工完成后为 6 m和15 m深度处前3幅墙上的土压力分布图。槽段1施工对槽段2的土压力分布有影响作用，影响范围小于1个槽段。6 m深度处土体扰动较之15 m深处的小，原因在于15 m深度处土压力与泥浆压力的差值较大，且注浆压力在此处的增量亦大所致，前者使土体向外压出，后者是土体向里挤入。土压力最大值出现在槽段中部，连接处附近出现最小值。

图9(c)、9(d)分别为槽段3施工完成后6 m和15 m深度处墙上的土压力分布图示。槽段3施工墙上土压力变化规律与槽段1类似。1、3槽段的施工对槽段2的影响使槽段2的土压力出现对称的应力拱。

图9(e)、9(f)分别为槽段2施工完成后6 m和15 m深处墙上的土压力分布。槽段2施工完成后槽上的土压力沿静止土压力值上下波动。

图10为施工完成后深度为6、18、30 m处墙上土压力分布图。土压力沿着静止土压力值上下波动，波峰出现在墙体中心位置，波谷靠近墙体连接处。6 m深处和30 m深处的波动幅度较之18 m处的大，30 m深处最大。验证了泥浆压力、注浆压力与土压力差值是影响墙后应力重分布波动幅度的主要原因。30 m深处泥浆压力与土压力的差值较大，土体侧向压出较大，注浆压力下将土体向里挤入的幅度亦较大，从而导致了土体较大的扰动。18 m深处的泥浆压力、注浆压力及土压力大小差值小，土体扰动小，所以波动幅度也小。理论上讲，当泥浆压力、混凝土浇筑压力和土压力沿深度重合时，地下连续墙施工对土体扰动将非常小。

图9 各槽段施工完成后墙上土压力分布Fig.9 Earth pressure distributions after construction completion of panels

图10 施工完成后深度6、18、30 m处墙上土压力分布Fig.10 Earth pressure distributions after construction completion of all panels (with depths of 6, 18, 30 m)

5 结 语

对武汉市某超大型超深基坑连续 10幅地下连续墙施工过程进行了三维有限差分数值模拟。模拟过程包括槽段的开挖、混凝土浇注、及混凝土的固结硬化。计算结果与相应的现场实测数据进行了对比，吻合良好。泥浆护壁下的开挖使土体向外隆起，混凝土浇筑过程土体向里挤压。对单个独立跳跃式开挖过程墙上土压力的监测，揭示了地下连续墙施工影响应力重分布的变化规律。施工完成后连续墙上的土压力值随静止土压力值上下波动，波谷值出现在槽段连接处附近，波峰接近槽段中心轴，波动幅度大小与深度有关。泥浆压力、混凝土灌注压力及土压力差值是影响墙后应力重分布波动幅度的主要原因。适当的泥浆重度及合适的注浆方法能避免土体的扰动。

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