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(1.中国水电顾问集团 成都勘测设计研究院，成都 610072;

2.武汉大学 土木建筑工程学院，武汉 430072；

3.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 地下连续墙接头形式类型

地下连续墙在工民建工程中被广泛应用[1-4]，其地质条件适应性强、防渗性能好、工效高、工期短、质量可靠、经济效益高、环境影响小等优点被广泛认可。地质条件、施工难度、结构不均匀沉降等各方面因素导致了地下连续墙不能被施工成一个完整体，所以施工接头不可避免地产生了。施工接头的研究取得了一定的进展[5]，现在工程上已经开发出了工字钢接头、接头管连接、接头箱连接、工字钢接头、十字钢板接头、凹凸型预制钢筋混凝土楔形桩接头等接头形式[6]。各种接头形式大致可归纳为刚接、铰接和半自由等3种接头形式，其中刚接头能让墙体形成整体；铰接使得墙体在厚度方向可以转动，同时可以承担一定的轴向拉力；半自由接头则使其可承担轴向压力及一定厚度方向的剪应力，但不能抗拉。因此，地下连续墙的整体受力性能与不同接头形式有关，也成为困扰工程界的一个难题。

在一般的工民建工程中，地下连续墙由不同的墙段围成了环状体系，其受力特性比较单一，与水电工程中平直的连续墙体系存在着比较大的区别。本文以桐子林水电站导流明渠末段导墙基础的框格式地下连续墙为例，基于大型有限元软件ABAQUS对框格式地下连续墙的刚接、铰接及半自由3种形式的接头进行了非线性有限元数值模拟，揭示接头形式对导流明渠基础框格式地下连续墙应力变形影响，为工程提供一定的参考。

2 有限元计算模型

2.1 工程背景

桐子林水电站所在的雅砻江具有典型的深覆盖层特点，覆盖层由2层砂卵砾石层及夹于2层之间的粉砂质黏土层构成，覆盖层以下是Ⅳ—Ⅴ类围岩及断层。由于河道宽度及周边环境的限制，所以在该工程明渠末段导墙基础使用了框格式地下连续墙技术。

由于施工技术及地质条件的限制，基础成槽的时候只能分期隔段开挖，导致了地下连续墙必须分段分期施工，这就使得框格式地下连续墙的施工面临着施工接头的问题。在下面的模拟中对各种接头形式下墙体的应力应变特点进行详细的比较。

2.2 数值模型

限于篇幅，本文选取覆盖层最深的导流明渠末段导墙断面(图1)的框格式地下连续墙在施工期最危险工况下的状态进行分析。根据该断面的实际地质特点，建立了槽段有限元模型(一个完整的槽段加两侧各半个槽段，从左岸到右岸按1#—3#的顺序为墙体编号)，并在3#连续墙顶端的明渠底板上设了结构缝，有限元网格见图2。基于设计和施工两方面考虑，框格式地下连续墙接头只出现在纵横墙体交界位置(图3)。

图1 有限元模型主要参考断面

图2 有限元计算整体网格

图3 各种接头形式俯视图

框格式地下连续墙墙体厚1.2 m，1#—3#距离32 m。覆盖层最深约31 m，而地下连续墙最大深度约26 m。有限元模型在顺河向(x正方向)长20 m，垂直方向(y正方向竖直向上)高程范围为979～1 024.6 m，横河向即z方向范围为-84～110 m。

2.3 材料参数件及计算条件

本文采用摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)计算理论和非关联流动法则对岩土材料进行模拟。根据试算的结果，围堰土压力按照静止土压力考虑，水压力则根据静水压力方法计算。框格式地下连续墙与基岩交界面均设置了接触，根据泥皮约10°的内摩擦角确定其摩擦系数为0.2，采用接触非线性的方法计算。有限元模型各种材料的物理参数均从试验得到(详见表1)。

表1 计算采用的材料物理力学参数

在此工况下，导墙左侧的水位为1 004 m，导流明渠水位为995 m，导墙左侧有高程为1 004 m的堆石料围堰，河道覆盖层上表面高层980 m。

3 计算结果与分析

3.1 位移结果与分析

图4中的(a),(b),(c)表示地连墙的横河向水平位移。地框墙有向明渠方向整体变形的趋势，1#墙跨中位置的变形最大。随着墙体整体刚性的减小，墙体抗剪特性减弱，半自由接头的横河向水平位移峰值最大。

图4中的(d),(e),(f)表示地连墙的垂直沉降。接头形式对垂直沉降影响不是特别明显。在不均匀沉降控制方面半自由接头效果更好。框格式地连墙的三维效应明显，使其位移结果较小。各接头形式下的位移结果峰值见表2。

图4 地连墙横河向水平位移和垂直沉降分布

表2 各接头形式下的位移结果峰值

3.2 应力成果与分析

从地连墙竖直向的应力分布(图5中的(a)、(b)、(c))可知，地连墙上几乎不存在竖直向的拉应力，1#墙和1#—2#之间的隔墙上承担了主要的竖直向压应力。接头让墙体受力更加均匀，但是局部位置竖直向压应力增大明显，应力峰值从5.47 MPa增大到8.41 MPa。

从地连墙横河向的应力分布(图5中的(d)、(e)、(f))可知，接头形式对该应力的分布影响较大，最大拉应力位置从1#墙体嵌岩端转移到1#墙垂直方向中间位置。峰值亦从1.18 MPa增加到1.60 MPa。

从地连墙顺河向的应力分布(图5中的(g)、(h)、(i))可知，应力峰值均主要产生于1#墙上，但是大小及分布随接头的变化非常敏感。在刚接头状态下，最大拉应力产生于1#墙与横河向墙体的交叉位置外侧，最大拉应力约6.93 MPa，1#墙内侧跨中位置最大拉应力值约4 MPa。在铰接状态下，最大拉应力产生于1#墙内侧跨中位置，最大约8.85 MPa，1#墙与横河向墙体的交叉位置外侧处的最大拉应力值约3.51 MPa。在半自由接头状态下，最大拉应力亦产生于1#墙内侧跨中位置，峰值为5.75 MPa，1#墙与横河向墙体的交叉位置外侧处的最大拉应力值约1.3 MPa。从应力分布及应力峰值看，半自由连接具有一定的优势。

图5 地连墙竖直向、横河向及顺河向正应力

地连墙横河向水平剪应力(图6)在不同接头形式下变化明显：刚接状态下地框墙上的剪应力峰值主要在1#—2#之间的墙体嵌岩端和3#墙右侧的隔墙下端，铰接及半自由接头状态下墙体剪应力峰值位置主要集中在1#顶端及3#墙右侧的隔墙顶端，而且应力峰值从2.81 MPa增加到5.61 MPa，半自由状态下剪应力影响最大。

图6 横河向水平剪应力

各接头形式下的应力结果峰值见表3。

表3 各接头形式下的应力峰值

4 结 论

本文针对水电工程中地下连续墙施工中接头形式影响地下连续墙整体的受力及变形性能，基于ABAQUS软件对桐子林水电站框格式地下连续墙在不同接头形式下的施工过程进行了非线性有限元数值模拟，详细分析比较了3种接头形式的地下连续墙在最危险施工工况下的应力与变形，为实际连续墙施工中接头形式选择提供一些参考。主要结论如下：

(1) 铰接及半自由接头使得结构的局部水平方向位移增大，对垂直沉降影响不明显；不均匀沉降方面，半自由接头有一定的优势；但是无论是哪种接头，结构的变形均能满足工程需要。

(2) 铰接及半自由接头让连续墙结构垂直受力更加分散，但局部位置垂直压应力明显增大，半自由接头表现最突出。

(3) 铰接及半自由接头下结构最大横河向拉应力位置从1#墙体嵌岩端转换到1#墙垂直方向中间位置，峰值亦有一定的增加。

(4) 在不同的接头形式下，结构在横河向水平方向的剪应力变化明显，峰值明显增大，产生的位置从1#—2#之间的墙体嵌岩端转移到1#墙顶端，这使得墙体出现厚度方向的剪切破坏。

(5) 墙体的顺河向正应力是受接头形式影响最敏感的因素，刚接头状态下拉应力峰值产生于1#墙与横河向墙体的交叉位置外侧；铰接及半自由状态下，拉应力峰值主要产生在1#墙内侧跨中位置，1#墙与横河向墙体的交叉位置外侧会保留相对较小的拉应力；半自由接头的地连墙的顺河向拉应力最小。

参考文献：

[1] 芮 瑞, 夏元友.基于三维有限元的地下连续墙深基坑逆作法施工方案设计[J].岩土力学, 2008, 29(5): 1391-1395.(RUI Rui, XIA Yuan-you.Construction Scheme Design for Deep Foundation Pit Constructed by “Top-down” Method Based on 3D FEM[J].Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(5): 1391-1395.(in Chinese))

[2] 岳建勇, 周 春, 任 臻,等.超高层建筑地下主体结构与深基坑支护结构相结合的设计和实践[J].岩土工程学报, 2006, 28(增): 1552-1555.(YUE Jian-yong, ZHOU Chun, REN Zhen,etal.Design and Practices of Retaining and Bracing System for Deep Excavation Combined with Substructure of Super-high-rise Building[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2006, 28(Sup):1552-1555.(in Chinese))

[3] 刘国彬, 鲁汉新.地下连续墙成槽施工对房屋沉降影响的研究[J].岩土工程学报, 2004, 26(2): 287-289.(LIU Guo-bin, LU Han-xin.Study on the Influence of Upon Building Settlement Diaphragm Wall Trench Construction[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2004, 26(2): 287-289.(in Chinese))

[4] 赵锡宏, 李 蓓, 李 侃,等.大型超深基坑工程计算理论与实践研究——上海外环隧道浦西基坑工程[J].岩土工程学报, 2003, 25(3): 258-263.(ZHAO Xi-hong, LI Bei, LI Kan,etal.Study on Theory and Practice for Specially Big and Deep Excavation Engineering: Deep Excavation Engineering in Puxi, Outer Ring Tunnel Project of Shanghai[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2003, 25(3):258-263.(in Chinese))

[5] 裴颖洁, 郑 刚, 刘建起.两侧铰接地下连续墙的试验研究及数值分析[J].岩土力学, 2008, 29(1): 280-284.(PEI Ying-jie, ZHENG Gang, LIU Jian-qi.Model Test and Numerical Analysis of Diaphragm Wall with Hinged Joints on both Sides[J].Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(1):280-284.(in Chinese))

[6] 丛霭森.地下连续墙的设计施工与应用[M].北京: 中国水利水电出版社, 2001.(CONG Ai-sen.Design, Construction and Application of Diaphragm Wall[M].Beijing: China Water Power Press, 2001.(in Chinese))