隋修志 SUI Xiu-zhi；刘训臣 LIU Xun-chen
（石家庄铁路职业技术学院，石家庄 050041）
（Shijiazhuang Institute of Railway Technology，Shijiazhuang 050041，China）
摘要：内撑式地下连续墙具有明显的角部效应，内支撑布置方式会对围护结构的受力性状产生很大影响。通过有限元方法分析了四种支撑方案下连续墙的位移和受力情况，得出支撑的平面间距不宜过大，为内撑式地下连续墙的设计提供理论支持。
Abstract： The layout of interior bracing has a great effect on the displacement and force of underground diaphragm wall， and the building envelopes have obvious corner effect. The force and displacement of four design schemes were analyzed by using finite element method， the result shows that the space of bracing should not be too large.
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关键词 ：地下连续墙；深基坑；角部效应
Key words： underground diaphragm wall；deep foundation pit；corner effect
中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）19-0084-03
基金项目：河北省高等学校科学技术研究重点项目（项目号：ZH2012084）。
作者简介：隋修志（1964-），男，山东潍坊人，教授，硕士研究生，长期从事土木工程方面的科研与教学工作。
0 引言
地下连续墙是深基坑支护中最常用的方法之一，许多学者针对地下连续墙的设计和施工进行了计算理论和方法[1-5]。随着计算机技术的普及，数值解方法已成为地下连续墙等深基坑挡土结构的设计计算有效方法，其中弹性地基梁的数值解法是此类方法中相当实用，且使用广泛的一种计算方法[6]。但其也存在一定的缺陷，如未反映深基坑开挖过程中，支撑和墙体共同作用下，各种因素对墙上土压力分布和墙体内力的影响；未考虑深基坑工程在施工过程中，支撑特别是角支撑两端点位移间的相互影响。对于内撑式连续墙，由于支撑和角撑的作用常常使得内撑式连续墙的角部刚度增强，应力集中现象得到一定程度的缓解。
1 工程概况
某深基坑地下连续墙，墙体支撑和圈梁都采用C30混凝土，墙体厚0.6m，深19.5m，墙体抗弯刚度的折减系数取0.6，圈梁抗弯刚度折减系数0.85，腰梁折减系数0.66。支护结构周围单层土，土层参数γ=18kN/m3，c=0，?准=20°，地基水平抗力系数的比例系数m=6MN/m4，均布超载20kN/m，坑外水位1.0m，坑内水位11.0m。两层支撑，圈梁与腰梁截面都为0.6×1.5m2，支撑截面0.6×0.8m2，竖向位置分别为0.5m和5.3m，分三步开挖，开挖深度分别为2m、6m和8.5m。标准矩形基坑60×60m2，支撑的平面布置如图1所示。
2 基坑直角角部效应分析
本文考虑四种方案的角撑布置，角撑分别置于距离角部5m、l0m、l5m和20m的位置（见图2）。经计算，在各种角撑布置方案下的墙肢<I>的水平截面位移如图3所示，墙肢<I>在无支撑及角撑分别置于距离角部l0m、20m时的位移和弯矩如图4、图5所示。
由图3水平位移可知，角撑的设置可以大大减少角撑作用位置墙体的位移。当角撑位置由角部向基坑中部移动时，墙项圈梁位移不断减少。由于角撑为圈梁提供了弹性支点，圈梁由两端固支梁转变为多跨连续梁，其变形特性和受力特性都得到了很好的改善。多跨连续梁的跨度越均匀，其变形和内力越小。当采取方案4的角撑布置方式时，圈梁被分成相等的3跨。由图3中方案4的圈梁位移可以看出，中跨位移大于边跨，说明基坑的角部固定效应较为明显。图5表示角撑的布置方案对墙体内力和变形的影响曲线，图中标志点的数值表示计算截面与基坑角部的距离。
由图3可以看出，角撑的设置可以明显改善墙体的变形特性，大大降低墙体变形。由方案2的墙体位移曲线可以看出，在角撑位置10m和基坑角部的范围内，墙体5m处和l0m处的变形相比无角撑时都得到了明显的改善，墙顶位移和墙体截面内的最大位移减小：但在角撑布置点10m以外，墙体位移迅速增长，但各截面的墙顶位移明显小于无角撑的状态。当采用方案4的角撑布置方式将角撑布置在距离墙角20m处时，墙体各截面曲线的变形明显改善，墙体中截面最大位移0.044m相比无角撑状态时的0.28m和方案2的最大位移0.18m明显降低，墙体中截面最大位移由墙顶降低到开挖面以上。另一方面，当采用方案4的角撑布置方式时，墙体距离角部5m和10m截面处的位移与无角撑作用时相比反而有所降低。这主要是由于角撑的布置使墙体的内力和变形分布趋于平均，同时也削弱了墙体角部效应，使得墙体角部变形增加。由图5墙体各截面的弯矩分布可以看出，角撑大大削减了墙体负弯矩的峰值，调整截面正负弯矩的比例，使墙体的弯矩分布趋于平均。当采用方案4的角撑布置方式时，墙体的负弯矩峰值由悬臂状态的-1490kN·m降低到-370kN·m，相应正弯矩峰值由悬臂状态的300kN·m升高到490kN·m，墙体内力趋于平均，受力状况明显改善。角撑的位置越靠近基坑中部，内力的改善效果越明显。
各道角撑的轴力如表1所示（支撑轴力以受压为正）。
由表1可知，随着角撑的位置向中部移动，顶层角撑的轴力迅速降低，而第2层角撑的轴力基本维持不变。由于支撑的轴力由支撑刚度乘以支撑的轴向应变得到，而支撑的轴向应变与支撑的长度呈反比。以方案1和方案3为例，方案l的角撑布置在距离角部5m处，方案3的角撑布置在角部15m处。虽然方案1中顶部角撑端点位移小于方案3，但由于方案3的角撑长度为方案1的3倍，故计算得到的方案3的顶部角撑轴力小于方案1。
表2列出不同的角撑不同布置方案时的圈梁最大内力。由表2可知，由于角撑与墙体呈45°角，支撑轴力沿墙体局部坐标ξ轴的分量将相当于在圈梁上施加了一个很大的轴向荷载，将在角撑支点与墙体角点之间的圈梁区域产生拉力。角撑支点距离墙体角点的位置越近，拉力越大。当支点位置距离墙体20m即采用方案4的角撑布置时，圈梁中的拉力消失。圈梁的最大轴向压力对各种支撑布置方案基本保持不变。
由圈梁的弯矩变化趋势可见，由于角撑为圈梁提供了弹性支点，改圈梁的受力特性，随着角撑支点的位置向跨中移动，圈梁的跨度趋向于均匀，弯矩的峰值大大削弱。但当角撑支点的位置在角部附近时，圈梁的正弯矩反而比悬臂时增加。这种弯矩的增长现象主要是由于圈梁的跨度差异过大所造成的，当基坑中作用的支撑数增加，圈梁的跨度趋于均匀时，圈梁的正负弯矩都可大大降低。圈梁中最大剪力的趋势与弯矩类似，圈梁的跨度减少与跨度的均匀可以大大降低圈梁中的剪力。
方案2中各工况的圈梁内力如图6所示。由图6可以看出，由于角撑在圈梁轴向产生的分量将使圈梁轴力在角撑作用点发生突变。在墙角的圈梁端部轴向拉力达到峰值。角撑的支点为圈梁提供了一个弹性支座，使得角撑作用点处的圈梁负弯矩大大增高，由于角撑作用点与墙体角点的距离较小，墙体角点处的弯矩大大减少。
角撑在减少墙体位移和纵向弯矩的同时，改变了圈梁内力，同时也将影响墙体中横向弯矩及横向轴力的分布。以下为墙体中横向弯矩及轴力的分布情况，横向弯矩以基坑内侧墙体受拉为正，横向轴力横向墙体受拉为正。
3 方案效果分析
根据上述分析结果，最终选择角撑置于距离角部20m的位置作为深基坑支撑方案。如图7所示。
由于该方案支撑和墙体受力均匀，设计时减小了连续墙墙体厚度，改为0.55m，优化后的地下连续墙设计方案节省了25%的地下连续墙墙体混凝土材料和部分其他材料，总共节约资金约20多万元，取得了较好的经济效益。
经过对连续墙进行现场施工监测，基坑和围护结构的变形得到有效控制，基坑安全得到了可靠保障，取得了良好的社会效益。
4 结论
①内撑式连续墙具有较为明显角部效应。
②对于内撑式连续墙，在边角部位l0m左右的区域内，由于受到墙体角部的约束，墙体的位移和内力都有相应的减少，其中位移的约束较为明显而弯矩只在边缘5m附近有较为明显的减少。
③由于支撑的刚度对墙体的位移和弯矩的限制作用，在支撑点之间的墙体位移和弯矩将大于支撑截面处的结果，支撑的间距越大，这种趋势越明显，故支撑的平面间距不宜过大。
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参考文献：
[1]杨敏，艾智勇，冯又全.考虑空间作用对地下连续墙弹性支点法的改进[J].岩石力学与工程学报，1998，17（4）：440-445.
[2]姜朋明，胡中雄，刘建航.地下连续墙槽壁稳定性时空效应分析[J].岩土工程学报，1999，21（3）：338-342.
[3]沈健，王卫东，翁其平.圆形基坑地下连续墙分析方法研究[J].岩土工程学报，2008，30（supp）：280-285.
[4]冯世进，陈晓霞，高广运.迭代增量法分析地下连续墙的受力性状[J].岩土力学，2009，30（1）：226-230.
[5]张永兴，丁敏，王辉.基于Melan解的地下连续墙结构分析方法[J].岩土力学，2012，33（10）：2890-2896.
[6]丛蔼森.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.