填挖施工對(duì)基坑鋼板樁墻受力特征的影響研究

黃小芳 曾國良

1. 深圳市天健工程技術(shù)有限公司 廣東 深圳 518000；2. 湖南聯(lián)智科技股份有限公司 湖南 長沙 410019

近年來，我國城市地下工程數(shù)量大幅增加，面臨的基坑支護(hù)問題也越來越多。由于城市用地緊張，基坑邊坡放坡受到限制，對(duì)于豎直邊坡，近年來鋼板樁支護(hù)應(yīng)用得越來越廣，相比混凝土樁，鋼板樁具有較高的抗壓能力，但柔性更大，其形式通常有懸臂式和錨拉式，其中懸臂式鋼板樁墻支護(hù)結(jié)構(gòu)完全依靠入土深度維持穩(wěn)定，其支護(hù)高度一般不超過6 m；而錨拉式鋼板樁墻由于錨桿的協(xié)同作用，充分調(diào)動(dòng)了周圍土體的自穩(wěn)能力，因此能維持較大的擋土高度[1-2]。

倪紅梅[3]認(rèn)為，為了施工需要，單錨式鋼板樁墻的錨桿傾角應(yīng)當(dāng)比一般的錨桿傾角更大，建議的錨桿傾角范圍為15°～ 30°。

許錫昌等[4]推導(dǎo)了單錨式錨碇結(jié)構(gòu)樁頂最大位移的解析解，認(rèn)為隨著錨固位置離樁頂距離的增加，最大位移先減小后增加。

陸新洋等[5]對(duì)單錨板樁結(jié)構(gòu)的施工期受力特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)樁后土壓力為“R”形分布，樁前土壓力基本為直線分布，但在開挖面處由于板樁變形擠壓會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力增大的現(xiàn)象。

郭院成等[6]通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)單錨錨固位置下移會(huì)增加錨桿的拉力，但可以有效減小樁頂在錨固后的水平位移。

目前，鋼板樁墻的施工方案主要有2類，即開挖和回填（圖1）。

圖1 鋼板樁墻不同的施工方案

開挖方案是將鋼板樁整體或大部分插打入地下，然后在前方進(jìn)行開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高；而回填方案則是將少部分鋼板樁插打入地下至設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后在其后方進(jìn)行回填[7]。這2種施工方案對(duì)鋼板樁墻的受力變形規(guī)律是有實(shí)質(zhì)影響的，但是目前有關(guān)此方面的研究報(bào)道較少，缺乏科學(xué)有效的分析。

本文依托某基坑支護(hù)工程，采用有限元數(shù)值仿真，對(duì)比分析上述2種施工方案下鋼板樁墻所受土壓力、水平位移的特征，并探討墻高和土質(zhì)的影響，以期為實(shí)際工程情況下選擇合理的施工方案提供參考。

1 有限元數(shù)值仿真

1.1 幾何模型及邊界條件

本文有限元計(jì)算模型原型為陜西省西安市新咸新區(qū)某擬建商業(yè)住宅項(xiàng)目基坑，基坑開挖深度為6～13 m，基坑土層主要為中密砂土，灰黃色-灰色、砂質(zhì)較純凈，分選性差，級(jí)配良好，礦物成分以長石、石英、云母為主。由于該基坑長度方向延伸近150 m，因此按平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析，共選擇了6、9、12 m這3種墻高工況，鋼板樁墻位于模型中部，錨桿錨固點(diǎn)位于0.75倍墻高位置，地下水位位于0.65倍墻高位置，模型水平尺寸和豎直尺寸均為2倍墻高。實(shí)際工程中采用了拉森式鋼板樁，為了建模方便，將其按抗彎剛度EI等效為等厚度的鋼板[8]，為了更加準(zhǔn)確地反映鋼板樁的受力變形特性，其厚度方向布置5層單元，靠近鋼板樁周圍的土體劃分更加細(xì)致的網(wǎng)格，有限元計(jì)算模型及網(wǎng)格如圖2所示。模型左右邊界均為水平位移約束邊界，下邊界為豎向位移和水平位移約束邊界，上邊界為自由變形邊界，錨桿錨固點(diǎn)為固定約束，另一端為鉸接約束。

圖2 有限元計(jì)算模型及網(wǎng)格（12 m墻高）

1.2 材料和接觸參數(shù)

模型的鋼板樁和錨桿采用各向同性的線彈性模型，彈性模量E為206 GPa，泊松比為0.27。鋼板樁等效厚度為145 mm，錨桿長度取6 m，傾角為15°，截面為圓形，直徑為3 cm。

土體采用摩爾-庫侖模型，土質(zhì)為粉砂土，實(shí)際工程中，樁身范圍內(nèi)均為中密砂土，而為了獲取土密實(shí)程度的影響，還模擬了松散砂土的情況。土的重度在地下水位以上取天然重度，地下水位以下取有效重度。為了反映施工過程中樁土之間的相互作用，在樁土接觸面上設(shè)置接觸單元，土的基本材料參數(shù)和接觸摩擦角如表1所示。

表1 土的基本材料參數(shù)和接觸摩擦角

1.3 分析步驟

對(duì)各個(gè)工況的編號(hào)規(guī)則如下：D代表中密砂土，L代表松散砂土，如工況DL12則代表地基上部土為中密砂土，地基土為松散砂土，墻高為12 m，其中墻高＝樁總長－入土深度。

開挖過程模擬如下：首先進(jìn)行地應(yīng)力平衡，隨后在墻體前方分8個(gè)階段逐級(jí)開挖，比如對(duì)于12 m墻每個(gè)階段填/挖厚度為1.5 m，對(duì)于6 m墻則為0.75 m。開挖至錨固點(diǎn)所在一層后，安設(shè)錨桿，然后繼續(xù)進(jìn)行下一步開挖?；靥钸^程中首先進(jìn)行地應(yīng)力平衡，然后在墻體后方分8個(gè)階段進(jìn)行回填，回填全部完成后再安設(shè)錨桿。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 土壓力

在DD12和DL12這2種工況下，鋼板樁墻前后土壓力的分布如圖3所示。在DD6和DL6這2種工況下，鋼板樁墻前后土壓力的分布如圖4所示。

圖3 墻高12 m時(shí)墻前后土壓力的分布

圖4 墻高6 m時(shí)墻前后土壓力的分布

從圖中可以看出，墻高12 m時(shí)土壓力明顯比墻高6 m時(shí)更大，但鋼板樁前后方土壓力分布具有相似的特征，即在錨桿處都有土壓力增大的現(xiàn)象，其中墻高12 m時(shí)該現(xiàn)象更加明顯。

同一工況下，開挖和回填這2種施工方案的土壓力分布大致重合，可見施工方案對(duì)土壓力影響較小。當(dāng)墻后上部土為松散砂土?xí)r，土壓力略大，這是由于松散砂土的主動(dòng)土壓力系數(shù)更大所致。

圖5（a）比較了12種工況下的土壓力合力特征，其中“*D”代表D地基上的所有工況?？梢钥闯?，各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都比較靠近圖中斜率為1的虛線，說明工況對(duì)土壓力合力值的影響也較小?？傮w來看，在中密砂土地基上采用回填施工，相比開挖施工，主動(dòng)土壓力合力平均降低6%，被動(dòng)土壓力合力升高4%，對(duì)維持樁墻穩(wěn)定是有利的；而當(dāng)?shù)鼗鶠樗缮⑸巴習(xí)r，回填反而導(dǎo)致土壓力合力平均增加3%，被動(dòng)土壓力合力降低3%。

對(duì)于主動(dòng)土壓力合力作用點(diǎn)，施工方案的影響變得顯著。圖5（b）顯示了不同工況下主動(dòng)土壓力合力作用點(diǎn)位置，當(dāng)?shù)鼗鶠橹忻苌巴習(xí)r，合力作用點(diǎn)的位置差異最大達(dá)到21%，平均為16%，開挖方案下各工況的樁墻后合力作用點(diǎn)位置更加靠上，即傾覆作用力矩的力臂更大，對(duì)維持樁墻穩(wěn)定不利，尤其當(dāng)墻高增加時(shí)，作用點(diǎn)位置差異更加明顯；而當(dāng)?shù)鼗鶠樗缮⑸巴習(xí)r，位置差異缺乏規(guī)律性。該實(shí)際工程地基為中密砂土，從綜合合力大小和作用位置來看，選擇回填方案更加合理。

圖5 不同工況下的土壓力合力特征及作用點(diǎn)

2.2 水平位移

圖6顯示了在DD12和DL12這2個(gè)工況下，不同施工方案下樁墻水平位移的分布。圖7顯示了在DD6和DL6這2個(gè)工況下，不同施工方案下樁墻水平位移的分布。

開挖和回填過程分成了8個(gè)施工階段，墻高12 m時(shí)，每個(gè)階段填/挖厚度為1.5 m，墻高6 m時(shí)則為0.75 m。從圖6和圖7可以看出，隨著回填/開挖土厚度的增加，墻的水平位移逐漸加大。對(duì)于開挖方案，在開挖階段的前兩個(gè)階段，樁墻受到了墻后土整體滑移的影響，發(fā)生類似旋轉(zhuǎn)的移動(dòng)，即墻頂部向后移動(dòng)，墻底部向前移動(dòng)。當(dāng)開挖至0.75倍墻高時(shí)，設(shè)置錨桿后再進(jìn)行后續(xù)開挖，水平位移分布特點(diǎn)發(fā)生了變化，開始呈拋物線形態(tài)，最大水平位移位置大致對(duì)應(yīng)最大土壓力合力位置；樁墻的水平位移主要發(fā)生在開挖的最后幾個(gè)階段，幾乎有50%的位移是發(fā)生在最后一個(gè)開挖階段的。對(duì)于回填方案，回填初期的水平位移較小，水平位移是隨各層回填逐漸增加的，沒有“陡增”的現(xiàn)象。

圖6 墻高12 m時(shí)墻水平位移分布

圖7 墻高6 m時(shí)墻水平位移分布

此外，地基土對(duì)不同施工方案下樁墻水平位移也有明顯的影響。回填方案下，相比中密砂土地基，松散砂土地基條件下樁墻的水平位移明顯更大，回填加載導(dǎo)致了下部地基土的滑移變形；而開挖方案下，水平位移受地基土類型的影響相對(duì)較小。

各個(gè)工況下樁墻的最大水平位移以及最大位移點(diǎn)位置如圖8所示。

圖8 不同工況下水平位移特征

從圖8（a）可以看出，回填產(chǎn)生的水平位移要比開挖方案大，尤其當(dāng)?shù)鼗鶠樗缮⑸巴習(xí)r，平均增加量達(dá)到73%；當(dāng)?shù)鼗翞橹忻苌巴習(xí)r，平均增加量相對(duì)較低，為26%左右，回填和開挖方案下最大位移值的關(guān)系可以采用線性關(guān)系進(jìn)行擬合，只是不同的地基土類型對(duì)應(yīng)不同的擬合公式。擬合公式顯示，當(dāng)?shù)鼗翞橹忻芎退缮⑸巴習(xí)r，回填方案下的最大水平位移分別是開挖方案下的1.25倍和1.71倍。從圖8（b）可以看出，開挖方案下最大水平位移位置更高，回填和開挖方案下最大位移位置的關(guān)系可以采用線性關(guān)系進(jìn)行擬合。對(duì)于本工程而言，由于地基土為中密砂土，為了使樁墻的變形隨著施工階段開展而逐漸緩慢增加，避免位移突增，可采用回填的施工方案；但對(duì)于地基土較差的條件，為了減小樁墻最終水平位移，可以考慮采用開挖的施工方案。

3 結(jié)語

本文通過有限元數(shù)值仿真分析，得到如下結(jié)論：

1）回填或者開挖的施工方案對(duì)土壓力分布以及土壓力合力值的影響不大，但對(duì)于主動(dòng)土壓力合力作用點(diǎn)的影響顯著，開挖方案下各工況的樁墻后合力作用點(diǎn)位置更加靠上，對(duì)維持樁墻穩(wěn)定不利。

2）對(duì)于開挖方案而言，樁墻的水平位移主要發(fā)生在開挖的最后幾個(gè)階段，幾乎有50%的位移發(fā)生在最后一個(gè)開挖階段；而對(duì)于回填方案，水平位移是隨各層回填逐漸增加的，沒有“陡增”的現(xiàn)象。

3）回填使得鋼板樁墻受力特征更容易受到地基土類型的影響?；靥罘桨赶?，相比中密砂土地基，松散砂土地基條件下樁墻的水平位移明顯更大，回填加載導(dǎo)致了下部地基土的滑移變形；而開挖方案下，水平位移受地基土類型的影響相對(duì)較小。

4）對(duì)于本工程而言，由于地基土為中密砂土，為了使樁墻的變形隨著施工階段開展而緩慢增加，避免位移突增，可采用回填的施工方案；但對(duì)于工程性質(zhì)較差的地基土，為了減小樁墻最終水平位移，可以考慮采用開挖的施工方案。

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