填挖施工对基坑钢板桩墙受力特征的影响研究

2021-11-05黄小芳曾国良

建筑施工 2021年7期

黄小芳曾国良

1. 深圳市天健工程技术有限公司广东深圳 518000；2. 湖南联智科技股份有限公司湖南长沙 410019

近年来，我国城市地下工程数量大幅增加，面临的基坑支护问题也越来越多。由于城市用地紧张，基坑边坡放坡受到限制，对于竖直边坡，近年来钢板桩支护应用得越来越广，相比混凝土桩，钢板桩具有较高的抗压能力，但柔性更大，其形式通常有悬臂式和锚拉式，其中悬臂式钢板桩墙支护结构完全依靠入土深度维持稳定，其支护高度一般不超过6 m；而锚拉式钢板桩墙由于锚杆的协同作用，充分调动了周围土体的自稳能力，因此能维持较大的挡土高度[1-2]。

倪红梅[3]认为，为了施工需要，单锚式钢板桩墙的锚杆倾角应当比一般的锚杆倾角更大，建议的锚杆倾角范围为15°～ 30°。

许锡昌等[4]推导了单锚式锚碇结构桩顶最大位移的解析解，认为随着锚固位置离桩顶距离的增加，最大位移先减小后增加。

陆新洋等[5]对单锚板桩结构的施工期受力特性进行分析，发现桩后土压力为“R”形分布，桩前土压力基本为直线分布，但在开挖面处由于板桩变形挤压会产生局部应力增大的现象。

郭院成等[6]通过计算发现单锚锚固位置下移会增加锚杆的拉力，但可以有效减小桩顶在锚固后的水平位移。

目前，钢板桩墙的施工方案主要有2类，即开挖和回填（图1）。

图1 钢板桩墙不同的施工方案

开挖方案是将钢板桩整体或大部分插打入地下，然后在前方进行开挖至设计标高；而回填方案则是将少部分钢板桩插打入地下至设计标高，然后在其后方进行回填[7]。这2种施工方案对钢板桩墙的受力变形规律是有实质影响的，但是目前有关此方面的研究报道较少，缺乏科学有效的分析。

本文依托某基坑支护工程，采用有限元数值仿真，对比分析上述2种施工方案下钢板桩墙所受土压力、水平位移的特征，并探讨墙高和土质的影响，以期为实际工程情况下选择合理的施工方案提供参考。

1 有限元数值仿真

1.1 几何模型及边界条件

本文有限元计算模型原型为陕西省西安市新咸新区某拟建商业住宅项目基坑，基坑开挖深度为6～13 m，基坑土层主要为中密砂土，灰黄色-灰色、砂质较纯净，分选性差，级配良好，矿物成分以长石、石英、云母为主。由于该基坑长度方向延伸近150 m，因此按平面应变问题进行分析，共选择了6、9、12 m这3种墙高工况，钢板桩墙位于模型中部，锚杆锚固点位于0.75倍墙高位置，地下水位位于0.65倍墙高位置，模型水平尺寸和竖直尺寸均为2倍墙高。实际工程中采用了拉森式钢板桩，为了建模方便，将其按抗弯刚度EI等效为等厚度的钢板[8]，为了更加准确地反映钢板桩的受力变形特性，其厚度方向布置5层单元，靠近钢板桩周围的土体划分更加细致的网格，有限元计算模型及网格如图2所示。模型左右边界均为水平位移约束边界，下边界为竖向位移和水平位移约束边界，上边界为自由变形边界，锚杆锚固点为固定约束，另一端为铰接约束。

图2 有限元计算模型及网格（12 m墙高）

1.2 材料和接触参数

模型的钢板桩和锚杆采用各向同性的线弹性模型，弹性模量E为206 GPa，泊松比为0.27。钢板桩等效厚度为145 mm，锚杆长度取6 m，倾角为15°，截面为圆形，直径为3 cm。

土体采用摩尔-库仑模型，土质为粉砂土，实际工程中，桩身范围内均为中密砂土，而为了获取土密实程度的影响，还模拟了松散砂土的情况。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。为了反映施工过程中桩土之间的相互作用，在桩土接触面上设置接触单元，土的基本材料参数和接触摩擦角如表1所示。

表1 土的基本材料参数和接触摩擦角

1.3 分析步骤

对各个工况的编号规则如下：D代表中密砂土，L代表松散砂土，如工况DL12则代表地基上部土为中密砂土，地基土为松散砂土，墙高为12 m，其中墙高＝桩总长－入土深度。

开挖过程模拟如下：首先进行地应力平衡，随后在墙体前方分8个阶段逐级开挖，比如对于12 m墙每个阶段填/挖厚度为1.5 m，对于6 m墙则为0.75 m。开挖至锚固点所在一层后，安设锚杆，然后继续进行下一步开挖。回填过程中首先进行地应力平衡，然后在墙体后方分8个阶段进行回填，回填全部完成后再安设锚杆。

2 计算结果与分析

2.1 土压力

在DD12和DL12这2种工况下，钢板桩墙前后土压力的分布如图3所示。在DD6和DL6这2种工况下，钢板桩墙前后土压力的分布如图4所示。

图3 墙高12 m时墙前后土压力的分布

图4 墙高6 m时墙前后土压力的分布

从图中可以看出，墙高12 m时土压力明显比墙高6 m时更大，但钢板桩前后方土压力分布具有相似的特征，即在锚杆处都有土压力增大的现象，其中墙高12 m时该现象更加明显。

同一工况下，开挖和回填这2种施工方案的土压力分布大致重合，可见施工方案对土压力影响较小。当墙后上部土为松散砂土时，土压力略大，这是由于松散砂土的主动土压力系数更大所致。

图5（a）比较了12种工况下的土压力合力特征，其中“*D”代表D地基上的所有工况。可以看出，各个数据点都比较靠近图中斜率为1的虚线，说明工况对土压力合力值的影响也较小。总体来看，在中密砂土地基上采用回填施工，相比开挖施工，主动土压力合力平均降低6%，被动土压力合力升高4%，对维持桩墙稳定是有利的；而当地基为松散砂土时，回填反而导致土压力合力平均增加3%，被动土压力合力降低3%。

对于主动土压力合力作用点，施工方案的影响变得显著。图5（b）显示了不同工况下主动土压力合力作用点位置，当地基为中密砂土时，合力作用点的位置差异最大达到21%，平均为16%，开挖方案下各工况的桩墙后合力作用点位置更加靠上，即倾覆作用力矩的力臂更大，对维持桩墙稳定不利，尤其当墙高增加时，作用点位置差异更加明显；而当地基为松散砂土时，位置差异缺乏规律性。该实际工程地基为中密砂土，从综合合力大小和作用位置来看，选择回填方案更加合理。

图5 不同工况下的土压力合力特征及作用点

2.2 水平位移

图6显示了在DD12和DL12这2个工况下，不同施工方案下桩墙水平位移的分布。图7显示了在DD6和DL6这2个工况下，不同施工方案下桩墙水平位移的分布。

开挖和回填过程分成了8个施工阶段，墙高12 m时，每个阶段填/挖厚度为1.5 m，墙高6 m时则为0.75 m。从图6和图7可以看出，随着回填/开挖土厚度的增加，墙的水平位移逐渐加大。对于开挖方案，在开挖阶段的前两个阶段，桩墙受到了墙后土整体滑移的影响，发生类似旋转的移动，即墙顶部向后移动，墙底部向前移动。当开挖至0.75倍墙高时，设置锚杆后再进行后续开挖，水平位移分布特点发生了变化，开始呈抛物线形态，最大水平位移位置大致对应最大土压力合力位置；桩墙的水平位移主要发生在开挖的最后几个阶段，几乎有50%的位移是发生在最后一个开挖阶段的。对于回填方案，回填初期的水平位移较小，水平位移是随各层回填逐渐增加的，没有“陡增”的现象。

图6 墙高12 m时墙水平位移分布

图7 墙高6 m时墙水平位移分布

此外，地基土对不同施工方案下桩墙水平位移也有明显的影响。回填方案下，相比中密砂土地基，松散砂土地基条件下桩墙的水平位移明显更大，回填加载导致了下部地基土的滑移变形；而开挖方案下，水平位移受地基土类型的影响相对较小。

各个工况下桩墙的最大水平位移以及最大位移点位置如图8所示。

图8 不同工况下水平位移特征

从图8（a）可以看出，回填产生的水平位移要比开挖方案大，尤其当地基为松散砂土时，平均增加量达到73%；当地基土为中密砂土时，平均增加量相对较低，为26%左右，回填和开挖方案下最大位移值的关系可以采用线性关系进行拟合，只是不同的地基土类型对应不同的拟合公式。拟合公式显示，当地基土为中密和松散砂土时，回填方案下的最大水平位移分别是开挖方案下的1.25倍和1.71倍。从图8（b）可以看出，开挖方案下最大水平位移位置更高，回填和开挖方案下最大位移位置的关系可以采用线性关系进行拟合。对于本工程而言，由于地基土为中密砂土，为了使桩墙的变形随着施工阶段开展而逐渐缓慢增加，避免位移突增，可采用回填的施工方案；但对于地基土较差的条件，为了减小桩墙最终水平位移，可以考虑采用开挖的施工方案。