板樁墻加預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合支護(hù)基坑變形分析

陳 鶴

(莆田市交通投資集團(tuán)有限公司，莆田 351100)

橋梁施工中，當(dāng)墩臺位置采用淺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式時，在進(jìn)行基坑開挖過程中，為提升支護(hù)方式對地層的適應(yīng)性，往往采用多種結(jié)構(gòu)型式聯(lián)合支護(hù)， 分析施工過程中基坑變形特性，是基坑設(shè)計施工中的重點內(nèi)容。本文采用有限元分析軟件PLAXIS 3D 對基坑中板樁墻加預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合支護(hù)型式進(jìn)行計算模擬[1]，并通過變形監(jiān)測結(jié)果對計算的有效性進(jìn)行驗證。

1 工程概況

某公路大橋長411 m， 高度為76 m， 全長共分為5跨，主跨部分采用連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)形式。 其中3# 橋墩位于河流沖刷岸，高度65 m，采用薄壁空心墩結(jié)構(gòu)。 橋墩承臺尺寸為19.5 m×11.8 m×5.4 m 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用端承樁群樁基礎(chǔ)。 根據(jù)工程勘測資料，地表以下1.5 m 范圍內(nèi)為填土；1.5 m～8.9 m、12 m～23 m 范圍內(nèi)為砂土；8.9 m～12 m范圍內(nèi)為軟黏土。初始地下水位面距離地表4 m。基坑長15 m，寬23 m，基坑深度為6.3 m。 開挖分2 層進(jìn)行，第1層開挖至地表以下1 m 深度處。

由于基坑所處地層為砂層，且坑底以下存在軟黏土，為防止基坑側(cè)壁發(fā)生坍塌，采用板樁墻、內(nèi)支撐、腰梁加預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合支護(hù)形式。 本項目中腰梁、內(nèi)支撐、預(yù)應(yīng)力錨索均安裝在距離地表1 m 深度處， 即第1 層開挖底部。腰梁沿基坑壁4 個邊各布置1 根；內(nèi)支撐為沿基坑長度方向布置3 根， 間距為5 m； 在基坑短邊方向布置錨索，兩側(cè)均布置2 根，每根錨索長度為14.4 m，施加預(yù)應(yīng)力200 kN。 為防止基坑底以下軟黏土層對基坑施工變形造成不利影響，板樁墻進(jìn)入地表以下11 m 深度處，穿透軟黏土層。

2 有限元計算模型

土體硬化模型為有限元計算中土體本構(gòu)模型中的一種，主要用于模擬砂土、碎石土應(yīng)力應(yīng)變特性，也可用于模擬黏土和淤泥等軟土[2]?；娱_挖模擬計算中需要考慮初始加載和卸載—重加載過程中土體剛度差異， 而這恰恰是土體硬化模型的優(yōu)勢， 因此該模型是基坑數(shù)值計算中使用最多的模型之一。 該模型涉及的參數(shù)及取值見表1。 通常情況下砂土有效粘聚力 為0，但是有限元計算中直接將該值設(shè)為0，容易導(dǎo)致計算結(jié)果不收斂，因此取一個小值。

基坑中采用的板樁墻屬于地層中的細(xì)長型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)軸向剛度和彎曲剛度較大， 因此計算中采用板單元模擬。板樁墻和土體之間的相互作用采用界面單元模擬。為簡化計算，體現(xiàn)土體強度和界面強度的相互聯(lián)系，墻土之間的相互作用通過引入界面強度折減因子實現(xiàn)[3-4]。 表2 所示為板樁墻力學(xué)參數(shù)。

表1 土體的基本物理力學(xué)性質(zhì)

表2 板樁墻力學(xué)參數(shù)

根據(jù)受力特性， 基坑中單根預(yù)應(yīng)力錨索可以分為錨固段和自由段。其中錨索錨固段采用嵌入式梁單元模擬，該單元本身不占有體積， 由于沿錨固段特定厚度的范圍內(nèi)土體處于完全彈性狀態(tài)，因此可以按體積樁建模，在該范圍內(nèi)取土體參數(shù)與樁身材料參數(shù)一致。 錨索自由段采用點對點錨索單元， 通過常軸向剛度的彈簧既可實現(xiàn)錨索的受壓狀態(tài)模擬，又可實現(xiàn)錨索的受拉狀態(tài)模擬。 表3所示為錨索錨固段和自由段的力學(xué)參數(shù)。

腰梁和內(nèi)支撐的受力變形特性通過梁單元模擬，其相關(guān)參數(shù)見表4。

表3 預(yù)應(yīng)力錨索參數(shù)

表4 腰梁和內(nèi)支撐力學(xué)參數(shù)

計算幾何模型尺寸為65 m(長)×100 m(寬)×20 m(深)。基坑位于幾何模型中心。進(jìn)行有限元計算，需將幾何模型劃分為多個單元，組成有限元網(wǎng)格。 進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，為確保獲得足夠精確的數(shù)值計算結(jié)果，網(wǎng)格應(yīng)盡可能細(xì)分。但是網(wǎng)格過細(xì)，數(shù)量過多，會造成計算時間過長。 為解決這一矛盾，Plaxis3D 程序自動考慮了土層、 結(jié)構(gòu)對象、荷載以及邊界條件特性，自動劃分網(wǎng)格。各部位對應(yīng)的單元類型和節(jié)點數(shù)見表5。

表5 各部位對應(yīng)的單元類型和節(jié)點數(shù)

進(jìn)行土層網(wǎng)格劃分時，對基坑區(qū)域局部加密網(wǎng)格，而距離基坑較遠(yuǎn)的位置減少網(wǎng)格數(shù)量(圖1)，這樣既確保了重點分析區(qū)域的計算精度，又從整體上減少了計算量。圖2 為支護(hù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。

圖1 土層網(wǎng)格劃分

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

根據(jù)施工步驟，計算共分5 步進(jìn)行：

(1)地層初始應(yīng)力：通過軟件自帶的K0過程生成；

(2)埋設(shè)板樁墻，開挖至地表以下1 m，實現(xiàn)第1 層開挖；

(3)安裝腰梁、內(nèi)支撐；

(4)安裝預(yù)應(yīng)力錨索；

(5)開挖至地表以下6.3 m，完成第2 層開挖。

3 基坑變形分析

3.1 地表沉降

圖3 施工過程中地表沉降

本項目施工過程中產(chǎn)生的地表沉降如圖3 所示。 開挖至地表以下1 m 時，地表沉降較小，這是由于開挖深度較淺。 埋設(shè)板樁墻至開挖結(jié)束，未進(jìn)行后續(xù)支護(hù)時，基坑邊緣出現(xiàn)最大沉降，1.5 mm。 通過采用腰梁、內(nèi)支撐及預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)后，地表最大沉降朝基坑壁后移動，且最大沉降值略有減少。開挖至第2 層時，因為前期支護(hù)已經(jīng)施工完畢，所以雖然已經(jīng)開挖至6.3 m 深度處，距離基坑壁2.3 m 處對應(yīng)的地表最大沉降值僅為8.2 mm。

3.2 坑壁側(cè)向變形

對于無支護(hù)的基坑，由于受水平土壓力的影響，坑壁的側(cè)向變形呈三角形分布[5]。 而增設(shè)內(nèi)支撐以后，受支撐抗力的影響，坑壁的側(cè)向變形形態(tài)發(fā)生了顯著變化。具體表現(xiàn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)的中部向基坑內(nèi)發(fā)生變形， 而頂部保持不變。 圖4 為本項目第2 層開挖結(jié)束后坑壁側(cè)向變形沿深度的分布。 在距離地表5.4 m 深度處，坑壁產(chǎn)生最大側(cè)向變形，為12.5 mm。

圖4 坑壁側(cè)向變形

3.3 基坑底部土體隆起

基坑開挖深度不大時，坑底隆起表現(xiàn)為彈性變形，板樁墻外側(cè)土體基本不會向坑內(nèi)移動。 這類變形主要表現(xiàn)為中部隆起最高，在開挖結(jié)束后變形很快停止，并有恢復(fù)的趨勢。

隨著進(jìn)一步加大開挖深度， 受基坑內(nèi)外面高差所造成的壓力差，以及地面各種超載的聯(lián)合作用，板樁墻外側(cè)土體向基坑內(nèi)的移動，基坑坑底產(chǎn)生豎向塑性隆起，基坑中部與兩邊的隆起差逐漸減少。 本項目中基坑底壁附近與中心位置隆起量差值為2 mm。 中部最大隆起量為16.6 mm(圖5)。

圖5 坑底隆起

4 結(jié)論

(1)對于軟黏土和砂土層中的基坑，聯(lián)合采用板樁墻+內(nèi)支撐+腰梁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)形式， 可以取得較好的支護(hù)效果。

(2)本項目基坑開挖至6.3 m 深度處，地表最大沉降值為8.2 mm，位于距離基坑壁2.3 m 處；坑壁最大側(cè)向變形為12.5 mm，發(fā)生在距離地表5.4 m 深度處；坑底最大隆起量為16.6 mm。

(3)采用Plaxis3D 軟件可以有效地計算模擬基坑施工過程中的變形，從理論上論證設(shè)計、施工方案的可行性。