填挖施工對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有限公司 廣東 深圳 518000；2. 湖南聯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量大幅增加，面臨的基坑支護問題也越來越多。由于城市用地緊張，基坑邊坡放坡受到限制，對于豎直邊坡，近年來鋼板樁支護應用得越來越廣，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結構完全依靠入土深度維持穩定，其支護高度一般不超過6 m；而錨拉式鋼板樁墻由于錨桿的協同作用，充分調動了周圍土體的自穩能力，因此能維持較大的擋土高度[1-2]。

倪紅梅[3]認為，為了施工需要，單錨式鋼板樁墻的錨桿傾角應當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]推導了單錨式錨碇結構樁頂最大位移的解析解，認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]對單錨板樁結構的施工期受力特性進行分析，發現樁后土壓力為“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產生局部應力增大的現象。

郭院成等[6]通過計算發現單錨錨固位置下移會增加錨桿的拉力，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，然后在前方進行開挖至設計標高；而回填方案則是將少部分鋼板樁插打入地下至設計標高，然后在其后方進行回填[7]。這2種施工方案對鋼板樁墻的受力變形規律是有實質影響的，但是目前有關此方面的研究報道較少，缺乏科學有效的分析。

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

1 有限元數值仿真

1.1 幾何模型及邊界條件

本文有限元計算模型原型為陜西省西安市新咸新區某擬建商業住宅項目基坑，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、砂質較純凈，分選性差，級配良好，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，因此按平面應變問題進行分析，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致的網格，有限元計算模型及網格如圖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，錨桿錨固點為固定約束，另一端為鉸接約束。

圖2 有限元計算模型及網格（12 m墻高）

1.2 材料和接觸參數

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，土質為粉砂土，實際工程中，樁身范圍內均為中密砂土，而為了獲取土密實程度的影響，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，在樁土接觸面上設置接觸單元，土的基本材料參數和接觸摩擦角如表1所示。

表1 土的基本材料參數和接觸摩擦角

1.3 分析步驟

對各個工況的編號規則如下：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：首先進行地應力平衡，隨后在墻體前方分8個階段逐級開挖，比如對于12 m墻每個階段填/挖厚度為1.5 m，對于6 m墻則為0.75 m。開挖至錨固點所在一層后，安設錨桿，然后繼續進行下一步開挖。回填過程中首先進行地應力平衡，然后在墻體后方分8個階段進行回填，回填全部完成后再安設錨桿。

2 計算結果與分析

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時墻前后土壓力的分布

圖4 墻高6 m時墻前后土壓力的分布

從圖中可以看出，墻高12 m時土壓力明顯比墻高6 m時更大，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象，其中墻高12 m時該現象更加明顯。

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，可見施工方案對土壓力影響較小。當墻后上部土為松散砂土時，土壓力略大，這是由于松散砂土的主動土壓力系數更大所致。

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。可以看出，各個數據點都比較靠近圖中斜率為1的虛線，說明工況對土壓力合力值的影響也較小。總體來看，在中密砂土地基上采用回填施工，相比開挖施工，主動土壓力合力平均降低6%，被動土壓力合力升高4%，對維持樁墻穩定是有利的；而當地基為松散砂土時，回填反而導致土壓力合力平均增加3%，被動土壓力合力降低3%。

對于主動土壓力合力作用點，施工方案的影響變得顯著。圖5（b）顯示了不同工況下主動土壓力合力作用點位置，當地基為中密砂土時，合力作用點的位置差異最大達到21%，平均為16%，開挖方案下各工況的樁墻后合力作用點位置更加靠上，即傾覆作用力矩的力臂更大，對維持樁墻穩定不利，尤其當墻高增加時，作用點位置差異更加明顯；而當地基為松散砂土時，位置差異缺乏規律性。該實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

2.2 水平位移

圖6顯示了在DD12和DL12這2個工況下，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個施工階段，墻高12 m時，每個階段填/挖厚度為1.5 m，墻高6 m時則為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。對于開挖方案，在開挖階段的前兩個階段，樁墻受到了墻后土整體滑移的影響，發生類似旋轉的移動，即墻頂部向后移動，墻底部向前移動。當開挖至0.75倍墻高時，設置錨桿后再進行后續開挖，水平位移分布特點發生了變化，開始呈拋物線形態，最大水平位移位置大致對應最大土壓力合力位置；樁墻的水平位移主要發生在開挖的最后幾個階段，幾乎有50%的位移是發生在最后一個開挖階段的。對于回填方案，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”的現象。

圖6 墻高12 m時墻水平位移分布

圖7 墻高6 m時墻水平位移分布

此外，地基土對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較小。

各個工況下樁墻的最大水平位移以及最大位移點位置如圖8所示。

圖8 不同工況下水平位移特征

從圖8（a）可以看出，回填產生的水平位移要比開挖方案大，尤其當地基為松散砂土時，平均增加量達到73%；當地基土為中密砂土時，平均增加量相對較低，為26%左右，回填和開挖方案下最大位移值的關系可以采用線性關系進行擬合，只是不同的地基土類型對應不同的擬合公式。擬合公式顯示，當地基土為中密和松散砂土時，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系可以采用線性關系進行擬合。對于本工程而言，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 結語

本文通過有限元數值仿真分析，得到如下結論：

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

2）對于開挖方案而言，樁墻的水平位移主要發生在開挖的最后幾個階段，幾乎有50%的位移發生在最后一個開挖階段；而對于回填方案，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。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較小。

4）對于本工程而言，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；但對于工程性質較差的地基土，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。

[1] 張少文,程康,郝郁清.蘇州軟土地區地鐵基坑墻頂豎向位移變形特性分析[J].中外公路,2018,38(5):1-6.

[2] 吳鋒,張雪玉,黃周泉,等.雙線船閘對拉鋼板樁結構受力特性[J].水運工程,2018(9):106-111.

[3] 倪紅梅.數值模擬錨桿參數對支護結構水平位移的影響[J].煤炭工程,2007,39(2):88-90.

[4] 許錫昌,葛修潤.基于最小勢能原理的樁錨支護結構空間變形分析[J].巖土力學,2006,27(5):705-710.

[5] 陸新洋,何良德,李社平,等.新夏港雙線船閘單錨板樁結構受力特性分析[J].水運工程,2017(4):139-145.

[6] 郭院成,王立明,曾力.基于位移控制的單支點樁錨支護結構的優化設計[J].鄭州大學學報(工學版),2004,25(4):4-7.

[7] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑基坑支護技術規程:JGJ 120—2012[S].北京:中國建筑工業出版社,2012.

[8] 徐中華.上海地區支護結構與主體地下結構相結合的深基坑變形性狀研究[D].上海:上海交通大學,2007.