挖填條件下錨固板樁墻墻體行為的數值研究

楊 悅

（中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 063030）

板樁墻是一種采用直立板條狀構件進行擋土的建筑結構，通常應用在深基坑圍護工程、邊坡防護工程、臨時圍堰工程以及地下結構的修建中， 它可有效發揮抵御側向土壓力的作用。 板樁墻能夠對基坑周圍的土體進行有效抵御，避免出現滲水以及土體滑坡［1］。 用于提供橫向土支撐的板樁墻可以是懸臂式或錨定式，與其他原位墻相比， 由于其系統剛度相對較低會產生相對較大的變形。

根據原地表標高和墻前后所需設計的標高， 工程上通常采用開挖和回填2 種不同的施工方法建板樁墻， 這2 種截然不同的施工方法會對墻周土產生不同的荷載和變形。目前，對墻周土產生不同的荷載和變形的研究是基于極限平衡理論進行的， 該理論認為板樁墻前后土體達到一種極限平衡狀態， 主被動區依次受到了主動土壓力和被動土壓力， 土壓力在板樁上呈線性分布［2］，但該理論并沒有考慮由于墻體移動受限而引起的錨固水平附近土體應力集中問題。 隨著計算技術的發展， 越來越多的學者在考慮錨固水平附近土體應力集中和施工工藝情況下， 采用有限元數值計算理論對板樁墻樁土作用機理進行深入研究［3-4］。 本研究綜合考慮錨固水平附近土體應力集中和施工工藝等因素， 采用有限元方法對無黏性土中開挖和回填時錨固板樁墻的力學性能進行分析， 以期為錨固板樁墻的設計提供建議。

1 模型建立

選擇3 種不同的墻體高度（6 m、9 m 和12 m）、開挖和回填2 種施工階段、中密度砂和疏松砂2 種土壤類型分別進行建模，建模時假定水位高度為墻兩側的錨定水平面［5］，數值分析中使用的典型壁截面如圖1所示。

圖1 數值分析中使用的典型壁截面

分別考慮開挖土和地基土的不同土壤類型， 建立12 個模型，為節省篇幅，文中僅給出墻高為12 m 和墻高為6 m 時的4 個模型（DD12、DD6、DL12 和DL6）情況，模型中前2 個字母代碼表示土壤類型（D 表示中密度沙，L 表示疏松沙），第1 個字母表示回填土，第2 個字母表示地基土，數字則表示墻的高度。

2 有限元分析

在本研究中， 假設數值模型邊界深度為疏浚線以下墻體高度H 的2 倍， 模型寬度為墻體高度的8 倍，墻體位于模型寬度的中間。 當模型寬度大于墻體高度的8 倍時，板樁墻體的彎矩、位移和錨桿力不會再有任何的變化。 本文對板樁墻結構按平面應變問題進行有限元分析，計算區域為：取水平方向為8H，豎直方向取2H。 計算區域及網格劃分情況如圖2 所示。

圖2 有限元模型

建模時，土層采用15 節點三角形單元，15 節點單元提供了位移的四階插值， 數值積分涉及12 個應力點；采用五節點彈性板單元對板樁墻體進行建模，界面元素有10 個節點，土元素為5 個，壁元素為5 個，典型基坑有限元模型網格由1 500±30 個單元組成（其中土單元1 350±25 個， 墻單元51±3 個， 界面單元102±6個），充填體總元素數為1 118±27（其中土元素1 006±20，墻元素51±3，界面元素62±6）。 由于墻內和墻周圍的應力集中，在這些區域加密有限元網格，而在遠離墻的區域采用相對稀疏的網格。

本研究中采用摩爾庫倫模型來模擬砂土的應力—應變行為。

3 結果與討論

3.1 側土壓力

圖3 和圖4 分別顯示了12 m 和6 m 墻高下DD12、DL12 、DD6 和DL6 模型下的側土壓力。 由圖3和圖4 知，隨著墻高增加錨固板柱墻的側土壓力增大。在開挖和回填方式下， 墻體前后側土壓力變化趨勢相似，2 種施工方法下， 錨固水平周圍都存在應力集中，開挖情況導致錨桿水平以上的主動土壓力增大。

圖3 12 m 高墻體的側土壓力

圖4 6 m 高墻體的側土壓力

3.2 墻位移

12 m 和6 m 墻體在開挖和回填施工階段的側向位移分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 12 m 高墻體在施工階段的側向變形

圖6 6 m 高墻體在施工階段側向變形

由圖5 和圖6 知， 墻體位移隨開挖深度的增加而增加。 墻體主要受到墻體周圍土體的整體旋轉運動的影響， 這些整體運動是由墻后大面積荷載引起的豎向土體應力不平衡引起的。

在回填階段，墻體的運動幾乎是基座的剛體旋轉，如果地基土較松，墻體頂部會向外移動，如果地基土較松，墻體頂部會向后移動。

在開挖的最后階段，墻體發生了明顯的移動，最大變形發生在開挖的最后階段。在回填情況下，整個施工階段位移逐漸增大， 采用回填法施工的墻體在施工結束時變形較大。

3.3 墻體彎矩

板樁墻在整個施工階段的彎矩如圖7 和圖8 所示。

圖7 12 m 高墻體施工階段彎矩

圖8 6 m 高墻體施工階段彎矩

由圖7 和圖8 知， 開挖工況和回填工況的彎矩存在顯著差異。在施工階段彎矩的發展速度、正彎矩和負彎矩的大小以及最大彎矩等存在差異。在開挖情況下，施工初期彎矩發展速度較慢，后期彎矩發展速度較快；而在回填情況下， 墻體彎矩的發展速度更為緩慢。 此外， 回填情況下墻體最大彎矩與錨位彎矩之比遠高于開挖情況。

4 結論

采用有限元分析方法， 研究了開挖和回填施工方法以及不同的回填土、 地基土條件和墻高對無黏性土中錨定板樁墻性能的影響，得出如下結論。

（1） 施工方法對作用在墻體上的總側土壓力的影響不大。 采用回填法施工的墻體在錨固水平上方墻體后方的側土壓力較低， 被動土荷載的位置不受施工方法的影響，但回填情況與開挖情況相比，主動土荷載的高度略低。

（2）施工方法對墻體變形和墻體彎矩有顯著影響。回填法施工比開挖情況的墻體變形和墻體彎矩平均值更高。此外，地基土壤的堅硬程度也對墻體變形有著重要的影響，地基土較松時的最大墻體變形較大。