挖填條件下錨固板樁墻墻體行為的數(shù)值研究

楊 悅

（中鐵十八局集團(tuán)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(gòu)件進(jìn)行擋土的建筑結(jié)構(gòu)，通常應(yīng)用在深基坑圍護(hù)工程、邊坡防護(hù)工程、臨時(shí)圍堰工程以及地下結(jié)構(gòu)的修建中， 它可有效發(fā)揮抵御側(cè)向土壓力的作用。 板樁墻能夠?qū)又車耐馏w進(jìn)行有效抵御，避免出現(xiàn)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(tǒng)剛度相對(duì)較低會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的變形。

根據(jù)原地表標(biāo)高和墻前后所需設(shè)計(jì)的標(biāo)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(huì)對(duì)墻周土產(chǎn)生不同的荷載和變形。目前，對(duì)墻周土產(chǎn)生不同的荷載和變形的研究是基于極限平衡理論進(jìn)行的， 該理論認(rèn)為板樁墻前后土體達(dá)到一種極限平衡狀態(tài)， 主被動(dòng)區(qū)依次受到了主動(dòng)土壓力和被動(dòng)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(dòng)受限而引起的錨固水平附近土體應(yīng)力集中問題。 隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展， 越來越多的學(xué)者在考慮錨固水平附近土體應(yīng)力集中和施工工藝情況下， 采用有限元數(shù)值計(jì)算理論對(duì)板樁墻樁土作用機(jī)理進(jìn)行深入研究［3-4］。 本研究綜合考慮錨固水平附近土體應(yīng)力集中和施工工藝等因素， 采用有限元方法對(duì)無黏性土中開挖和回填時(shí)錨固板樁墻的力學(xué)性能進(jìn)行分析， 以期為錨固板樁墻的設(shè)計(jì)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(jìn)行建模，建模時(shí)假定水位高度為墻兩側(cè)的錨定水平面［5］，數(shù)值分析中使用的典型壁截面如圖1所示。

圖1 數(shù)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(gè)模型，為節(jié)省篇幅，文中僅給出墻高為12 m 和墻高為6 m 時(shí)的4 個(gè)模型（DD12、DD6、DL12 和DL6）情況，模型中前2 個(gè)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(gè)字母表示回填土，第2 個(gè)字母表示地基土，數(shù)字則表示墻的高度。

2 有限元分析

在本研究中， 假設(shè)數(shù)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(dāng)模型寬度大于墻體高度的8 倍時(shí)，板樁墻體的彎矩、位移和錨桿力不會(huì)再有任何的變化。 本文對(duì)板樁墻結(jié)構(gòu)按平面應(yīng)變問題進(jìn)行有限元分析，計(jì)算區(qū)域?yàn)椋喝∷椒较驗(yàn)?H，豎直方向取2H。 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分情況如圖2 所示。

圖2 有限元模型

建模時(shí)，土層采用15 節(jié)點(diǎn)三角形單元，15 節(jié)點(diǎn)單元提供了位移的四階插值， 數(shù)值積分涉及12 個(gè)應(yīng)力點(diǎn)；采用五節(jié)點(diǎn)彈性板單元對(duì)板樁墻體進(jìn)行建模，界面元素有10 個(gè)節(jié)點(diǎn)，土元素為5 個(gè)，壁元素為5 個(gè)，典型基坑有限元模型網(wǎng)格由1 500±30 個(gè)單元組成（其中土單元1 350±25 個(gè)， 墻單元51±3 個(gè)， 界面單元102±6個(gè)），充填體總元素?cái)?shù)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(nèi)和墻周圍的應(yīng)力集中，在這些區(qū)域加密有限元網(wǎng)格，而在遠(yuǎn)離墻的區(qū)域采用相對(duì)稀疏的網(wǎng)格。

本研究中采用摩爾庫(kù)倫模型來模擬砂土的應(yīng)力—應(yīng)變行為。

3 結(jié)果與討論

3.1 側(cè)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(cè)土壓力。 由圖3和圖4 知，隨著墻高增加錨固板柱墻的側(cè)土壓力增大。在開挖和回填方式下， 墻體前后側(cè)土壓力變化趨勢(shì)相似，2 種施工方法下， 錨固水平周圍都存在應(yīng)力集中，開挖情況導(dǎo)致錨桿水平以上的主動(dòng)土壓力增大。

圖3 12 m 高墻體的側(cè)土壓力

圖4 6 m 高墻體的側(cè)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(cè)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(cè)向變形

圖6 6 m 高墻體在施工階段側(cè)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響， 這些整體運(yùn)動(dòng)是由墻后大面積荷載引起的豎向土體應(yīng)力不平衡引起的。

在回填階段，墻體的運(yùn)動(dòng)幾乎是基座的剛體旋轉(zhuǎn)，如果地基土較松，墻體頂部會(huì)向外移動(dòng)，如果地基土較松，墻體頂部會(huì)向后移動(dòng)。

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

3.3 墻體彎矩

板樁墻在整個(gè)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(fā)展速度、正彎矩和負(fù)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(fā)展速度較慢，后期彎矩發(fā)展速度較快；而在回填情況下， 墻體彎矩的發(fā)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(yuǎn)高于開挖情況。

4 結(jié)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(duì)無黏性土中錨定板樁墻性能的影響，得出如下結(jié)論。

（1） 施工方法對(duì)作用在墻體上的總側(cè)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(cè)土壓力較低， 被動(dòng)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(dòng)土荷載的高度略低。

（2）施工方法對(duì)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(jiān)硬程度也對(duì)墻體變形有著重要的影響，地基土較松時(shí)的最大墻體變形較大。