基坑开挖对壁板桩内力及变形影响分析

孙华圣，赵越新，李佳辉，赵国栋，2

（1.淮阴工学院 建筑工程学院,江苏 淮安 223001；2.中国电子系统工程第二建设有限公司,四川 宜宾 644600）

从20世纪90年代到现在,壁板桩已在世界范围内很多国家高层建筑中广泛采用。在很多工程中,壁板桩可以起到比圆形截面桩更好的效果。马来西亚双子塔,就是侧壁灌浆的新型壁板桩在超高层建筑物基坑工程中的典型应用［1］。

近年来,相关学者从理论分析、现场监测以及数值模拟方面对基坑开挖引起常规桩基的变形规律及特点进行了研究。

在理论分析上,张爱军［2］等提出了一种研究基坑对邻近桩基影响的分析方法,并推导了基坑开挖对邻近的桩基响应关系的解析表达式。廖伟［3］等梳理了目前桩基施工对既有邻近的基础以及建筑物影响的理论研究,并对挤土效应进行了对比分析。张治国［4］和王卫东［5］针对某地区深基坑工程进行研究,分析了深基坑开挖引发邻近基础较浅的建筑物的沉降规律,并提出了较合理的地表沉降的预测方法。

在现场监测方面,刘畅等［6］对某基坑工程的桩基础进行布点及监测来研究桩身的应变,他指出桩身应变随深度的变化有先增加然后降低的趋势,并且桩身的最大应变位置出现在桩身的中部位置。郭月亮和田少坤［7］采取江苏某发电站基坑工程为例,对桩基进行取芯、以及采用超声波探测,并对现场土体开挖监测等方法探究基坑开挖导致桩基出现问题的原因,最后提出利用混凝土注浆来填充裂缝并合理的对桩进行加筋补强来保障桩基的稳定性。

在数值模拟上,刘巍［8］利用FLAXIS模拟软件,选择HSS模型来研究基坑开挖对既有邻近桩基的影响,并对数值模拟过程中各阶段的桩基位移以及桩自身的变形规律进行研究。他指出,在实际基坑工程的施工过程中要对整体结构的位移进行数值模拟,不仅要确保符合施工规范,更要保证施工人员的安全。万鹏［9］在针对软土地基开挖对邻近高架桩基的影响时建立了各个桥桩基的轴力云图,并对地连墙水平位移进行了分析,认为基坑开挖引起的压力差是促成桩基沉降的根本原因。张乐乐［10］对基坑进行三维数值模拟,研究结果指出,通过钢板桩进行基坑围护可以较为有效地减小基坑开挖对周围地基造成的变形影响。任建喜［11］对北京某车站基坑实例进行研究,运用理论分析与现场监测相结合的方法,分析在开挖过程中桩基的变形和发生破坏的型式,总结了影响基坑稳定性的几种因素,最后通过FLAC3D对该深基坑进行动态开挖模拟,并根据数值模拟的结果对深基坑支护设计进行了结构优化。易建伟［12］使用FLAC3D 模拟基坑明挖时对桩基产生的影响。基坑开挖深度越大,对基坑邻近桥桩影响越大,桩的最大侧移值和最大应力值显著增加；桩与基坑的距离越远,所受的影响就越小。同时,他提出在基坑周围存在桥梁时,基坑施工应着重监测与评估桥梁的侧移值和应力值。江杰等［13］使用ABAQUS软件模拟基坑开挖对桩基承载力的影响,并与实际工程相结合进行验证,结果表明桩基极限承载力随基坑开挖深度的增加逐渐减小,最后趋于稳定。徐金岩和李红文［14］在壁板桩静载试验的基础上,使用ABAQUS 有限元软件分析壁板桩的水平承载特性,并与Zhang［15］的数值模拟结果进行对比分析,研究及结论可以为壁板桩的特性优化提供思路。

综上所述,基坑开挖对常规桩基变形和内力的影响已取得了许多重要的研究成果,然而关于基坑开挖引起邻近壁板桩内力和变形影响的研究还相对缺乏。为了定性及定量确定基坑开挖引起邻近壁板桩内力和变形的规律,揭示壁板桩变形机理,本文建立基坑-壁板桩-土体相互作用数值模型,从壁板桩内力和变形,周围土体应力分布等方面,分析基坑开挖卸荷对壁板桩变形影响规律,揭示壁板桩变形机理,从而为工程实践提供参考。

1 有限元分析

1.1 有限元网格及边界条件

图1 所示是本文采用的模型,长宽高分别72,60和45 m。土体模型四周以及底面均采用固定位移转角约束,这样可以保证整个模型外侧的面不发生水平变形,并且,模型底面也不会发生法向变形。基坑长宽各18 m,开挖深度9 m。壁板桩长度、宽度、厚度分别为15,10和1.2 m。壁板桩与基坑围护结构净距6 m。土体、挡土墙以及壁板桩均采用线性实体单元（C3D8）进行模拟,挡土墙与基坑采用tie 接触,壁板桩在基准模型中与土体的约束也是tie约束,tie约束可以绑定两个实体单元,不会发生相对滑动以及相对位移。在计算时发现,采用该种方法的模型计算较快,并且模型易收敛。

图1 基坑与壁板桩三维有限元模型

1.2 本构模型及参数

土体采用基于Mohr-Coulomb准则的理想弹塑性本构模型来模拟。需要5 个参数来描述土体的力学行为：基于Hook定律的弹性模量E,泊松比ν；土体强度参数摩擦角φ和粘聚力c 以及土体剪胀角ψ。根据《工程地质手册》（第5 版）［16］表3-1-24土的物理力学性质指标中细砂类型,选取土体参数如表1 所示。挡土墙以及壁板桩均采用线弹性材料；挡土墙弹性模量与泊松比分别为700 MPa、0.2,壁板桩弹性模量与泊松比分别为30 GPa、0.3。

表1 土体本构模型参数

1.3 有限元模拟过程

有限元模拟采用“控制生死单元”的方法模拟开挖。具体模拟过程如下：

首先,建立土体的初始应力场,土压力系数K0取为0.5。

然后,设置开挖步,使用remove 进行土体开挖,分别施加在开挖步EX1、EX2、EX3 上,每一次开挖深度为3 m。remove 方法是一种将实体上的几何元素分步移除来实现模型动态变化的方法,本课题使用的remove语句如下：

*model change,remove。

该方法可以很好的模拟真实条件下土体开挖引起周围场地条件的改变,模型容易收敛。具体的模拟开挖过程EX1、EX2、EX3见图2。

图2 分步开挖示意图

2 结果及分析

2.1 模型位移与应力云图

图3 为模型X 方向位移云图与应力云图。从位移图可见,由于壁板桩的存在,基坑周围土体位移呈非对称分布,壁板桩所在一侧土体水平位移大小小于另一侧位移,但主要土体位移影响区域增大。这可能是由于壁板桩的“遮帘效应”影响。从应力图可见,与壁板桩相邻两侧土体应力呈对称分布,而壁板桩周围土体出现应力集中现象。基坑周围由于基坑土体的移除,产生向着基坑方向的运动,但是周围土体会受到挡土墙的阻挡与挤压作用,产生向上的位移。因此,壁板桩周围土体会有一定的隆起。

图3 位移云图与应力云图

2.2 基坑开挖对壁板桩中心截面水平位移的影响

图4 是基坑开挖引起壁板桩中心截面水平位移图。基坑在壁板桩左侧,坐标轴0处为初始壁板桩位置,模型中假定壁板桩向模型带桩侧边缘发生位移为正值,横坐标为壁板桩中心截面位移量,纵坐标为壁板桩深度。从图4可以看出,随着开挖步的增加,壁板桩上端逐渐向右侧远离基坑的方向进行偏移,壁板桩下端,逐渐向靠近基坑的方向发生位移。在开挖完毕时,壁板桩上端位移最大值为5.07 mm,模型最下端位移为-3.92 mm,整体位移趋势为线性变化。壁板桩上部位移对应开挖步ex1、ex2、ex3 增加值分别为1.92,1.93,1.22 mm,可知ex1 壁板桩水平位移为ex2 水平位移值的99.5%,ex3 壁板桩水平位移为ex2 水平位移值的62.9%,ex1 与ex2 的壁板桩位移值基本相同,壁板桩在基坑开挖深度为0～6 m时位移最大。

图4 壁板桩中心截面水平位移

2.3 基坑开挖对壁板桩中心截面应力的影响

图5 为壁板桩中心截面应力变化图。横坐标为壁板桩中心截面应力值,纵坐标为深度,基坑位于左侧,与位移图所示方位相同。壁板桩整体均为应力释放的状态,最大应力位于6.92 m深度处,大小为54.28 kPa。随着开挖步增加,图像整体趋势不变,最大应力逐渐增大,应力释放增加。壁板桩三个开挖步x方向上的最大应力值分别为24.52,42.11,54.16 kPa,ex2 与ex3 间最大应力值为ex1 与ex2 之间增加应力值的68.5%,说明在ex1与ex2 时壁板桩应力变化较大,土体应力释放主要存在于挖到0～6 m 这个深度时,在第三开挖步6～9 m 时土体应力释放相对较小,但也不可忽略。

图5 壁板桩中心截面应力变化

2.4 基坑开挖对桩周土体附加压力的影响

图6 为桩周土体附加压力图。横坐标为桩周土体压力值,纵坐标为桩周土体深度,基坑位置在图像左侧,坐标轴0 处为壁板桩与土体接触位置。由图6可知,图像左侧为负值,表示应力释放；右侧压力为正值,表示应力增加。地表端压力为9.33 kN,壁板桩底部压力为-7.57 kN,随着开挖步增加,整个图像出现压力值逐渐增加的趋势。可以看出,图像在0 处均与坐标轴y 轴出现交点,在该点左侧图像上升趋势渐渐减小,右侧图像上升趋势渐渐增加,该点为桩周土压力变化曲线的拐点,位于桩顶以下3 m处,为桩长的1∕5。

图6 桩周土体压力分布

下面探究产生这种现象的原因。由壁板桩中心截面应力变化图可知,壁板桩与基坑之间的土体受挤压作用,但是由于挡土墙的阻挡,土体一部分会产生向上的运动,另一部分会造成基底隆起。此时壁板桩受方向向右的土体应力,会产生上部向右的运动,与壁板桩中心截面水平位移图所示情景相同,随着开挖步增加,壁板桩上侧与基坑距离增加,下侧与基坑距离减少。

3 结论

本文在三维数值模拟的基础上,对壁板桩的内力及变形以及桩周土体应力变化均进行了分析,可以得到以下结论：

（1）由于壁板桩的存在,基坑周围土体位移呈非对称分布,壁板桩所在一侧土体水平位移大小小于另一侧位移,但主要土体位移影响区域增大。壁板桩周围土体出现应力集中现象。

（2）随着开挖步的增加,壁板桩上端逐渐向远离基坑的方向进行偏移,壁板桩下端逐渐向靠近基坑的方向发生位移。基坑与壁板桩之间的土体受挡土墙的挤压作用,同时壁板桩承受土体传递的挡土墙的部分反作用力,这个作用力导致了壁板桩发生倾斜。

（3）随着基坑开挖深度的增加,壁板桩上附加土压力分布沿着桩长方向从应力增加变成应力释放,拐点位于壁板桩桩顶以下桩长的1∕5处。