挖填条件下锚固板桩墙墙体行为的数值研究

杨 悦

（中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 063030）

板桩墙是一种采用直立板条状构件进行挡土的建筑结构，通常应用在深基坑围护工程、边坡防护工程、临时围堰工程以及地下结构的修建中， 它可有效发挥抵御侧向土压力的作用。 板桩墙能够对基坑周围的土体进行有效抵御，避免出现渗水以及土体滑坡［1］。 用于提供横向土支撑的板桩墙可以是悬臂式或锚定式，与其他原位墙相比， 由于其系统刚度相对较低会产生相对较大的变形。

根据原地表标高和墙前后所需设计的标高， 工程上通常采用开挖和回填2 种不同的施工方法建板桩墙， 这2 种截然不同的施工方法会对墙周土产生不同的荷载和变形。目前，对墙周土产生不同的荷载和变形的研究是基于极限平衡理论进行的， 该理论认为板桩墙前后土体达到一种极限平衡状态， 主被动区依次受到了主动土压力和被动土压力， 土压力在板桩上呈线性分布［2］，但该理论并没有考虑由于墙体移动受限而引起的锚固水平附近土体应力集中问题。 随着计算技术的发展， 越来越多的学者在考虑锚固水平附近土体应力集中和施工工艺情况下， 采用有限元数值计算理论对板桩墙桩土作用机理进行深入研究［3-4］。 本研究综合考虑锚固水平附近土体应力集中和施工工艺等因素， 采用有限元方法对无黏性土中开挖和回填时锚固板桩墙的力学性能进行分析， 以期为锚固板桩墙的设计提供建议。

1 模型建立

选择3 种不同的墙体高度（6 m、9 m 和12 m）、开挖和回填2 种施工阶段、中密度砂和疏松砂2 种土壤类型分别进行建模，建模时假定水位高度为墙两侧的锚定水平面［5］，数值分析中使用的典型壁截面如图1所示。

图1 数值分析中使用的典型壁截面

分别考虑开挖土和地基土的不同土壤类型， 建立12 个模型，为节省篇幅，文中仅给出墙高为12 m 和墙高为6 m 时的4 个模型（DD12、DD6、DL12 和DL6）情况，模型中前2 个字母代码表示土壤类型（D 表示中密度沙，L 表示疏松沙），第1 个字母表示回填土，第2 个字母表示地基土，数字则表示墙的高度。

2 有限元分析

在本研究中， 假设数值模型边界深度为疏浚线以下墙体高度H 的2 倍， 模型宽度为墙体高度的8 倍，墙体位于模型宽度的中间。 当模型宽度大于墙体高度的8 倍时，板桩墙体的弯矩、位移和锚杆力不会再有任何的变化。 本文对板桩墙结构按平面应变问题进行有限元分析，计算区域为：取水平方向为8H，竖直方向取2H。 计算区域及网格划分情况如图2 所示。

图2 有限元模型

建模时，土层采用15 节点三角形单元，15 节点单元提供了位移的四阶插值， 数值积分涉及12 个应力点；采用五节点弹性板单元对板桩墙体进行建模，界面元素有10 个节点，土元素为5 个，壁元素为5 个，典型基坑有限元模型网格由1 500±30 个单元组成（其中土单元1 350±25 个， 墙单元51±3 个， 界面单元102±6个），充填体总元素数为1 118±27（其中土元素1 006±20，墙元素51±3，界面元素62±6）。 由于墙内和墙周围的应力集中，在这些区域加密有限元网格，而在远离墙的区域采用相对稀疏的网格。

本研究中采用摩尔库伦模型来模拟砂土的应力—应变行为。

3 结果与讨论

3.1 侧土压力

图3 和图4 分别显示了12 m 和6 m 墙高下DD12、DL12 、DD6 和DL6 模型下的侧土压力。 由图3和图4 知，随着墙高增加锚固板柱墙的侧土压力增大。在开挖和回填方式下， 墙体前后侧土压力变化趋势相似，2 种施工方法下， 锚固水平周围都存在应力集中，开挖情况导致锚杆水平以上的主动土压力增大。

图3 12 m 高墙体的侧土压力

图4 6 m 高墙体的侧土压力

3.2 墙位移

12 m 和6 m 墙体在开挖和回填施工阶段的侧向位移分别如图5 和图6 所示。

图5 12 m 高墙体在施工阶段的侧向变形

图6 6 m 高墙体在施工阶段侧向变形

由图5 和图6 知， 墙体位移随开挖深度的增加而增加。 墙体主要受到墙体周围土体的整体旋转运动的影响， 这些整体运动是由墙后大面积荷载引起的竖向土体应力不平衡引起的。

在回填阶段，墙体的运动几乎是基座的刚体旋转，如果地基土较松，墙体顶部会向外移动，如果地基土较松，墙体顶部会向后移动。

在开挖的最后阶段，墙体发生了明显的移动，最大变形发生在开挖的最后阶段。在回填情况下，整个施工阶段位移逐渐增大， 采用回填法施工的墙体在施工结束时变形较大。

3.3 墙体弯矩

板桩墙在整个施工阶段的弯矩如图7 和图8 所示。

图7 12 m 高墙体施工阶段弯矩

图8 6 m 高墙体施工阶段弯矩

由图7 和图8 知， 开挖工况和回填工况的弯矩存在显著差异。在施工阶段弯矩的发展速度、正弯矩和负弯矩的大小以及最大弯矩等存在差异。在开挖情况下，施工初期弯矩发展速度较慢，后期弯矩发展速度较快；而在回填情况下， 墙体弯矩的发展速度更为缓慢。 此外， 回填情况下墙体最大弯矩与锚位弯矩之比远高于开挖情况。

4 结论

采用有限元分析方法， 研究了开挖和回填施工方法以及不同的回填土、 地基土条件和墙高对无黏性土中锚定板桩墙性能的影响，得出如下结论。

（1） 施工方法对作用在墙体上的总侧土压力的影响不大。 采用回填法施工的墙体在锚固水平上方墙体后方的侧土压力较低， 被动土荷载的位置不受施工方法的影响，但回填情况与开挖情况相比，主动土荷载的高度略低。

（2）施工方法对墙体变形和墙体弯矩有显著影响。回填法施工比开挖情况的墙体变形和墙体弯矩平均值更高。此外，地基土壤的坚硬程度也对墙体变形有着重要的影响，地基土较松时的最大墙体变形较大。