孫華圣，趙越新，李佳輝，趙國(guó)棟，2

（1.淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院,江蘇 淮安 223001；2.中國(guó)電子系統(tǒng)工程第二建設(shè)有限公司,四川 宜賓 644600）

從20世紀(jì)90年代到現(xiàn)在,壁板樁已在世界范圍內(nèi)很多國(guó)家高層建筑中廣泛采用。在很多工程中,壁板樁可以起到比圓形截面樁更好的效果。馬來(lái)西亞雙子塔,就是側(cè)壁灌漿的新型壁板樁在超高層建筑物基坑工程中的典型應(yīng)用［1］。

近年來(lái),相關(guān)學(xué)者從理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及數(shù)值模擬方面對(duì)基坑開(kāi)挖引起常規(guī)樁基的變形規(guī)律及特點(diǎn)進(jìn)行了研究。

在理論分析上,張愛(ài)軍［2］等提出了一種研究基坑對(duì)鄰近樁基影響的分析方法,并推導(dǎo)了基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近的樁基響應(yīng)關(guān)系的解析表達(dá)式。廖偉［3］等梳理了目前樁基施工對(duì)既有鄰近的基礎(chǔ)以及建筑物影響的理論研究,并對(duì)擠土效應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比分析。張治國(guó)［4］和王衛(wèi)東［5］針對(duì)某地區(qū)深基坑工程進(jìn)行研究,分析了深基坑開(kāi)挖引發(fā)鄰近基礎(chǔ)較淺的建筑物的沉降規(guī)律,并提出了較合理的地表沉降的預(yù)測(cè)方法。

在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面,劉暢等［6］對(duì)某基坑工程的樁基礎(chǔ)進(jìn)行布點(diǎn)及監(jiān)測(cè)來(lái)研究樁身的應(yīng)變,他指出樁身應(yīng)變隨深度的變化有先增加然后降低的趨勢(shì),并且樁身的最大應(yīng)變位置出現(xiàn)在樁身的中部位置。郭月亮和田少坤［7］采取江蘇某發(fā)電站基坑工程為例,對(duì)樁基進(jìn)行取芯、以及采用超聲波探測(cè),并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土體開(kāi)挖監(jiān)測(cè)等方法探究基坑開(kāi)挖導(dǎo)致樁基出現(xiàn)問(wèn)題的原因,最后提出利用混凝土注漿來(lái)填充裂縫并合理的對(duì)樁進(jìn)行加筋補(bǔ)強(qiáng)來(lái)保障樁基的穩(wěn)定性。

在數(shù)值模擬上,劉?。?］利用FLAXIS模擬軟件,選擇HSS模型來(lái)研究基坑開(kāi)挖對(duì)既有鄰近樁基的影響,并對(duì)數(shù)值模擬過(guò)程中各階段的樁基位移以及樁自身的變形規(guī)律進(jìn)行研究。他指出,在實(shí)際基坑工程的施工過(guò)程中要對(duì)整體結(jié)構(gòu)的位移進(jìn)行數(shù)值模擬,不僅要確保符合施工規(guī)范,更要保證施工人員的安全。萬(wàn)鵬［9］在針對(duì)軟土地基開(kāi)挖對(duì)鄰近高架樁基的影響時(shí)建立了各個(gè)橋樁基的軸力云圖,并對(duì)地連墻水平位移進(jìn)行了分析,認(rèn)為基坑開(kāi)挖引起的壓力差是促成樁基沉降的根本原因。張樂(lè)樂(lè)［10］對(duì)基坑進(jìn)行三維數(shù)值模擬,研究結(jié)果指出,通過(guò)鋼板樁進(jìn)行基坑圍護(hù)可以較為有效地減小基坑開(kāi)挖對(duì)周圍地基造成的變形影響。任建喜［11］對(duì)北京某車站基坑實(shí)例進(jìn)行研究,運(yùn)用理論分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法,分析在開(kāi)挖過(guò)程中樁基的變形和發(fā)生破壞的型式,總結(jié)了影響基坑穩(wěn)定性的幾種因素,最后通過(guò)FLAC3D對(duì)該深基坑進(jìn)行動(dòng)態(tài)開(kāi)挖模擬,并根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。易建偉［12］使用FLAC3D 模擬基坑明挖時(shí)對(duì)樁基產(chǎn)生的影響?；娱_(kāi)挖深度越大,對(duì)基坑鄰近橋樁影響越大,樁的最大側(cè)移值和最大應(yīng)力值顯著增加；樁與基坑的距離越遠(yuǎn),所受的影響就越小。同時(shí),他提出在基坑周圍存在橋梁時(shí),基坑施工應(yīng)著重監(jiān)測(cè)與評(píng)估橋梁的側(cè)移值和應(yīng)力值。江杰等［13］使用ABAQUS軟件模擬基坑開(kāi)挖對(duì)樁基承載力的影響,并與實(shí)際工程相結(jié)合進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明樁基極限承載力隨基坑開(kāi)挖深度的增加逐漸減小,最后趨于穩(wěn)定。徐金巖和李紅文［14］在壁板樁靜載試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,使用ABAQUS 有限元軟件分析壁板樁的水平承載特性,并與Zhang［15］的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,研究及結(jié)論可以為壁板樁的特性優(yōu)化提供思路。

綜上所述,基坑開(kāi)挖對(duì)常規(guī)樁基變形和內(nèi)力的影響已取得了許多重要的研究成果,然而關(guān)于基坑開(kāi)挖引起鄰近壁板樁內(nèi)力和變形影響的研究還相對(duì)缺乏。為了定性及定量確定基坑開(kāi)挖引起鄰近壁板樁內(nèi)力和變形的規(guī)律,揭示壁板樁變形機(jī)理,本文建立基坑-壁板樁-土體相互作用數(shù)值模型,從壁板樁內(nèi)力和變形,周圍土體應(yīng)力分布等方面,分析基坑開(kāi)挖卸荷對(duì)壁板樁變形影響規(guī)律,揭示壁板樁變形機(jī)理,從而為工程實(shí)踐提供參考。

1 有限元分析

1.1 有限元網(wǎng)格及邊界條件

圖1 所示是本文采用的模型,長(zhǎng)寬高分別72,60和45 m。土體模型四周以及底面均采用固定位移轉(zhuǎn)角約束,這樣可以保證整個(gè)模型外側(cè)的面不發(fā)生水平變形,并且,模型底面也不會(huì)發(fā)生法向變形?；娱L(zhǎng)寬各18 m,開(kāi)挖深度9 m。壁板樁長(zhǎng)度、寬度、厚度分別為15,10和1.2 m。壁板樁與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)凈距6 m。土體、擋土墻以及壁板樁均采用線性實(shí)體單元（C3D8）進(jìn)行模擬,擋土墻與基坑采用tie 接觸,壁板樁在基準(zhǔn)模型中與土體的約束也是tie約束,tie約束可以綁定兩個(gè)實(shí)體單元,不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)以及相對(duì)位移。在計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn),采用該種方法的模型計(jì)算較快,并且模型易收斂。

圖1 基坑與壁板樁三維有限元模型

1.2 本構(gòu)模型及參數(shù)

土體采用基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的理想彈塑性本構(gòu)模型來(lái)模擬。需要5 個(gè)參數(shù)來(lái)描述土體的力學(xué)行為：基于Hook定律的彈性模量E,泊松比ν；土體強(qiáng)度參數(shù)摩擦角φ和粘聚力c 以及土體剪脹角ψ。根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第5 版）［16］表3-1-24土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)中細(xì)砂類型,選取土體參數(shù)如表1 所示。擋土墻以及壁板樁均采用線彈性材料；擋土墻彈性模量與泊松比分別為700 MPa、0.2,壁板樁彈性模量與泊松比分別為30 GPa、0.3。

表1 土體本構(gòu)模型參數(shù)

1.3 有限元模擬過(guò)程

有限元模擬采用“控制生死單元”的方法模擬開(kāi)挖。具體模擬過(guò)程如下：

首先,建立土體的初始應(yīng)力場(chǎng),土壓力系數(shù)K0取為0.5。

然后,設(shè)置開(kāi)挖步,使用remove 進(jìn)行土體開(kāi)挖,分別施加在開(kāi)挖步EX1、EX2、EX3 上,每一次開(kāi)挖深度為3 m。remove 方法是一種將實(shí)體上的幾何元素分步移除來(lái)實(shí)現(xiàn)模型動(dòng)態(tài)變化的方法,本課題使用的remove語(yǔ)句如下：

*model change,remove。

該方法可以很好的模擬真實(shí)條件下土體開(kāi)挖引起周圍場(chǎng)地條件的改變,模型容易收斂。具體的模擬開(kāi)挖過(guò)程EX1、EX2、EX3見(jiàn)圖2。

圖2 分步開(kāi)挖示意圖

2 結(jié)果及分析

2.1 模型位移與應(yīng)力云圖

圖3 為模型X 方向位移云圖與應(yīng)力云圖。從位移圖可見(jiàn),由于壁板樁的存在,基坑周圍土體位移呈非對(duì)稱分布,壁板樁所在一側(cè)土體水平位移大小小于另一側(cè)位移,但主要土體位移影響區(qū)域增大。這可能是由于壁板樁的“遮簾效應(yīng)”影響。從應(yīng)力圖可見(jiàn),與壁板樁相鄰兩側(cè)土體應(yīng)力呈對(duì)稱分布,而壁板樁周圍土體出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象?；又車捎诨油馏w的移除,產(chǎn)生向著基坑方向的運(yùn)動(dòng),但是周圍土體會(huì)受到擋土墻的阻擋與擠壓作用,產(chǎn)生向上的位移。因此,壁板樁周圍土體會(huì)有一定的隆起。

圖3 位移云圖與應(yīng)力云圖

2.2 基坑開(kāi)挖對(duì)壁板樁中心截面水平位移的影響

圖4 是基坑開(kāi)挖引起壁板樁中心截面水平位移圖?；釉诒诎鍢蹲髠?cè),坐標(biāo)軸0處為初始壁板樁位置,模型中假定壁板樁向模型帶樁側(cè)邊緣發(fā)生位移為正值,橫坐標(biāo)為壁板樁中心截面位移量,縱坐標(biāo)為壁板樁深度。從圖4可以看出,隨著開(kāi)挖步的增加,壁板樁上端逐漸向右側(cè)遠(yuǎn)離基坑的方向進(jìn)行偏移,壁板樁下端,逐漸向靠近基坑的方向發(fā)生位移。在開(kāi)挖完畢時(shí),壁板樁上端位移最大值為5.07 mm,模型最下端位移為-3.92 mm,整體位移趨勢(shì)為線性變化。壁板樁上部位移對(duì)應(yīng)開(kāi)挖步ex1、ex2、ex3 增加值分別為1.92,1.93,1.22 mm,可知ex1 壁板樁水平位移為ex2 水平位移值的99.5%,ex3 壁板樁水平位移為ex2 水平位移值的62.9%,ex1 與ex2 的壁板樁位移值基本相同,壁板樁在基坑開(kāi)挖深度為0～6 m時(shí)位移最大。

圖4 壁板樁中心截面水平位移

2.3 基坑開(kāi)挖對(duì)壁板樁中心截面應(yīng)力的影響

圖5 為壁板樁中心截面應(yīng)力變化圖。橫坐標(biāo)為壁板樁中心截面應(yīng)力值,縱坐標(biāo)為深度,基坑位于左側(cè),與位移圖所示方位相同。壁板樁整體均為應(yīng)力釋放的狀態(tài),最大應(yīng)力位于6.92 m深度處,大小為54.28 kPa。隨著開(kāi)挖步增加,圖像整體趨勢(shì)不變,最大應(yīng)力逐漸增大,應(yīng)力釋放增加。壁板樁三個(gè)開(kāi)挖步x方向上的最大應(yīng)力值分別為24.52,42.11,54.16 kPa,ex2 與ex3 間最大應(yīng)力值為ex1 與ex2 之間增加應(yīng)力值的68.5%,說(shuō)明在ex1與ex2 時(shí)壁板樁應(yīng)力變化較大,土體應(yīng)力釋放主要存在于挖到0～6 m 這個(gè)深度時(shí),在第三開(kāi)挖步6～9 m 時(shí)土體應(yīng)力釋放相對(duì)較小,但也不可忽略。

圖5 壁板樁中心截面應(yīng)力變化

2.4 基坑開(kāi)挖對(duì)樁周土體附加壓力的影響

圖6 為樁周土體附加壓力圖。橫坐標(biāo)為樁周土體壓力值,縱坐標(biāo)為樁周土體深度,基坑位置在圖像左側(cè),坐標(biāo)軸0 處為壁板樁與土體接觸位置。由圖6可知,圖像左側(cè)為負(fù)值,表示應(yīng)力釋放；右側(cè)壓力為正值,表示應(yīng)力增加。地表端壓力為9.33 kN,壁板樁底部壓力為-7.57 kN,隨著開(kāi)挖步增加,整個(gè)圖像出現(xiàn)壓力值逐漸增加的趨勢(shì)?？梢钥闯?圖像在0 處均與坐標(biāo)軸y 軸出現(xiàn)交點(diǎn),在該點(diǎn)左側(cè)圖像上升趨勢(shì)漸漸減小,右側(cè)圖像上升趨勢(shì)漸漸增加,該點(diǎn)為樁周土壓力變化曲線的拐點(diǎn),位于樁頂以下3 m處,為樁長(zhǎng)的1∕5。

圖6 樁周土體壓力分布

下面探究產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。由壁板樁中心截面應(yīng)力變化圖可知,壁板樁與基坑之間的土體受擠壓作用,但是由于擋土墻的阻擋,土體一部分會(huì)產(chǎn)生向上的運(yùn)動(dòng),另一部分會(huì)造成基底隆起。此時(shí)壁板樁受方向向右的土體應(yīng)力,會(huì)產(chǎn)生上部向右的運(yùn)動(dòng),與壁板樁中心截面水平位移圖所示情景相同,隨著開(kāi)挖步增加,壁板樁上側(cè)與基坑距離增加,下側(cè)與基坑距離減少。

3 結(jié)論

本文在三維數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,對(duì)壁板樁的內(nèi)力及變形以及樁周土體應(yīng)力變化均進(jìn)行了分析,可以得到以下結(jié)論：

（1）由于壁板樁的存在,基坑周圍土體位移呈非對(duì)稱分布,壁板樁所在一側(cè)土體水平位移大小小于另一側(cè)位移,但主要土體位移影響區(qū)域增大。壁板樁周圍土體出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（2）隨著開(kāi)挖步的增加,壁板樁上端逐漸向遠(yuǎn)離基坑的方向進(jìn)行偏移,壁板樁下端逐漸向靠近基坑的方向發(fā)生位移?；优c壁板樁之間的土體受擋土墻的擠壓作用,同時(shí)壁板樁承受土體傳遞的擋土墻的部分反作用力,這個(gè)作用力導(dǎo)致了壁板樁發(fā)生傾斜。

（3）隨著基坑開(kāi)挖深度的增加,壁板樁上附加土壓力分布沿著樁長(zhǎng)方向從應(yīng)力增加變成應(yīng)力釋放,拐點(diǎn)位于壁板樁樁頂以下樁長(zhǎng)的1∕5處。