板桩墙加预应力锚索联合支护基坑变形分析

陈 鹤

(莆田市交通投资集团有限公司，莆田 351100)

桥梁施工中，当墩台位置采用浅基础结构形式时，在进行基坑开挖过程中，为提升支护方式对地层的适应性，往往采用多种结构型式联合支护， 分析施工过程中基坑变形特性，是基坑设计施工中的重点内容。本文采用有限元分析软件PLAXIS 3D 对基坑中板桩墙加预应力锚索联合支护型式进行计算模拟[1]，并通过变形监测结果对计算的有效性进行验证。

1 工程概况

某公路大桥长411 m， 高度为76 m， 全长共分为5跨，主跨部分采用连续钢结构形式。 其中3# 桥墩位于河流冲刷岸，高度65 m，采用薄壁空心墩结构。 桥墩承台尺寸为19.5 m×11.8 m×5.4 m 钢筋混凝土结构，采用端承桩群桩基础。 根据工程勘测资料，地表以下1.5 m 范围内为填土；1.5 m～8.9 m、12 m～23 m 范围内为砂土；8.9 m～12 m范围内为软黏土。初始地下水位面距离地表4 m。基坑长15 m，宽23 m，基坑深度为6.3 m。 开挖分2 层进行，第1层开挖至地表以下1 m 深度处。

由于基坑所处地层为砂层，且坑底以下存在软黏土，为防止基坑侧壁发生坍塌，采用板桩墙、内支撑、腰梁加预应力锚索联合支护形式。 本项目中腰梁、内支撑、预应力锚索均安装在距离地表1 m 深度处， 即第1 层开挖底部。腰梁沿基坑壁4 个边各布置1 根；内支撑为沿基坑长度方向布置3 根， 间距为5 m； 在基坑短边方向布置锚索，两侧均布置2 根，每根锚索长度为14.4 m，施加预应力200 kN。 为防止基坑底以下软黏土层对基坑施工变形造成不利影响，板桩墙进入地表以下11 m 深度处，穿透软黏土层。

2 有限元计算模型

土体硬化模型为有限元计算中土体本构模型中的一种，主要用于模拟砂土、碎石土应力应变特性，也可用于模拟黏土和淤泥等软土[2]。基坑开挖模拟计算中需要考虑初始加载和卸载—重加载过程中土体刚度差异， 而这恰恰是土体硬化模型的优势， 因此该模型是基坑数值计算中使用最多的模型之一。 该模型涉及的参数及取值见表1。 通常情况下砂土有效粘聚力 为0，但是有限元计算中直接将该值设为0，容易导致计算结果不收敛，因此取一个小值。

基坑中采用的板桩墙属于地层中的细长型结构，该结构轴向刚度和弯曲刚度较大， 因此计算中采用板单元模拟。板桩墙和土体之间的相互作用采用界面单元模拟。为简化计算，体现土体强度和界面强度的相互联系，墙土之间的相互作用通过引入界面强度折减因子实现[3-4]。 表2 所示为板桩墙力学参数。

表1 土体的基本物理力学性质

表2 板桩墙力学参数

根据受力特性， 基坑中单根预应力锚索可以分为锚固段和自由段。其中锚索锚固段采用嵌入式梁单元模拟，该单元本身不占有体积， 由于沿锚固段特定厚度的范围内土体处于完全弹性状态，因此可以按体积桩建模，在该范围内取土体参数与桩身材料参数一致。 锚索自由段采用点对点锚索单元， 通过常轴向刚度的弹簧既可实现锚索的受压状态模拟，又可实现锚索的受拉状态模拟。 表3所示为锚索锚固段和自由段的力学参数。

腰梁和内支撑的受力变形特性通过梁单元模拟，其相关参数见表4。

表3 预应力锚索参数

表4 腰梁和内支撑力学参数

计算几何模型尺寸为65 m(长)×100 m(宽)×20 m(深)。基坑位于几何模型中心。进行有限元计算，需将几何模型划分为多个单元，组成有限元网格。 进行网格划分时，为确保获得足够精确的数值计算结果，网格应尽可能细分。但是网格过细，数量过多，会造成计算时间过长。 为解决这一矛盾，Plaxis3D 程序自动考虑了土层、 结构对象、荷载以及边界条件特性，自动划分网格。各部位对应的单元类型和节点数见表5。

表5 各部位对应的单元类型和节点数

进行土层网格划分时，对基坑区域局部加密网格，而距离基坑较远的位置减少网格数量(图1)，这样既确保了重点分析区域的计算精度，又从整体上减少了计算量。图2 为支护结构网格划分。

图1 土层网格划分

图2 支护结构网格划分

根据施工步骤，计算共分5 步进行：

(1)地层初始应力：通过软件自带的K0过程生成；

(2)埋设板桩墙，开挖至地表以下1 m，实现第1 层开挖；

(3)安装腰梁、内支撑；

(4)安装预应力锚索；

(5)开挖至地表以下6.3 m，完成第2 层开挖。

3 基坑变形分析

3.1 地表沉降

图3 施工过程中地表沉降

本项目施工过程中产生的地表沉降如图3 所示。 开挖至地表以下1 m 时，地表沉降较小，这是由于开挖深度较浅。 埋设板桩墙至开挖结束，未进行后续支护时，基坑边缘出现最大沉降，1.5 mm。 通过采用腰梁、内支撑及预应力锚索支护后，地表最大沉降朝基坑壁后移动，且最大沉降值略有减少。开挖至第2 层时，因为前期支护已经施工完毕，所以虽然已经开挖至6.3 m 深度处，距离基坑壁2.3 m 处对应的地表最大沉降值仅为8.2 mm。

3.2 坑壁侧向变形

对于无支护的基坑，由于受水平土压力的影响，坑壁的侧向变形呈三角形分布[5]。 而增设内支撑以后，受支撑抗力的影响，坑壁的侧向变形形态发生了显著变化。具体表现为支护结构的中部向基坑内发生变形， 而顶部保持不变。 图4 为本项目第2 层开挖结束后坑壁侧向变形沿深度的分布。 在距离地表5.4 m 深度处，坑壁产生最大侧向变形，为12.5 mm。

图4 坑壁侧向变形

3.3 基坑底部土体隆起

基坑开挖深度不大时，坑底隆起表现为弹性变形，板桩墙外侧土体基本不会向坑内移动。 这类变形主要表现为中部隆起最高，在开挖结束后变形很快停止，并有恢复的趋势。

随着进一步加大开挖深度， 受基坑内外面高差所造成的压力差，以及地面各种超载的联合作用，板桩墙外侧土体向基坑内的移动，基坑坑底产生竖向塑性隆起，基坑中部与两边的隆起差逐渐减少。 本项目中基坑底壁附近与中心位置隆起量差值为2 mm。 中部最大隆起量为16.6 mm(图5)。

图5 坑底隆起

4 结论

(1)对于软黏土和砂土层中的基坑，联合采用板桩墙+内支撑+腰梁+预应力锚索支护形式， 可以取得较好的支护效果。

(2)本项目基坑开挖至6.3 m 深度处，地表最大沉降值为8.2 mm，位于距离基坑壁2.3 m 处；坑壁最大侧向变形为12.5 mm，发生在距离地表5.4 m 深度处；坑底最大隆起量为16.6 mm。

(3)采用Plaxis3D 软件可以有效地计算模拟基坑施工过程中的变形，从理论上论证设计、施工方案的可行性。