基于有限元板桩墙深基坑支护的空间效应分析

摘要：通过三维有限元分析模拟阐述板桩墙在深基坑支护过程中的空间效应。本文着重分析开挖后板桩墙的弯矩、轴力和位移，以供在设计和施工参考。

关键词：板桩墙有限元空间效应

城市建设的高速发展进一步推动了基坑开挖与支护技术的发展，设计理念也从强度破坏极限状态逐渐转向变形极限状态控制。二维的设计方案已经不能满足现在的工程要求，空间效应逐渐成为不可忽略的重要因素。在深基坑支护方案中，板桩墙支护由于施工相对方便，应用较为普遍。混凝土板桩可预制采用矩形截面槽楔形式也可采用SWM工，前者对土体扰动较大但施工方便后者对土体扰动较小可以保证其连续完整性。板桩墙在支护过程中影响因素相对其他支护方式来说较少，利于对基坑支护特性进一步分析。本文以支撑式混凝土板桩墙支护作为研究对象主要研究其空间效应。

1工程概况

本工程为杭州某单体住宅，地下一层地上12层，上部结构为框架剪力墙基础形式为桩基础。基坑的支护方式为混凝土板桩，土层主要为软土地下水位较高。基坑周围十米有建筑物，故不宜进行直接降水处理，应该采用坑外止水坑内降水的措施以减小对周围建筑物的影响。基坑长为14m宽为12m，基坑深度为7m。由上至下主要土层为砂土0.5m，黏土1m，淤泥3.5m，深层粘土5.5m深层砂土6.5m。地下水位在地表以下1.5m处。在宽度方向加设两道支撑以控制桩顶位移。板桩墙的桩身长度为19.5m，地面以下19m，地面以上0.5m。

图1基坑开挖剖面示意图

Fig1 Section of deep xcavation

2 有限元计算模型[3]

模拟计算采用的软件为Plaxis 3D Foundation 大型岩土工程三维有限元软件。土体单元采用摩尔―库伦本构，模型板桩墙为墙单元，支撑为梁单元。由于板桩墙支护结构的整体性在建立模型的时候建立三维模型。网格划分整体为中级划分，局部进行加密划分以保证模拟计算过程中的准确性。模型的建立和计算过程中采用国际标准单位。边界条件为：土体四周设为水平约束，底部为固定，板桩墙设置为一个整体连接的拐角为刚接，支撑与板桩墙的连接方式为铰接。

图2有限元模型图

Fig2 Model of finite element analysis

3 模拟计算结果分析

目前深基坑支护设计过程中空间效应经常被忽略，而是将其简化为平面模型，同时借助较为传统的郎肯或者库伦土压力理论进行支护结构的设计。但是其计算结构偏于保守，事实上深基坑是三维的空间结构对其支护结构的考虑也应是复杂的三维空间受力结构。[1-2]大量的工程实践表明深基坑侧壁的受力和位移是不一样的。现就板桩墙支护结构进行空间三维有限元进行分析。

图3为基坑土体的整移云图，从图中可以看出带有支撑的板桩墙体及周围的土体对位移的控制比较好。没有支撑的板桩墙移出现较大的位移，最大位置出现在板桩墙体的中间位置。

图3模型整移云图

Fig3 Displacement of whole model

图4为板桩墙体的整移云图，通过位移云图可以看出在基坑开挖面以下板桩的位移很小。由于板桩墙体的整体性，在支护过程中没有倾覆的现象。在考虑板桩墙的空间作用下，不考虑地下水的情况嵌固深度的计算不能单纯的有滑裂面法或者桩底弯矩平衡法来计算是不合理的。在考虑地下水的时候板桩墙的作用还起到止水帷幕的作用可以同时起到维持基坑的稳定性和施工作业面地下水位稳定。

图4板桩墙整移云图

Fig4Displacement of sheet pile

基坑的稳定性中，对支护结构所受到的弯矩的控制是非常重要的。图5（a）、（b）为板桩墙支护结构的整体弯矩及弯矩方向示意图。图5（a）为扭转弯矩受力云图，从图中板桩墙弯矩云图可以看出，扭转弯矩的主要集中在板桩墙的顶部拐角处及基坑底部拐角处。图5（b）为基坑垂直方向弯矩，在基坑开挖面中间部分出现弯矩最大值，在施工和设计过程中可以适当的加强弯矩最大值出现位的强度或者增设支撑以保证板桩墙体在工作过程中的稳定性。基坑底部以上和以下的弯矩方向相反。

(a)

(b)

图5板桩墙弯矩云图及弯矩形式示意图

Fig5 Moment of sheet pile

(a)

(b)

图6板桩墙弯轴力云图及轴力形式示意图

Fig6 Axial force of sheet pile

图6为板桩墙的轴力云图及轴力形式示意图。图6（a）板桩墙横向轴力云图，在基坑开挖面以下主要为拉应力，在基坑开挖面以上为压应力而且在开挖面以上的板桩墙拐角处出现应力集中现象。图6（b）板桩墙的竖向应力云图在开挖面以上板桩墙的轴向应力为拉应力。在基坑底部挂角处出现应力集中，在设计和施工中可以适当加固。

4 结语

1）运用三维有限元软件进行数值分析，得到了板桩墙支护结构下基坑开挖的变形和力学特征，为板桩墙的设计和施工提供参考。

2）考虑板桩墙基坑支护的空间效应，在设计过程中如果单纯的考虑二维的设计理念对于板桩墙的空间整体效应影响的忽视会造成设计与实际情况不符，会造成局部受力或者位移过大。

3）在土压力的计算过程中应该考虑土压力的空间效应，使设计尽量贴近实际情况，保证板桩墙支护结构的材料的力学性能充分发挥。

参考文献：

[1] 冯新，周晶，范颖芳. 基于模态观测的混凝土坝反演分析[J]. 水力学报，2004，（2）；101―105.

[2] 熊孝波. 深大基础工程施工变形的智能预测与控制研究[D]. 上海：同济大学土木工程学院，2003

[3] 南硕，王丽彬，贾立舟.深基坑地下连续墙支护的数值分析[J].山西建筑，2010,29

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。