基坑開挖對臨近樁基性狀影響的有限元模擬★

馬克生 梁仁旺

(太原理工大學土木工程系，山西太原 030024)

0 引言

城市基坑工程規(guī)模日益擴大，在既有建筑物附近進行基坑開挖的工程越來越普遍。基坑開挖會引起周圍土層和臨近建筑物樁基礎和上部結(jié)構(gòu)中的應力場和位移場發(fā)生改變，從而危及建筑物的安全，甚至引發(fā)工程事故。例如城市中地下停車場等地下空間的開發(fā)和利用、城市化建設中的舊城改造中進行的基坑工程附近往往會存在對既有建筑物的樁基礎的影響問題。樁—土間的相互作用問題是分析該類問題的基礎，但由于樁基礎所受荷載以及樁—土相互作用都處于動態(tài)平衡之中，這給研究帶來了不少困難。為此，開展基坑開挖時臨近樁基性狀的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

目前針對基坑開挖對臨近建筑物的樁基礎的影響問題的研究方法以有限元數(shù)值分析為主。Poulos［1，2］、楊敏［3-5］、鄭剛等從利用平面有限元和三維有限元對懸臂式排樁支護與內(nèi)支撐基坑開挖與臨近樁基的相互作用問題進行了研究，得到了一些對工程實踐有指導價值的定性結(jié)論。然而，上述研究中的樁基礎基本上為單排樁，很少考慮樁基礎中樁頂載荷、樁頂筏板等因素對樁土相互作用的影響，實際工程中建筑物或構(gòu)筑物下的樁筏基礎往往都由多排樁構(gòu)成，樁頂位移受到筏板的約束，并且受到上部結(jié)構(gòu)施加的豎向載荷作用。這些因素對于基坑開挖與臨近樁基的相互作用問題的影響值得深入研究。

1 數(shù)值模擬

1.1 計算模型及參數(shù)

為了系統(tǒng)研究基坑開挖臨近樁基的受力和變形特性，本文將土層簡化為兩層，上層為軟土層，厚6.0 m，以下為砂土層，幾何模型如圖1所示。計算區(qū)域水平方向150 m，豎直方向60 m。基坑開挖寬B=20 m，深H=8 m。軟土層天然重度16.0 kN/m3，變形模量E=5 000.0 kPa，泊松比v=0.35，不排水剪切強度 cu= 20.0 kPa，內(nèi)摩擦角為5°。下臥土層為砂層，厚度取40 m，其天然重度19.0 kN/m3，變形模量為25 000.0 kPa，泊松比v=0.25，內(nèi)摩擦角為30°，不排水剪切強度cu=2.0 kPa。

圍護樁直徑0.8 m，長度為12 m，中心距為1.2 m;臨近樁基取三排樁用以代表建筑物下樁基礎中的內(nèi)樁(靠近基坑一側(cè)的樁)、中間樁和外樁。臨近樁基距基坑開挖面2 m，樁長為20 m，樁徑為0.8 m，三排樁間中心距為2.5 m。筏板厚度2.0 m，模型兩側(cè)邊界采用水平約束，下端邊界采用固支約束。

本文土體采用以摩爾—庫侖理想彈塑性模型來模擬土的本構(gòu)關系。支護樁、臨近工程樁和內(nèi)支撐都采用線彈性梁單元，天然重度25.0 kN/m3，彈性模量E=3.0×107kPa，泊松比均為0.15。計算中由于本文采用平面有限元分析，忽略樁間土的繞流，將支護樁和樁基等效為板樁。板樁的彈性模量可按下式計算［3］：

其中，p為樁;s為土;u為相鄰樁的中心距離;d為樁徑。

圖1 計算模型示意圖

1.2 有限元計算結(jié)果分析

1.2.1 基坑開挖時臨近樁基周邊土層的水平位移

基坑開挖時臨近樁基周邊土層中的水平位移變化情況是分析基坑開挖對臨近樁基性狀影響的基本條件。圖2為基坑支護墻后分別考慮和不考慮基坑附近樁基礎上的載荷對地應力場的影響下，基坑開挖深度為8.00 m時基坑附近有樁基礎一側(cè)地面處土體水平位移曲線(見圖2a))，以及地面下4.00 m處土體水平位移曲線(見圖2b))。圖中的有荷載表示計算基坑開挖時考慮樁頂載荷對土中應力場的改變;土體水平位移朝向基坑方向時為正。

圖2 基坑開挖時樁基礎周圍土層中的水平位移

由圖2可以看出，地面下4 m處基坑支護墻后土體的側(cè)向位移隨著距離的增大而減少，而在地面處由于樁頂內(nèi)支撐的作用使得在基坑支護墻后土體的側(cè)向位移在樁基礎頂部附近達到最大值，此后隨著距離的增大而減少，而在基坑支護墻后由于樁頂筏板的作用使得樁頂附近的水平位移幾乎相同。從圖2中還可以看到考慮與不考慮樁頂載荷對土中應力場的影響對基坑周邊土體中的水平位移有明顯的影響，考慮樁頂荷載時基坑開挖引起的基坑支護墻后土體的水平位移值和影響范圍都明顯增大。

1.2.2 開挖深度的影響

顯然，基坑開挖深度不同時所卸除的載荷不同，對周邊環(huán)境的影響也不同。

從樁身水平位移和彎矩變化圖中可以看出，隨著開挖深度的增大，樁身水平位移顯著增大，其最大位移增長率顯著大于開挖深度的增長率。前排樁、中排樁和后排樁的樁身水平位移沿深度的趨勢類似，樁頂附近由于承臺的作用使得水平位移幾乎相同，而前排樁身最大彎矩數(shù)值則明顯比中排樁和后排樁大。與不考慮樁頂載荷相比較，樁頂附近的樁身水平位移增大明顯，樁底附近的樁身水平位移變化明顯不同，由朝向基坑方向變?yōu)楸畴x基坑方向。

在基坑開挖的過程中前排樁的樁身彎矩值較中樁和后樁變化幅度大。考慮樁頂載荷影響時，前后排樁樁頂彎矩符號相反，大小接近;中樁樁頂附近樁身彎矩比較小，下面部分樁身彎矩比較大;與不考慮樁頂載荷影響相比較，前后排樁的樁身彎矩變化趨勢接近，只是樁頂附近樁身彎矩數(shù)值差別比較大：前后排樁彎矩數(shù)值明顯偏大，中排樁彎矩數(shù)值明顯偏小。

2 結(jié)語

采用二維彈塑性有限元法對多種因素影響下基坑開挖時臨近樁基的性狀進行了分析，得到的結(jié)論有：1)樁基礎上的載荷對基坑開挖時樁基礎周圍土層中水平位移的變化有明顯的影響。樁基礎上的載荷不僅會使土層中的水平位移變大，還會使受基坑開挖影響的區(qū)域擴大。2)基坑開挖過程中，樁基礎中前排樁、中排樁和后排樁的樁身水平位移沿深度的趨勢類似，均隨著基坑開挖深度的增大而增大。前排樁的樁身彎矩值較中樁和后樁變化幅度大。

［1］ POULOS H G，CHEN L T.Pile response due to excavation-induced lateral soil movement［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1997，123(2)：94-99.

［2］ CHEN L T，POULOS H G.Piles subjected to lateral soil movements［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1997，123(9)：802-811.

［3］ 陳福全，楊 敏.地面堆載作用下鄰近樁基性狀的數(shù)值分析［J］.巖土工程學報，2005，27(11)：1286-1290.

［4］ 楊 敏，周洪波，楊 樺.基坑開挖與鄰近樁基相互作用分析［J］.土木工程學報，2005，38(4)：91-96.

［5］ 杜金龍，楊 敏.軟土基坑開挖對鄰近樁基影響的時效分析［J］.巖土工程學報，2008，30(7)：1038-1043.