分析基坑開挖對擴底抗拔樁承載性能的影響

吳金齊

【摘要】當綜合基坑開挖造成的影響因素時，樁身實際的軸力遠遠大于沒有考慮該因素時大，并且出現最大的軸力點不是發生于樁頂的加載處，所以設計應注意到并配置給樁身足夠的配筋量。同軸力相對應，基坑開挖之后，樁側的表面會出現較大摩擦阻力，假如忽視對該阻力的影響，則會引起在上拔荷載的影響下樁側處摩擦力的失誤或偏差。通過對上拔荷載加以考慮之后，擴底樁端部阻力則會相應分擔約37%的荷載增量，顯示出擴底端于抗拔荷影響的有效性。

【關鍵詞】深基坑開挖；擴底樁；承載性能；抗拔；數值模擬

一、前言

隨著工程應用，擴底抗拔樁的范圍不段延伸，相關行業的人員加大了對擴底樁的抗拔承性能的研究力度。深基坑的開挖以及卸載的過程會導致坑底土出現明顯的回彈，帶動樁身出現更多的軸力，進而對樁基的整個承載性能造成較大的影響，該現象越來越受到工程界的關注和研究。本文站在前人相關研究的基礎上，選擇數值模擬的研究方式探討深基坑的開挖給擴底抗拔樁承載性能的直接或間接影響，以更好地實現以規律的角度對實際構造設計進行科學的指導。

二、有限元的研究分析模型

本次研究使用的限元分析的模型詳見圖1，工程以及維護樁選擇的是梁單元的模擬形式，選擇線彈性的構造關系；支撐選擇線彈性類別的錨桿給予模擬[1]；土體選擇高精度的15節點給予單元模擬。研究選擇軸對稱的基本模型：設定基坑的計算長度是1米，向下開挖的深度是20米，于基坑中心作為擴底的抗拔樁，其中樁共長28米，樁直徑為0.8米，擴底端是1.6米，擴底段的總長是2米，另外計算域是高60米，寬40米 [1-2]。

圖1：有限元的分析研究模型

三、基坑結束開挖后給擴底樁具備的承載性狀造成的影響

根據基坑開挖完成后關于土體的位移變化云圖可知：結束基坑開挖之后，處于樁身影響的土體會往上拱起，拱起值以樁端為最小值，樁頂為最大值，其變化的數值范圍大概是0～380毫米，且樁的垂直方向的位移大概是31毫米，樁土的相對位移其中性點為逐漸靠向擴底端的那小部分，可見樁與土體之間的相對位移的影響表現是在樁身形成軸力。

基坑開挖產生的土體回彈會給樁直接的影響表現同一般土體出現固結沉降時對樁身表面負摩擦力變化的影響截然相反。于中性點位置以上，土體會發生固結沉降的現象，樁土的相對位移此時主要表現是土體攜帶樁體向下沉降，并于樁身形成壓應力；但是基坑卸載時產生的土體回彈主要體現的是：土體相對于樁身向上出現為位移變化，于樁身形成拉應力。于中性點的位置以上范圍，土體會相對樁身出現向上位移變化的跡象，并于樁側發生向上的摩擦阻力；于中性點的位置以下范圍，土體會相對樁身出現向下位移變化的跡象，并于樁側發生向下的摩擦阻力。所以，于中性點該處樁身承載的拉力為最大值，向后慢慢降低。

四、在上拔荷載影響下擴底樁的承載性能變化研究

根據下圖（圖2、圖3）的信息可知，當樁頂受到上拔荷載的影響后，假如不關注基坑開挖過程導致出現的樁身軸力影響，和通常情況下的抗拔樁含義一致，樁身的軸力會從上至下出現下降，且樁身出現的最大拉力點主要是位于樁頂，隨著所加荷載的增加，樁身的軸力會不斷提高[2]。但是由于基坑開挖的過程中導致樁身的軸力發生后，會引起樁身實際軸力曲線的變化。另外最大的軸力點也未出現于樁頂的加載處，這證明了針對擴底抗拔樁來說，不考慮基坑開挖過程中對樁身軸力的影響，這不利于對樁身軸力的正確預測，進而會錯誤地判斷出軸力最大點的實際位置。

根據圖4的信息可知，同軸力變化相對應，不考慮基坑開挖造成的影響因素時，受樁頂的上拔荷載直接影響下樁側的摩擦阻力呈現出由樁頂向下的摩擦阻力，并且摩擦阻力的大小同上拔荷載的影響程度成正比關系。基坑開挖過程中土體導致的側樁摩擦力于中性點的位置是0，在該點的范圍以上呈現出向上的摩擦阻力，反之呈現出向下的摩擦阻力。當疊加基坑開挖環節導致的側摩擦阻力之后，可知受到上拔荷載的影響后，土體內的樁側摩擦阻力于中點性的位置范圍之上呈現出的是向上的摩擦阻力，而不是一般情況下未將基坑開挖因素納入考慮范圍導致的向下的摩擦阻力；并且考慮基坑開挖因素下中性點范圍以下產生的摩擦阻力于接近樁端區域較大。根據圖5的云圖資料可知，受到上拔荷載的影響后擴底端附近的土體會發生豎向和水平方向的應力變化，并且于底端位置應力顯著提高，大約承受了37%的荷載增加量，這提示了擴底端的抗拔表現[3]。

圖2：荷載500kN之后樁身軸力曲線 圖3：荷載2500kN之后樁身軸力曲線

圖4：樁側的阻力受深度的影響 圖5：上拔荷載的影響擴底端附近的土體的應力表現

五、結束語

綜合上述內容本文得出以下結論：（1）基坑開挖過程導致的土體回彈會對擴底樁的樁身形成較大軸力，并且樁身的中性點出現的位置會趨向于擴底端附近。（2）一般情況下，假如不關注基坑開挖過程導致出現的樁身軸力影響，樁身的軸力會從上至下出現下降趨勢。（3）同軸力相適應，基坑開挖結束后，樁側的表面會發生較大的摩擦阻力，假如對其忽略不計，會引起受到上拔荷載因素影響下的樁側摩擦阻力同預測存在較大差距。（4）受到上拔荷載的影響后擴底端樁的端部大約承受了37%的荷載增加量，這提示了擴底端抗拔的有效性。

【參考文獻】

[1]上官士青.淺談深基坑開挖周圍地表沉降的預測方法[J].中國西部科技，2009，5（23）：189-195.

[2]羅小兵.淺議房屋建筑基坑開挖[J].中國高新技術企業，2010，7（04）：178-185.

[3]謝應坤，劉新榮，王鵬等.某基坑開挖對既有鐵路隧道的影響分析[J].中國新技術新產品，2010，4（08）：108-124.