軟黏土基坑開挖對坑內工程樁的影響分析

王良良,胡立鋒,陳鵬飛,龔曉南

(1.紹興市柯橋區建設工程安全質量監督站,浙江 紹興 312030;2.浙江大學濱海和城市巖土工程研究中心, 浙江 杭州 310058；3. 浙江大學軟弱土與環境土工教育部重點實驗室,浙江 杭州 310058)

軟黏土基坑開挖對坑內工程樁的影響分析

王良良1,胡立鋒1,陳鵬飛2,3,龔曉南2,3

(1.紹興市柯橋區建設工程安全質量監督站,浙江 紹興 312030;2.浙江大學濱海和城市巖土工程研究中心, 浙江 杭州 310058；3. 浙江大學軟弱土與環境土工教育部重點實驗室,浙江 杭州 310058)

基坑開挖不僅使基坑的圍護結構產生變形,而且會對坑內工程樁產生一定的影響。今對柯橋某基坑進行PLAXIS建模分析,并與實測結果進行了對比,說明了模型的可靠。然后分析了在基坑開挖過程中,各排工程樁的變形和受力特點,研究了第一排工程樁與基坑的距離對工程樁變形和受力的影響,發現不同樁長工程樁受基坑開挖的影響程度不同,以及坑底攪拌樁加固對工程樁變形的影響。

基坑開挖; 工程樁;剪斷; 拉斷

隨著城市建設的蓬勃發展,人們越來越重視對地下空間的開發和利用,基坑開挖工程也向更深更大的方向發展。

在基坑開挖過程中,坑內土體不斷卸荷,坑內外壓力差變大,土體工程性質發生了很大變化,地基土的塑性平衡狀態受到破壞,導致周圍地層及土體的移動[1]。在這個過程中對工程樁的影響有兩方面可考慮：一是垂直受力,坑內開挖部分土體的卸荷,使坑底地基土回彈,有些樁可能要上浮,使得工程樁受拉破壞[2]；在基坑邊緣的樁,當基坑變形較大,向內側滑移時,基坑內土體向上隆起,也會產生向上的力。二是水平受力,基坑開挖使得圍護結構發生向坑內的位移,與此同時,土體也會向坑內移動,這樣原本已經打好的工程樁就會受到水平方向的力,造成偏移,甚至剪斷。同時,開挖降水也會對基坑變形和穩定造成很大影響[3],從而影響工程樁的性能和狀態。

據報道,名古屋地鐵的一個既有隧道及3層地下商場下修建新的地鐵隧道[4],采用樁進行托換,在樁身下部出現了很大的拉應力,且該拉應力隨開挖深度的增加而增加。

鄭剛等[4]通過對天津站基坑工程施工過程的的鋼管柱及地下連續墻的豎向位移監測以及進行的數值模擬,認為越靠近基坑中心,工程樁受到的拉力越大。

秦敏等[5]通過采用有限元分析方法的定量試算分析,結果表明,在同樣坡角情況下,坡高越大樁頂偏移越大；在同樣坡高情況下,坡角越大,樁頂偏移也越大。

龍善新[6]利用三維有限元程序,采用Mohr-Coulomb模型[7],分析了坑內設置單樁基礎的一個大面積的深基坑開挖工程,來研究基坑開挖前后此樁基承載力的變化,分析結果顯示基坑開挖之后坑內樁基礎的承載力有較大程度的降低[8]。

胡琦等[9]考慮工程樁對水平基床系數影響,將坑內工程樁與土體均質化,得到能夠同時考慮工程樁對坑內土體豎向與水平向變形影響的橫觀各向同性復合地基模型。該模型可以將復雜的大規模群樁問題簡化,同時，又能很好地反映工程樁對坑底回彈和圍護結構變形的影響。

本文對柯橋城市之星公寓基坑進行了PLAXIS建模,研究了基坑開挖對坑內工程樁的影響,分析了坑內工程樁變形特點和受力情況。

1 工程概況

城市之星公寓工程選址于柯橋區興越路和湖西路交叉口,工程南側為河道。本工程建設總用地面積29 664 m2,總建筑面積148 992.6 m2,主要由4幢25～32層商住樓及3～4層商業裙房與2層地下車庫組成。基坑平面形狀呈不規則矩形,基坑周長約660 m,基坑開挖面積約23 300 m2,基礎底板墊層底標高為 -10.350 m,地下室底板面標高-9.600 m,底板厚600 mm,基礎底設150 mm厚墊層,基坑大面挖深9.75 m。基坑西側與現代大廈隔路相望,基坑南側緊鄰河道,水深約4 m。基坑北側為興越路及基坑西側湖西路上埋深有較為密集的地下管線,其中Φ300供水管線(埋深1.2 m,基坑西側圍墻外)離基坑邊線最近約7 m。

基坑設計方案中,通過方案比選,在綜合考慮安全和成本的基礎上,基坑支護采用排樁(有較大放坡空間區域,采用土釘墻)+兩道鋼筋混凝土內支撐、水泥土攪拌樁止水的方式。內支撐經過合理布置,選用2個大圓環支撐,與周邊支撐梁形成桁架體系。

坑內工程樁采用灌注樁,樁徑0.6 m,按正三角形布置,三根樁位于三角形頂點,正三角形邊長1.8 m,每排三角形間距8.5 m。

2 模型的建立

基坑模型主體按照紹興柯橋城市之星公寓的基坑工程圍護設計方案建立,選取1-1剖面。基坑開挖深度10 m,圍護結構采用圍護樁加兩道混凝土支撐,地面以下3 m內采取放坡開挖,圍護樁頂在地面以下3 m處,樁底在地面以下25 m處,樁長22 m。兩道支撐分別設在地面以下3 m和7 m處。距坑邊6 m處往外10 m有大小為20 kPa的超載。模型建立從坑邊往外50 m,往內50 m,高50 m。

為了探究基坑開挖對內部工程樁的影響,建立了如下所示的模型(圖1)。在基坑內部設置8排間距為5 m的工程樁,工程樁長度分別設置了20 m和30 m兩種,第一排工程樁距離坑邊的距離分別設置了2,4,6 m三種情況。工程樁采用軸向剛度等效法換算為板樁[10]。

圖1 考慮坑內工程樁影響的模型

為了驗證建立的PLAXIS模型符合實際工程,把圍護樁變形實測結果與建立的模型計算結果進行了對比，見圖2。從圖中可以看出模型的計算結果中,側移的形狀基本與實測值相同,變形大小有所差異。按照傳統方法,不考慮止水帷幕、被動區土體加固和坑內工程樁的影響時,最大側移達到了65 mm,遠大于實測值。而考慮了止水帷幕時,最大側移為60 mm,有所減小；當同時考慮帷幕和被動區加固時,最大側移為50 mm,進一步減小了；當同時考慮止水帷幕、被動區加固和坑內工程樁影響時,最大側移39 mm,比實測值42 mm稍小,但誤差很小,此時兩者的側移圖形也很接近。

圖2 監測結果與模擬結果比較

3 模型結果分析

3.1 各排工程樁變形及受力比較

在基坑內部設置8排間距為5 m的工程樁,工程樁長度為30 m,第一排工程樁距離坑邊的距離為2 m。工程樁采用軸向剛度等效法換算為板樁,坑內未進行攪拌樁加固。各排工程樁變形結果和受力情況見圖3。

圖3 各排工程樁變形

各排工程樁受基坑開挖的影響都發生了不同程度的變形,基本上樁頂位移最大,樁底幾乎沒有位移。特別是在工程樁中部以上發生了很明顯的水平位移。工程樁距離坑邊越遠,受基坑開挖的影響越小,第一排工程樁頂的水平位移達到了40 mm,第八排工程樁頂的位移僅12 mm。

各排工程樁受基坑開挖的影響,都產生了類似“S”型的彎矩,距離坑邊越遠,產生的彎矩越小。第一排工程樁在樁頂往下5 m的地方和15 m的位置產生了很大的彎矩。見圖4。

圖4 各排工程樁彎矩

各排工程樁都產生了正負交錯的剪力,距離坑邊越遠,產生的剪力越小。第一排工程樁在樁頂往下10 m的位置產生了很大的剪力,這個位置容易發生工程樁剪短的危險,與工程經驗相符[11]。見圖5。

圖5 各排工程樁剪力

各工程樁都在樁的中部偏下的位置產生了最大軸力,距離坑邊越遠,產生的軸力越大。軸力的產生主要是由于基坑坑底回彈,產生隆起造成的。基坑圍護結構有限制坑底隆起的作用[12],所以，距離坑邊越近,產生的軸力反而越小。見圖6。

圖6 各排工程樁軸力

綜上所述,工程樁距離坑邊越近越容易發生剪斷;距離坑邊越遠,越容易發生拉斷。

3.2 第一排工程樁距坑壁不同距離的影響

第一排工程樁距離坑邊的距離分別為2、4、6 m時,發生的變形基本相同,樁頂水平位移都達到了35 mm以上。也就是說,第一排工程樁距坑壁的距離對工程樁的變形影響不大。見圖7。

圖7 第一排工程樁到坑壁距離對工程樁變形影響

第一排工程樁距離坑邊的距離分別為2,4,6 m時,彎矩圖形狀基本相同,但是從2 m到4 m的變化過程中,彎矩值減小很多,也就是說,工程樁越靠近基坑,彎矩值越大,而且增加得越來越快。因此,為了保護工程樁,建議第一排工程樁與基坑的距離要保持在適當值以上。見圖8。

圖8 第一排工程樁與坑壁的距離對工程樁彎矩的影響

第一排工程樁距離坑邊的距離分別為2,4,6 m時,剪力圖形狀基本相同,但是從2 m到4 m的變化過程中,彎矩值減小很多,也就是說,工程樁越靠近基坑,剪力值越大,而且增加得越來越快。也就是說第一排工程樁距坑邊距離過近,發生剪斷的可能性高很多。因此,為了保護工程樁,建議第一排工程樁與基坑的距離要保持在適當值以上。見圖9。

圖9 第一排工程樁與坑壁的距離對工程樁剪力的影響

第一排工程樁距離坑邊的距離分別為2,4,6 m時,軸力圖形狀基本相同,隨著第一排工程樁距坑邊的距離的增加,產生的軸力有很大的增量,且軸力最大點下移。因此,在遠離坑壁的工程樁需要考慮軸向拉斷的可能,設計時配筋方面需要考慮。見圖10。

圖10 第一排工程樁與坑壁的距離對工程樁軸力的影響

綜上所述,第一排工程樁不能離基坑太近,雖然變形沒有太大影響,但是彎矩和剪力值會急劇增加，有剪斷的可能。

3.3 工程樁不同樁長對工程樁變形及受力的影響

設置20 m和30 m兩種工程樁長度進行分析。選取第一排工程樁的變形和受力情況進行了對比。

工程樁樁長從30 m減小到20 m,工程樁的水平位移有明顯地增加,所以,基坑開挖對較短的工程樁的影響更大。見圖11。

圖11 基坑開挖對不同樁長的工程樁變形的影響

工程樁樁長從30 m減小到20 m,工程樁彎矩有明顯地增加,所以,基坑開挖對較短的工程樁的影響更大。見圖12。

圖12 基坑開挖對不同樁長的工程樁彎矩的影響

3.4 被動區加固對工程樁變形的影響

為了增加基坑穩定性,減小基坑圍護結構變形,往往會在基坑底部進行攪拌樁加固,而這種加固會對坑內工程樁產生明顯的影響,特別是對靠近基坑壁的工程樁有明顯的影響。見圖13。

圖13 被動區加固對工程樁變形的影響

被動區坑底加固明顯地減小了工程樁的變形,樁頂水平位移從40 mm減小到20 mm,同時減小了坑外沉降10 mm。所以,為了保護工程樁,建議采取基底加固措施。

4 結 語

通過建立PLAXIS模型,分析了基坑開挖對坑內工程樁的影響,可以得到以下的結論：

1)距離基坑壁越遠,各排工程樁產生的水平位移越小,所受彎矩和剪力越小,所受軸力越大。

2)第一排工程樁需要與基坑壁保持一定的距離以上,否則被剪斷的可能性會急劇增加。

3)基坑開挖對較短工程樁影響更大。

4)對基坑底部進行攪拌樁加固,可以在一定程度上減小工程樁的水平位移。

[1] 魏雪. 基坑開挖對坑底工程樁影響的數值模擬分析[D].山東：山東科技大學,2007.

[2] 魯宏. 考慮工程樁的存在對深基坑變形性狀影響的有限元分析[D].天津：天津大學,2004．

[3] 徐楓,魏建華,吳超. 基坑開挖對坑內工程樁影響的數值分析[J]. 地下空間與工程學報,2009(增刊2):1503-1506．

[4] 鄭剛,張立明,王琦,等. 基坑開挖對坑內工程樁影響的實測及有限元分析[J]. 天津大學學報,2012(12):1062-1070．

[5] 秦敏,嚴平. 深基坑放坡挖土引起工程樁偏位數值分析[J]. 低溫建筑技術,2012(3):95-97．

[6] 龍善新. 基坑開挖的變形效應對樁基承載力的影響[D].汕頭：汕頭大學,2011．

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[8] 秦帥. 超深基坑開挖對坑底工程樁受力及位移影響的數值分析[D].天津：天津大學,2014．

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[10] 鄭剛,王琦,張立明. 基坑開挖對坑底工程樁性能影響參數分析[J]. 建筑結構,2015,21:63-69．

[11] 陳鵬飛,龔曉南,劉念武. 止水帷幕的擋土作用對深基坑變形的影響[J]. 巖土工程學報,2014(增刊2):254-258．

[12] 魯宏,李小芳. 考慮工程樁存在對深基坑變形性狀影響的有限元分析[J]. 昆明理工大學學報：理工版,2006(5):56-60.

Analysis on the Influence of Excavating the Mild Clay Foundation Ditch to the Engineering Piles inside Ditch

WANGLiangliang,HULifeng,CHENPengfei,GONGXiaonan

2016-07-05

王良良(1983—),男，浙江紹興人，助理工程師，從事建筑工程管理工作。

TU473

B

1008-3707(2017)01-0026-05