深基坑樁基承載力影響因素分析

楊燁勛，李杰明

(云南送變電工程有限公司，云南 昆明 650051)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市地下空間的運(yùn)用也越來(lái)越頻繁，由此產(chǎn)生了大量的深基坑工程，目的是為了提高施工效率，節(jié)約建設(shè)成本。但是對(duì)于深基坑工程的樁，由于諸多因素的影響，進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果與在地面檢測(cè)的結(jié)果差異比較大[1-3]，所以不能有效判斷出樁的實(shí)際內(nèi)力情況。部分學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一定程度的研究，宋利文等[4]依據(jù)冗余度理論，對(duì)深基坑工程中水平支護(hù)體系進(jìn)行分析，研究施工工況情況下支護(hù)結(jié)構(gòu)中內(nèi)支撐桿件的局部損壞對(duì)基坑的影響。英國(guó)的British Standard、歐洲的Eurocode I及美國(guó)的GSA2003、DOD2010均較為詳細(xì)的闡述了結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的設(shè)計(jì)方法及流程[5-8]。夏建中[9]采用有限元軟件分析了多道支撐在樁撐支護(hù)的基坑中的作用。阮祎萌[10]采用FRWS和Visual MODFLOW進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和降水分析，張飛等[11]運(yùn)用有限元法得到不同樁的樁長(zhǎng)、樁徑和樁距與土質(zhì)渠坡穩(wěn)定安全系數(shù)的關(guān)系，李友元[12]利用數(shù)值模擬分析了高鐵群樁受堆載作用的變形特性?；谏鲜鲅芯?，本文采用FRWS分析了一道水平支撐灌注樁、兩道水平支撐灌注樁、SMW工法的樁徑、支撐位置和嵌固深度等因素對(duì)樁身內(nèi)力的影響。

1 工程概況

以昆明市某深基坑為研究對(duì)象，主要實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為電力工程基坑基礎(chǔ)。基坑寬度約120m，最大斷面長(zhǎng)度超過(guò)260m，最大開(kāi)挖深度達(dá)15m。擬建建筑地下部分為水池及設(shè)備結(jié)構(gòu)。圖1為基坑的周邊環(huán)境。周圍的環(huán)境很復(fù)雜。靠近基坑的建筑(結(jié)構(gòu))包括北部22m的住宅，西部20m的在建輕軌站，以及55m的?？漆t(yī)院。

圖1 基坑周邊環(huán)境

2 有限元模型

2.1 模型建立

根據(jù)已有設(shè)計(jì)資料建立有限元數(shù)值模型，主要參考了基坑的平面圖，圖2為基坑樁基受力平面圖，H為開(kāi)挖深度，q為均布荷載，hw為地下水位。采用FRWS建立基坑中樁基-土體模型，進(jìn)行計(jì)算分析。在數(shù)值建模時(shí)，根據(jù)勘察資料確定土層分布和地下水位；根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)確定基坑的平面形狀和開(kāi)挖深度，并考慮不同支撐位置、樁徑、不同嵌固深度以及水平支撐數(shù)量和工法對(duì)樁基承載力的影響。

圖2 樁基受力平面示意圖

2.2 參數(shù)信息

用實(shí)體單元模擬土體和樁基，本構(gòu)模型為莫爾-庫(kù)侖模型，用結(jié)構(gòu)單元模擬圍護(hù)樁(C30混凝土)，其抗彎剛度根據(jù)直徑求出；內(nèi)支撐及土釘?shù)葮?gòu)件采用桿件單元模擬(混凝土C30)。擬定混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30，地面超載取為20kPa。土質(zhì)條件及參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 土質(zhì)參數(shù)信息

2.3 計(jì)算工況

為探究基坑中各因素對(duì)樁基承載力的影響大小，擬定各因素的計(jì)算工況，見(jiàn)表2。

表2 各因素計(jì)算工況表

3 有限元分析結(jié)果

3.1 一道水平支撐灌注樁

3.1.1支撐位置對(duì)樁身變形及內(nèi)力影響研究

(1)水平位移

圖3為深基坑樁基嵌固深度為12m、樁徑為1m時(shí)，一道水平支撐灌注樁中樁身水平位移隨支撐位置的變化趨勢(shì)。由圖3可知，樁身水平位移隨著深度的增加先增大后減小，最大水平位移處于開(kāi)挖面下部約1m位置處。

圖3 一道水平支撐灌注樁水平位移隨支撐位置的變化趨勢(shì)(H=7m，d=1.0m，D=12m)

樁頂水平位移：當(dāng)支撐位置2m時(shí)，為2mm；當(dāng)支撐位置2.5m時(shí)，為8.5mm；當(dāng)支撐位置3m時(shí)，為15.9mm，即樁頂水平位移隨著支撐位置的增加而逐漸增加。

樁身最大水平位移：當(dāng)支撐位置2m時(shí)，為22.7mm；當(dāng)支撐位置2.5m時(shí)，為23.5mm；當(dāng)支撐位置3m時(shí)，為24.9mm，即樁身最大水平位移隨著支撐位置的增加而增加，且變化量顯著小于樁頂水平位移的變化量。

樁底水平位移：當(dāng)支撐位置2m時(shí)，為1mm；當(dāng)支撐位置2.5m時(shí)，為0.9mm；當(dāng)支撐位置3m時(shí)，為0.7mm，即樁底水平位移隨著支撐位置的增加而減小，但是變化量較樁身水平位移小。

(2)彎矩

圖4為嵌固深度為12m、樁直徑為1m時(shí)，一道水平支撐灌注樁中樁身彎矩隨支撐位置的變化趨勢(shì)。由圖4可知，樁頂較小范圍內(nèi)樁身彎矩為0kN·m，隨后樁身彎矩隨森度的增加先增加后減小。當(dāng)支撐位置分別為2、2.5、3m時(shí)，最大樁身彎矩出現(xiàn)在7.5m處，且最大樁身彎矩分別為1191.9、1069.7、935.8kN·m，即樁身最大彎矩隨支撐位置的下移而逐漸下降。

圖4 一道水平支撐灌注樁中彎矩隨支撐位置的變化趨勢(shì)(H=7m，d=1.0m，D=12m)

3.1.2樁直徑對(duì)樁身變形及內(nèi)力的影響研究

(1)水平位移

圖5為嵌固深度為12m，支撐位置為2.5m時(shí)，一道水平支撐灌注樁中樁身水平位移隨樁直徑的變化趨勢(shì)。由圖5可知，樁身水平位移隨著深度的增加先增大后減??；當(dāng)樁直徑為0.6m時(shí)，樁頂水平位移為-13mm，當(dāng)樁直徑為0.8m時(shí)，樁頂水平位移為3mm，當(dāng)樁直徑為1m時(shí)，樁頂水平位移為8.5mm，即樁頂水平位移隨樁直徑的增大而增大。而當(dāng)樁直徑為0.6m時(shí)，樁身最大位移為61.1mm，當(dāng)樁直徑為0.8m時(shí)，樁身最大位移為34.9mm，當(dāng)樁直徑為1m時(shí)，樁身最大位移為23.5mm，樁身最大位移隨樁直徑的增大而減小，且變化量顯著大于樁頂水平位移的變化量。樁直徑為0.6m時(shí)，樁底水平位移為0.9mm，樁直徑為0.8m時(shí)，樁底水平位移為0.3mm，樁直徑為1m時(shí)，樁底水平位移為0.9mm，即樁底水平位移變化不大。

圖5 一道水平支撐灌注樁中水平位移隨樁直徑的變化趨勢(shì)(H=7m，h=2.5m，D=12m)

(2)彎矩

圖6為嵌固深度12m、支撐位置2.5m時(shí)，一道水平支撐灌注樁中樁身彎矩隨樁直徑的變化趨勢(shì)。由圖6可知，樁頂較小范圍內(nèi)樁身彎矩為0kN·m，隨后隨著深度的增加樁身彎矩先增大后減小。當(dāng)樁直徑分別為0.6、0.8、1.0m時(shí)，最大彎矩出現(xiàn)在7m左右，且最大彎矩分別為732.4、906.3、1069.7kN·m，即樁身最大彎矩隨樁直徑的增大而增大。

圖6 一道水平支撐灌注樁中彎矩隨樁直徑的變化趨勢(shì)(H=7m，h=2.5m，D=12m)

3.1.3嵌固深度對(duì)樁身變形及內(nèi)力影響研究

(1)水平位移

樁直徑1m，支撐位置2.5m時(shí)，一道水平支撐灌注樁中樁身水平位移隨嵌固深度的變化趨勢(shì)。樁身水平位移隨深度的增加先增大后減小。當(dāng)嵌固深度變化時(shí)，樁身水平位移基本沒(méi)變化，即當(dāng)開(kāi)挖深度為7m，樁直徑為1m，支撐位置為2.5m時(shí)，一道水平支撐灌注樁中嵌固深度對(duì)樁身水平位移無(wú)影響。

(2)彎矩

圖7為樁直徑1m，支撐位置2.5m時(shí)，一道水平支撐灌注樁中樁身彎矩隨嵌固深度的變化趨勢(shì)。由圖7可知樁頂較小范圍內(nèi)樁身彎矩為0kN·m，隨后隨著深度的增加樁身彎矩先增大后減小。但當(dāng)樁直徑變化時(shí)，樁身彎矩基本沒(méi)變化，即當(dāng)開(kāi)挖深度為7m，樁直徑為1m，支撐位置為2.5m時(shí)，一道水平支撐灌注樁中嵌固深度對(duì)彎矩?zé)o影響。

圖7 一道水平支撐灌注樁中彎矩隨嵌固深度的變化趨勢(shì)(H=7m，h=2.5m，d=1.0m)

3.2 兩道水平支撐灌注樁

3.2.1支承位置對(duì)樁身變形及內(nèi)力影響研究

(1)水平位移

圖8為樁直徑1m，嵌固深度12m時(shí)，兩道水平支撐灌注樁中水平位移隨支撐位置(h1、h2)的變化趨勢(shì)。由圖8可知樁身水平位移隨深度的增加先增大后減小。當(dāng)支撐位置變化時(shí)，樁身水平位移基本沒(méi)變化，即當(dāng)開(kāi)挖深度為7m，樁直徑為1m，嵌固深度為12m時(shí)，兩道水平支撐灌注樁中不同支撐位置對(duì)水平位移無(wú)影響。

圖8 兩道水平支撐灌注樁中水平位移隨支撐位置的變化趨勢(shì)(H=7m、D=12m)

(2)彎矩

圖9為樁直徑1m，嵌固深度12m時(shí)，兩道水平支撐灌注樁中彎矩隨支撐位置(h1、h2)的變化趨勢(shì)。由圖9可知，樁頂較小范圍內(nèi)彎矩為0kN·m，隨后隨著深度的增加樁身彎矩先增加后減小。但當(dāng)支撐位置變化時(shí)，樁身彎矩基本沒(méi)變化，即當(dāng)開(kāi)挖深度為7m，樁直徑為1m，嵌固深度為12m時(shí)，兩道水平支撐灌注樁中支撐位置對(duì)彎矩基本無(wú)影響。

圖9 兩道水平支撐灌注樁中彎矩隨支撐位置的變化趨勢(shì)(H=7m、D=12m)

3.2.2樁直徑對(duì)樁身變形及內(nèi)力的影響研究

(1)水平位移

當(dāng)嵌固深度12m，第一道支撐位置h1為2m和第二道支撐位置h2為4m時(shí)，兩道水平支撐灌注樁中水平位移隨樁直徑的變化趨勢(shì)。經(jīng)計(jì)算，水平位移隨深度的增加先增加后減小。當(dāng)樁直徑為0.6m時(shí)，樁頂水平位移為-14mm；當(dāng)樁直徑為0.8m時(shí)，樁頂水平位移為-5.8mm；當(dāng)樁直徑為1m時(shí)，樁頂水平位移為-0.5mm，即當(dāng)樁頂水平位移隨樁直徑的增加而減小。而當(dāng)樁直徑為0.6m時(shí)，樁身最大水平位移在8.25m處為46.6mm；當(dāng)樁直徑為0.8m時(shí)，樁身最大水平位移在8.5m處為28.5mm；當(dāng)樁直徑為1m時(shí)，樁身最大水平位移在8.5m處為19.4mm，即樁身最大水平位移位置變化不大，最大水平位移值隨樁直徑的增加而減小，且變化量相對(duì)于樁頂位移較大。而當(dāng)樁直徑為0.6m時(shí)，樁底水平位移為1.4mm；當(dāng)樁直徑為0.8m時(shí)，樁底水平位移為0.9mm；當(dāng)樁直徑為1m時(shí)，樁底水平位移為1.5mm，即樁底水平位移隨樁直徑的增加而增加，但變化量相對(duì)于樁頂位移較小。

(2)彎矩

圖10為開(kāi)嵌固深度12m，第一道支撐位置h1為2m和第二道支撐位置h2為4m時(shí)，兩道水平支撐灌注樁中彎矩隨樁直徑的變化趨勢(shì)。由圖10可知，樁頂較小范圍內(nèi)樁身彎矩為0kN·m，隨后隨著深度的增加樁身彎矩先增加后減小。當(dāng)樁直徑分別為0.6、0.8、1.0m時(shí)，最大彎矩在7.75m左右，且樁身最大彎矩分別為562.2、821.2、1061.8kN·m，即樁身最大彎矩隨樁直徑的增大而增大。

圖10 兩道水平支撐灌注樁中彎矩隨樁直徑的變化趨勢(shì)(H=7m、D=12m、h1=2 m，h2=4m)

3.2.3嵌固深度對(duì)樁身變形及內(nèi)力影響研究

(1)水平位移

當(dāng)嵌固深度12m，支撐位置2m和4m時(shí)，兩道水平支撐灌注樁中水平位移隨嵌固深度的變化趨勢(shì)，經(jīng)計(jì)算可知水平位移隨深度的增加先增加后減小。而當(dāng)嵌固深度變化時(shí)，樁身水平位移基本無(wú)變化，即當(dāng)開(kāi)挖深度為7m，嵌固深度為12m，支撐位置為2m和4m時(shí)，兩道水平支撐灌注樁中嵌固深度對(duì)樁是水平位移無(wú)影響。

(2)彎矩

當(dāng)嵌固深度12m，支撐位置2m和4m時(shí)，兩道水平支撐灌注樁中樁身彎矩隨嵌固深度的變化趨勢(shì)，經(jīng)計(jì)算，樁頂較小范圍內(nèi)彎矩為0kN·m，當(dāng)嵌固深度分別為11、12、13m時(shí)，樁身最大彎矩均在7.75m處，且樁身最大彎矩分別為1073.9、1061.8、1048.8kN·m，即隨著嵌固深度的增加樁身最大彎矩減小。

3.3 SMW工法

3.3.1支撐位置對(duì)樁身變形及內(nèi)力影響研究

(1)水平位移

圖11為嵌固深度12m，樁直徑為1m時(shí)，SMW工法中水平位移隨支承位置的變化趨勢(shì)。由圖11可知，水平位移隨深度的增加先增大后減小。當(dāng)支撐位置分別為1m和5m、2m和5m、3m和5m時(shí)，樁頂水平位移分別為3、4.3、17mm，即當(dāng)?shù)诙乐挝恢貌蛔儠r(shí)，第一道支撐位置較淺時(shí)，樁頂水平位移不變，第一道支撐較深，樁頂水平位移變化顯著。而當(dāng)支撐位置為1m和5m時(shí)，樁身最大水平位移在8.5m處為17.5mm，當(dāng)支撐位置為2m和5m時(shí)，樁身最大水平位移在8.25m處為16.9mm，當(dāng)支撐位置為3m和5m時(shí)，樁身最大水平位移在6.25m處為20.4mm，及樁身最大水平位移變化不大。

圖11 SMW中水平位移隨支承位置的變化趨勢(shì)(H=7m，D=12m，B=1m)

(2)彎矩

圖12為嵌固深度12m，樁直徑1m時(shí)，SMW工法中樁身彎矩隨支承位置的變化趨勢(shì)，由圖12可知，樁頂較小范圍內(nèi)彎矩為0kN·m，隨后隨著深度的增加先增加后減小。當(dāng)支撐位置分別為1m和5m、2m和5m、3m和5m時(shí)，樁身最大彎矩在8m左右，且樁身最大彎矩分別為1420.1、1317.6、1024.1kN·m，即當(dāng)?shù)诙乐尾蛔?，第一道支撐位置下降時(shí)，樁身最大彎矩減小。

圖12 SMW中彎矩隨支承位置的變化趨勢(shì)(H=7m，D=12m，B=1m)

3.3.2樁直徑對(duì)樁身變形及內(nèi)力的影響研究

(1)水平位移

圖13為嵌固深度12m，支撐位置2m和5m時(shí)，SMW工法中水平位移隨樁直徑的變化趨勢(shì)，由圖13可知，水平位移隨深度的增加先增加后減小。當(dāng)樁直徑為0.6m時(shí)，樁頂水平位移為-2.8mm，當(dāng)樁直徑為0.8m時(shí)，樁頂水平位移為1.1mm；當(dāng)樁直徑為1m時(shí)，樁頂水平位移為4.3mm，即樁頂水平位移隨樁直徑的增加而增加。當(dāng)樁直徑為0.6m時(shí)，樁身最大水平位移在8m處為24.9mm；當(dāng)樁直徑為0.8m時(shí)，樁身最大水平位移在8.25m處為20.4mm；當(dāng)樁直徑為1m時(shí)，樁身最大水平位移在8.25m處為16.9mm，即樁身最大水平位移位置變化不大，樁身水平位移隨樁直徑的增加而減小。當(dāng)樁直徑為0.6m時(shí)，樁底水平位移為0.5mm；當(dāng)樁直徑為0.8m時(shí)，樁底水平位移為1.3mm；當(dāng)樁直徑為1m時(shí)，樁底水平位移為2.6mm，即樁底水平位移隨樁直徑對(duì)的增加而增加，但變化量不大。

圖13 SMW中水平位移隨樁直徑的變化趨勢(shì)(H=7m、D=12m、h1=2m，h2=5m)

(2)彎矩

當(dāng)嵌固深度12m，支撐位置2m和5m時(shí)，SMW工法中樁身彎矩隨樁直徑的變化趨勢(shì)，經(jīng)計(jì)算，在樁頂較小范圍內(nèi)樁身彎矩為0kN·m，隨后隨著深度的增加先增加后減小。當(dāng)樁直徑分別為0.6、0.8、1.0m時(shí)，樁身最大彎矩在7.75m左右，且樁身最大彎矩分別為823.9、1061、1317.6kN·m，即樁身最大彎矩隨樁直徑的增大而增大。

3.3.3嵌固深對(duì)樁身變形及內(nèi)力的影響研究

(1)水平位移

圖14為樁直徑1m，支撐位置2m和5m時(shí)，SMW工法中水平位移隨嵌固深度的變化趨勢(shì)，由圖14可知，水平位移隨著深度的增加先增加后減小。而當(dāng)嵌固深度變化時(shí)，樁身水平位移基本沒(méi)變化，即當(dāng)開(kāi)挖深度為7m，樁直徑為1m，支撐位置為2m和5m時(shí)，SMW工法中嵌固深度對(duì)水平位移無(wú)影響。

圖14 SMW中水平位移隨嵌固深度的變化趨勢(shì)(H=7m、B=1.0m、h1=2m，h2=5m)

(2)彎矩

當(dāng)為樁直徑1m，支撐位置2m和5m時(shí)，SMW工法中樁身彎矩隨嵌固深度的變化趨勢(shì)，經(jīng)計(jì)算，樁頂較小范圍內(nèi)樁身彎矩為0，隨后樁身彎矩隨深度的增加先增加后減小。而當(dāng)嵌固深度增大時(shí)，樁身彎矩基本沒(méi)變化，即當(dāng)開(kāi)挖深度為7m，樁直徑為1m，支撐位置為2m和5m時(shí)，SMW工法中嵌固深度對(duì)彎矩?zé)o影響。

4 結(jié)論

本文基于FRWS對(duì)深基坑中樁基承載特性分析，得出各影響因素對(duì)樁基內(nèi)力的影響規(guī)律，分析結(jié)果表明：

(1)一道水平支撐灌注樁，樁頂水平位移隨支撐位置的下降而增大，樁身最大水平位移也增大；樁身最大彎矩隨支撐位置的下降而減小。樁直徑增大，樁頂水平位移增大，樁身最大水平位移減??；樁身最大彎矩隨樁直徑的增加而增加。

(2)兩道水平支撐灌注樁，樁直徑增加，樁頂水平位移增加，樁身最大水平位移減小。樁身最大彎矩隨樁直徑的增加而增加。支撐位置對(duì)樁身彎矩和樁身水平位移無(wú)影響。

(3)SMW工法中第二道支撐位置不變，第一道支撐位置較淺時(shí)，樁頂水平位移不變；第一道支撐較深時(shí)，樁頂水平位移變化顯著；當(dāng)支撐位置變化時(shí)，樁身最大水平位移變化不大。第二道支撐位置不變第一道支撐位置增大時(shí)，樁身最大彎矩減小。樁直徑增加時(shí)，樁頂水平位移增加，樁身最大水平位移減小，樁身最大彎矩增大。

(4)一道水平支撐灌注樁、兩道水平支撐灌注樁和SMW工法，控制水平位移和樁身彎矩，相對(duì)于支撐位置，由于樁直徑對(duì)樁身水平位移和樁身彎矩均有影響，應(yīng)該考慮調(diào)整樁直徑。

(5)三種情況下嵌固深度對(duì)樁身彎矩及水平位移均無(wú)影響。