基坑邊和施工便道行車對工程樁的影響

王昭軍

（中交四航局第七工程有限公司）

基坑工程是城市地下空間開發(fā)和利用的重要研究課題和方向，國內(nèi)外研究多采用數(shù)值模擬方法來對基坑開挖過程進(jìn)行研究和分析。數(shù)值模擬中有限元分析法可以解決非線性問題，適用于許多復(fù)雜的邊界條件[1]。利用有限元分析法計算基坑施工過程中工程樁的位移和彎矩，在實際的工程建設(shè)過程中具有根本的重要性和明確的技術(shù)運(yùn)用。基坑內(nèi)的土體在載荷作用下會發(fā)生側(cè)向變形和豎向變形。在工程施工過程中，影響基坑土體側(cè)向變形的因素相比于豎向變形相對復(fù)雜，因此對側(cè)向變形進(jìn)行的研究相對較少[2]。基坑土體的側(cè)向變形對工程樁存在較大的影響，側(cè)向變形影響沉降的同時，也影響工程樁結(jié)構(gòu)的受力[3]。李忠誠等[4]建立三維數(shù)值模型，進(jìn)行堆載-彈塑性地基-樁機(jī)共同作用有限元數(shù)值分析，對堆載作用下臨近樁基的力學(xué)特性進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，樁基的變形和彎矩與堆載呈正比例關(guān)系，堆載增加，樁基逐漸彎曲。楊敏等[5]在載荷作用下分析土體的側(cè)向位移，通過有限元法對不設(shè)置工程樁情況下的自由場土體側(cè)向位移和設(shè)置工程樁后的樁土相互作用兩種情況進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明，工程樁的變形規(guī)律與彈性模型、泊松比變化相關(guān)。

基坑工程的建筑主體工程樁大部分處于軟土層，自穩(wěn)性能極差，可認(rèn)為軟土層中的工程樁近似處于自由端。會引起處于軟土地質(zhì)的基坑開挖運(yùn)土階段，基坑開挖運(yùn)土車輛基坑邊行車和施工便道行車產(chǎn)生的堆載，會加劇周邊和坑內(nèi)土體應(yīng)力釋放，對樁周土體造成擾動，軟土向開挖方向移動，形成塑流，擠壓已施工的工程樁，從而產(chǎn)生側(cè)向位移及附加彎矩，可能誘發(fā)工程樁偏位、傾斜甚至斷樁不利影響。因此在基坑開挖運(yùn)土階段，對基坑邊和施工便道行車對已施工工程樁的影響力學(xué)特性和總應(yīng)力進(jìn)行分析，研究基坑邊和施工便道行車對工程樁的影響，對降低斷樁的風(fēng)險，保證基坑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量具有重大的意義。在本文中，根據(jù)基坑巖土層物理力學(xué)參數(shù)以及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和工程樁相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用數(shù)值模擬研究基坑邊和施工便道行車對主體結(jié)構(gòu)工程樁的不利影響。

1 有限元分析模型及參數(shù)

1.1 建模

根據(jù)巖土工程勘察報告，本文選取工程實例中最不利鉆孔作為典型鉆孔進(jìn)行計算。該鉆孔下土層結(jié)構(gòu)選取包含（1-0a）吹填土、（2-1）淤泥、（2-2）淤泥、（3-1）淤泥質(zhì)土、（3-2）粘土、（4-2）粘土、（5-2）粘土、（5-3）圓礫、（6-2）粉質(zhì)粘土、（6-3）圓礫、（7-2）粉質(zhì)粘土。土層結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如表1所示。

表1 巖土參數(shù)取值

根據(jù)基坑圖紙主體結(jié)構(gòu)樁基施工相關(guān)圖紙進(jìn)行建模，本次模擬的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和工程樁相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

樁身縱筋分為12φ22和12φ8兩個等級。經(jīng)計算，樁配筋為12φ22 對應(yīng)抗彎矩承載力設(shè)計值約為500kN·m，樁配筋為12φ28 對應(yīng)抗彎矩承載力設(shè)計值約為780kN·m。配筋較小的工程樁抗彎承載力對斷樁起控制作用，以下取樁身抗彎承載力設(shè)計值為500kN·m 進(jìn)行分析。

本文利用MIDAS GTS/NX 軟件建立二維分析模型，在模型建立過程中總體計算區(qū)域模型的選取充分考慮基坑開挖引起的邊界效應(yīng)，以建筑物外輪廓水平方向取基坑開挖3～5 倍以上，豎直方向取基坑開挖深度2～4倍以上位原則，放坡開挖分析計算模型幾何尺寸X 設(shè)置為200m，Y設(shè)置為100m。

計算過程中的主要載荷為行車載荷。初始數(shù)據(jù)為地面均布載荷20kPa，作用寬度6m。分析施工便道的影響時，除驗算均布載荷之外，同時按車輪作用集中力進(jìn)行驗算，施加2個集中力80kN，間距按輪距取1.8m。

二維分析模型的邊界條件為：模型左右邊界位置的節(jié)點約束模型X 方向的自由度；位于模型前后邊界位置的節(jié)點約束模型Y 方向的自由度；位于模型底部的節(jié)點約束模型Z 方向的自由度，其中Y 軸為二維模型中的重力方向。模型中結(jié)構(gòu)采用1D 梁單元，基坑內(nèi)土體采用二維平面應(yīng)變單元。模型中各土體層和構(gòu)件材料均考慮自重，自重方向Y 軸向下。本次模擬中結(jié)構(gòu)單元主要材料為混凝土，模型類型為線彈性本構(gòu)，土體單元采用硬化土模型（Hardening soil model，簡稱HS模型）。

1.2 施工工況分析

基坑內(nèi)土體的開挖和基坑內(nèi)的工程樁是隨時間變化的一個系統(tǒng)。根據(jù)模擬基坑開挖順序，列出關(guān)鍵工況。為模擬基坑邊和施工便道行車對工程樁的影響，本次模擬主要對基坑邊行車和施工便道行車對工程樁的影響進(jìn)行力學(xué)特性分析和總應(yīng)力分析。

1.2.1基坑邊行車分析

初始應(yīng)力場的計算分析模型內(nèi)只有巖和土體，是巖土工程分析的第一步；在地基加固、工程樁施工工況下激活攪拌樁施工邊界條件及工程樁單元；基坑放坡開挖過程中鈍化第一層開挖的土體；基坑支護(hù)樁施工工況下激活支護(hù)樁；基坑土體開挖工況下鈍化土體；施工行車載荷下激活施工便道上方的車輛載荷。

1.2.2施工便道行車分析

初始應(yīng)力場的計算分析模型內(nèi)只有巖和土體，是巖土工程分析的第一步；在工程樁施工工況下激活工程樁單元；施工便道攪拌樁施工工況下激活攪拌樁施工邊界條件，修改施工范圍內(nèi)土體材料屬性；施加車輛載荷工況下激活施工便道上方的車輛載荷。

2 數(shù)值模擬

對基坑邊和施工便道行車的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其整體的有限元網(wǎng)格如圖1 所示，不同工況下的有限元網(wǎng)格如圖2～圖3 所示，圖中不同顏色代表土層單元組和結(jié)構(gòu)單元組。基坑邊行車模型有13440 個單元，12266個節(jié)點。臨時便道行車模型有13440 個單元，12266 個節(jié)點。

圖1 基坑邊和臨時便道行車整體有限元網(wǎng)格

圖2 基坑邊行車典型施工步的有限元網(wǎng)格

圖3 施工便道行車典型施工步的有限元網(wǎng)格

3 模擬結(jié)果

根據(jù)模擬基坑開挖順序，本文主要得出基坑邊行車關(guān)鍵工況3～工況6 和臨時便道行車關(guān)鍵工況4 的計算結(jié)果，基坑邊行車和臨時便道行車工程樁最大位移如圖4～圖5 所示，單位為m；基坑邊行車和臨時便道行車工程樁最大彎矩如圖6～圖7所示，單位為kN·m。

圖5 臨時便道行車工程樁最大位移

圖6 基坑邊行車工程樁彎矩

圖7 臨時便道行車工程樁彎矩

由圖8 可知，工程樁的X 向位移最大值和工程樁彎矩標(biāo)準(zhǔn)值最大值隨著施工步的進(jìn)行不斷增大。基坑邊行車開挖完成后，坑頂行車時，工程樁的水平位移達(dá)到最大，最大值為98.5mm，工程樁的水平位移較大。在距離樁頂約5m 區(qū)域出現(xiàn)工程樁彎矩標(biāo)準(zhǔn)值最大值，計算的最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為196.9kN·m，載荷分項系數(shù)取1.3，最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為256kN·m，此處工程樁的抗彎承載力設(shè)計值約為500kN·m，因此出現(xiàn)斷樁的概率較小。

圖8 位移和彎矩變化圖

施工便道行車引起的工程樁水平位移最大值為1.61 mm，在距樁頂約5m 區(qū)域出現(xiàn)工程樁彎矩標(biāo)準(zhǔn)值最大值，計算的最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為24.7kN·m，載荷分項系數(shù)取1.3，最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為32kN·m，此處樁抗彎承載力設(shè)計值約為500kN·m，因此出現(xiàn)斷樁的概率較小。

模擬結(jié)果表明，開挖完成后再基坑邊行車對坑內(nèi)工程樁的影響較大，工程樁水平最大位移值為98.5mm，與《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》規(guī)定的限值比較接近，存在工程樁偏位較大的問題。

4 結(jié)論

場地基坑邊和施工便道行車會使基坑開挖面外載荷增加，基坑開挖面以下結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)位移，擠壓基坑內(nèi)的土體，對工程樁產(chǎn)生一定的水平位移和彎矩。為降低基坑邊行車和臨時便道行車過程中工程樁出現(xiàn)斷樁的風(fēng)險。本文基于基坑巖土層物理力學(xué)參數(shù)以及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和工程樁相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用MIDAS GTS/NX軟件建立二維分析模型，根據(jù)模擬基坑開挖順序，列出關(guān)鍵工況的下工程樁的最大位移和最大彎矩。結(jié)果表明，開挖完成后在基坑邊行車對坑內(nèi)工程樁的影響較大，工程樁最大位移值接近規(guī)定的限值，存在工程樁偏位較大的問題，有可能影響承臺與樁的定位連接、或者導(dǎo)致柱與樁基偏心受力，彎矩最大標(biāo)準(zhǔn)值小于工程樁的抗彎承載能力，出現(xiàn)斷樁的概率較小；施工便道行車的過程，工程樁最大位移值遠(yuǎn)小于規(guī)定的限值，對工程樁的影響較小，彎矩最大標(biāo)準(zhǔn)值小于工程樁的抗彎承載能力，出現(xiàn)斷樁的概率較小。在基坑開挖階段，出土車宜采用中小型車輛設(shè)備，基坑周邊超載不能大于20kPa，臨邊堆土高度不得大于1m，且臨邊堆土?xí)r間不得超過一天，出土車輛需嚴(yán)格控制每次出土量，不得超過出土車限載，開挖土方應(yīng)及時運(yùn)走，因此對實際基坑邊行車和施工便道行車車輛設(shè)備的選擇與堆載起到一定的指導(dǎo)意義。