基坑開挖對周邊CFG樁復合地基力學性狀的影響

梁樂杰

(河北聯合大學建工學院，河北唐山 063009)

0 引 言

基坑開挖引起的土體側移對樁的影響作用不容忽視，在工程中所引起的事故經常發生，嚴重影響建筑物的安全。人們對此做了許多研究，但大部分是研究對單樁的影響，本文通過ANSYS有限元分析軟件，對周邊基坑開挖與周邊CFG樁復合地基的相互作用影響進行了研究，得出基坑開挖深度對群樁的影響。

ANSYS是集結構、流體、耦合、電磁場、聲場分析于一體的有限元分析軟件，主要包括前處理模塊、分析求解模塊、后處理模塊。本文采用ANSYS11.0對樁土作用進行分析。

1 樁土體系模型

1.1 基本假定

基本假定如下:

1)將土體設定為彈塑性材料，采用Drucker－Prager彈塑性模型，其材料特性包括粘聚力、內摩擦角和膨脹角;

2)建立三維模型，考慮到接觸問題，在樁和土、褥墊層之間設置接觸面單元。

1.2 計算參數的選取

本文有限元模型中的土體采用了Drucker－Prager材料，在此模型中，土體、樁、褥墊層均采用8節點的六面體實體單元solid45進行模擬，樁采用CFG樁，基坑開挖深度為5m，在開挖過程中采用放坡進行開挖，放坡系數為1:0.75，在數值模擬過程中，將土體單元采用大變形理論進行數值模擬，土體參數如表1。

表1 土體模型參數

表2 樁模型參數

1.3 本構關系

土體采用Drucker-Prager理想彈塑性本構模型，其屈服準則表達式為

該模型比較適合土體類材料的特性，優點在于簡單考慮靜水壓力對屈服強度的影響，并且參數少易確定，其中材料的常熟α和K與材料的摩擦角和內聚力有關。

1.4 基本模型的建立

樁深入上層土14 m，下層土1 m，與土體接觸為摩擦接觸類型，單元選取TARGE170和CONTA174，摩擦系數一般取0.2［1］。不考褥墊層入土部分，將其布置在土層以上，與樁建立接觸面。考慮到研究范圍，土的深度為樁長的3倍，見圖1。為減小計算量，考慮到模型的對稱性，本文采用四分之一土體進行模擬。在求解之前，對模型中土體的邊界進行約束，在邊界條件處理的問題上，本文土體在自重作用下并采用了底部邊界、X方向和Y方向的兩側邊界為固定邊界，其位移為0，模型底部實行了全部約束［2］。土體的應力主要是自重荷載，樁的應力是其自重應力和上部建筑物通過褥墊層底部和樁的剛性連接，將應力施加在樁頂。

2 數值計算結果及分析

基坑開挖采取三種不同的距離，分別為2 m，6 m，10 m，樁頂建筑物的荷載等效為均布荷載，大小為300 KPa。平行于基坑的三根樁取中間樁的變化特征，從左到右編號一次為123。各樁的水平位移，第三主應力分別如圖所示。

圖3 不同基坑開挖對樁水平位移的影響

從圖3可以看出，隨著基坑距樁距離的增加，對樁的水平位移越來越小，對單根樁來看，上部出現正位移，下部出現負位移，對樁中部的位移影響最小;當達到一定距離時，對樁底部幾乎沒有影響，上部出現較小的正位移;以上三張圖可以看出，基坑距離一定時，距離基坑越近的樁，位移影響最大，幾乎成線性變化。

不同基坑距樁的距離對樁的應力影響如圖4所示，當基坑距離樁較近時，對中間樁的影響最大，是由于樁土間的相互作用，引起中間樁受力最大;當達到一定距離時，對樁的影響由距離的增加而減小，對距離最遠的樁幾乎沒有影響。從單根樁來看，對樁中間部位的應力影響最大，分別向兩端逐漸減小。

從圖5可以看出，基坑開挖引起的土體側移是土體的一種卸載作用，在鄰近開挖的位置，樁的位移、應力影響很大，基坑開挖后地基土的反應還受到其他一些復雜因素的影響，例如孔隙水壓力、地表壓力等，它們的影響還難以準確地考慮，所以在條件許可時應盡量避免在有地上建筑物的鄰近地點進行基坑開挖施工，或采取可靠有效的措施，例如基坑支護等。以上通過對基坑開挖引起臨近樁的分析計算，不僅對CFG復合地基的評價有重要的意義，而且也是利用基坑開挖研究工程場地土體性質的一個重要途徑，在實際工程中，還應注意實際數據的觀測與積累，建立起不同土體與介質作用函數之間的對應關系，獲得工程場地土體的物理力學性質與其之間本構關系［3］。

本文陳述了一種用來分析由于基坑開挖引起土的側移對群樁的影響的有限元方法［4］。著重分析了在放坡條件下的基坑開挖對群樁的影響。影響土側移對群樁影響大小的關鍵因素包括:基坑開挖的與群樁的距離，土體的特性和樁的特性。

3 結 論

本文陳述了一種用來分析由于基坑開挖引起土的側移對群樁的影響的方法，我們可以從中得到結論:

(1)基坑開挖會對群樁產生影響;當基坑開挖距離較近時對鄰近CFG樁復合地基中的樁基有破壞作用，建議安全距離為基坑開挖深度的2倍，否則要采取措施進行加固。

(2)由于CFG樁與土體的力學特性相差較大，接觸界面難以實現位移協調，因此分析基坑開挖對群樁的影響過程時采用接觸模型是合理的。

(3)應盡可能避免在有地上建筑物的鄰近地點進行基坑開挖施工。

［1］鄭興蓮，胡雙全.基坑開挖對鄰近建筑物地基變形的影響［J］.保定學院學報，2011，24(3):122-125.

［2］王瑞芳.ANSYS分析灌注樁的樁土共同工作機理［J］.武漢科技大學學報，2006，29(3):293-296.

［3］姜崢.基坑開挖對緊鄰建筑物沉降影響的數值分析［J］.城市道橋與防洪，2011，5(5):229-231.

［4］楊敏，周洪波.承受側向土體位移樁基的一種耦合算法［J］.巖土力學與工程學報，2005，24(24):1-4.