淺談基坑開挖時鄰近樁基性狀的數值分析

摘 要：土體側向移動對鄰近樁的不利影響是基坑開挖的一個重要問題，因為它極有可能給鄰近樁造成側向位移和附加應力、彎矩等不利效果，嚴重者甚至給上部建筑物帶來功能的損失。利用土工有限元軟件Plaxis8.2對內支撐排樁支護基坑開挖進行有效的數值分析，可以充分了解基坑開挖時影響鄰近樁基的各種因素，從而確保基坑開挖的質量。

關鍵詞：基坑開挖；鄰近樁基；形狀；數值分析

基坑開挖引起的土體側向移動會對鄰近樁基產生一定的影響，這是一個典型的被動樁問題，目前城市里的即可開挖一般是在已有建筑物旁進行的，因而對鄰近樁基的影響很大。本文通過利用采土工有限元軟件Plaxis8.2對內支撐基坑開挖時對鄰近樁基的性狀進行了有效分析，研究了單雙排樁的各種工況，例如支護樁的剛度、樁基和支護的距離、樁基的剛度、樁基的長短、樁長的條件對樁基的附加彎矩和側向位移的影響、樁頭的約束等等。

1 問題的簡化和有限元模型

忽略一些縱向邊界條件的影響，采用二維有限元的分析手段，將樁基作為板狀來進行考慮，并通過以下計算公式來計算板狀的彈性模量。

其中：p代表的是樁，s代表土，u指的是相鄰樁之間的中心距離，d是樁徑。通過將樁體看做樁版，就可以將樁間的繞流在最大程度上進行忽視，從而可以使基坑開挖土層水平位移產生的水平作用力可以均勻地施加在樁的身上。結果的測量一般是土層水平位移會比實際位移小，而樁身的水平位移則比實際大。通過被動樁的土拱效應分析可以看到，如果不同樁之間的中心距離小于3d樁徑時，被動樁承擔著90%以上的土層側向位移對被動樁產生的側壓力，也就是說排樁完全可以等效為板樁來看，所以完全可以用二維分析來進行機制研究和形態分析評估。

圖1是建立的有限元模型和剖分的網絡。對左右邊界進行水平約束，對對底邊界進行固定約束。用線彈性梁單元對支護樁、鄰近工程樁、內支撐進行分析，利用Plaxis8.2的一種彈塑性模式來模擬接觸面性狀，同時并不考慮打樁對土體可能造成的影響。

2 基本算例

基本算例主要是分成兩種情況，即單排和雙排，并且在計算時不考慮樁頂的約束，主要是為了有效分析不同開挖深度對鄰近樁形狀的影響。計算參數如表1所示。

典型分析時，一般支護樁彈性模量等效后的剛度EI=210.0MN·m2/m，而鄰近工程樁的剛度EI=1100.0MN·m2/m，他們二者的泊松比都是0.16，內支撐軸的剛度EA=2.0×103MN/m，L=3.0m。如圖2所示，它代表了單排樁的樁身水平位移情況和彎矩變化情況受不同開挖深度的影響結果，一共開挖了4個階段，每個階段進行2m的挖掘，總共達到8m的深度。圖2（a）縱坐標代表了樁所處的不同位置，橫坐標代表的是樁身的位移情況，正值代表向基坑的一側發生的位移值。圖2（b）縱坐標同樣代表樁的不同位置，而橫坐標代表樁身的彎矩值，正值則代表樁身背離基坑一側受拉而產生的彎矩值。從圖中可以看出隨著開挖深度的增加，樁身的位移和彎矩也隨之增大，兩者與開挖深度呈現線性相關趨勢。

3 各種因素對鄰近樁性狀的影響

3.1 支護樁剛度的影響

支護樁所用到剛度EI設定為21.0、210.0、100.0MN·m2/m，其他與算例的設定基本一樣。如果支護樁的剛度不同，那么在基坑開挖時對鄰近土地造成的變形場效果是不一樣的，由此引發的鄰近樁位移距離和彎矩程度也是不一樣。如圖5所示，在最大開挖深度的情況下，支護樁在不同的剛度條件下對鄰近樁產生的位移變化和彎矩程度。從圖中的變化曲線可以看到，如果支護樁的剛度越大，那么鄰近樁的位移變化和彎矩程度就會越小，當剛度增加到某個定值時，這些變化就可以忽略不計。如果支護樁的剛度很小，那么鄰近樁的位移變化和彎矩程度就會很大。

如圖6所示，它的曲線變化代表的是雙排樁下鄰近樁的位移情況和彎矩變化。從計算的結果來看，如果支護樁的剛度產生變化，前后樁的位移變化相對比較接近，而前樁的變化程度則更大一些，但是前后樁的彎矩程度則相差較大，相差了2倍之多。支護樁的剛度變化最然對后排樁的影響不大，最大值變化也不明顯，但是出現的方向確實相反的。

3.2 工程剛度的影響

將鄰近工程樁的剛度EI設定為11.0、110.0、1100.0MN·m2/m，其他設定的條件與基本算例一樣。如圖7所示，它的曲線代表的是單排樁樁身在開挖深度達到8.0m時所產生的的位移變化和彎矩程度。如果樁身的彈性模量相對較小，則鄰近樁展現出柔性樁的性質，會發生較大的變形，最大的唯一地點會出現在樁的中上部，而變化趨勢沒有明顯的線性相關趨勢，產生的彎矩程度也相對較小。反之，如果樁身彈性模量較大，則樁身位移會呈現出線性相關的趨勢，最大位移會出現樁頭處，但是最大值相對來水依舊很小，而彎矩程度則會變得很大。

圖8所示的是不同剛度的雙排樁對鄰近工程樁造成的位移變化和彎矩程度圖。如果雙排樁的剛度很大，位移與其呈現出明顯的線性相關，不同剛度情況下前后樁的樁身位移變化類似，但是后排裝的彎矩程度很小，變化也小。

3.3 樁基距離基坑開挖面L的影響

樁基距基坑開挖面的直線距離L取數值2.0、5.0、8.0、10.0m進行數據分析。圖9和圖10都是在開挖深度為8.0m的情況下鄰近樁的位移變化和彎矩程度圖。從圖中的曲線變化可以明顯看出隨著與開挖面距離的不斷增大，樁身的位移變化和彎矩程度在不斷地減小，直線距離2m和直線距離5m的情況下進行比較，樁身的附加彎矩值在L=2m時明顯更大。

3.4 樁頂承臺的影響

樁頂約束會對被動樁的性狀產生一定的影響，因此在分析時采用梁單元進行承臺的模擬，一般選用寬4.0m、等效厚度2.0m的承臺進行，其EA=4.0×104MN/m，EI=13340.0MN·m2/m，與開挖面的距離選擇為3m，其他的設定與基本算例基本一致。

如圖11所示，在開挖深度為4.0、6.0、8.0的情況下，單排樁如果受承臺約束，其位移變化和彎矩程度的變化曲線如下圖。在有承臺時，樁身產生的文藝變化和彎矩程度都變得較小，最大彎矩也有了減小，樁頭處也發生了彎矩變化，這主要是承臺約束了樁的變形。

如圖12所示，雙排樁如果受承臺約束，其位移變化和彎矩程度的變化曲線如下圖。雙排樁的樁頭位移水平差別基本不大，在有承臺的情況下樁頭處會出現較大的彎矩變化，這主要是承臺約束的作用下后排樁將前排樁向后拖，前排樁則會將后排裝向前拉。

圖13則是雙排樁在有無承臺情況下樁基受到的影響程度對比。從圖中可以看出樁身的位移變化并不明顯，但是彎矩程度的變化卻很大，后排裝在沒有承臺時彎矩程度幾乎為0，而有承臺時彎矩的最大值會出現樁頭。

3.5 樁長的影響

鄰近樁基的長度也是影響樁基性狀的一個重要因素。將樁基長度設定為6、8、12、18n來進行比較。圖14是不同樁長條件下單排樁的位移和玩具分布圖，樁長和最大水平位移呈現負相關，樁頂水平位移則是先增后減，樁底水平位移一直減小，最大彎矩在樁中間。

圖15是雙排樁的變化情況，與單排樁基本相似，但后排樁的最大水平位移則在樁頭處。

4 結束語

從上文選取的相關數據分析可以看到，影響鄰近樁基性狀的因素有很多，處理好這些因素的影響，才能有效的提高建筑的質量。

參考文獻

[1]陳福全，汪金衛，劉毓氚.基坑開挖時鄰近樁基性狀的數值分析[J].巖土力學，2008，07：1971～1976.

[2]李龍劍，楊宏偉，李政林，蔡永昌.基坑開挖對鄰近橋梁樁基的影響分析[J].地下空間與工程學報，2011，S2：1697～1701.

[3]孫岳.基坑開挖對既有樁基礎影響的數值分析[D].大連理工大學，2007.

作者簡介：王小明（1979-），男，本科，工程師，主要從事巖土工程地質勘察工作。