深基坑開挖對鄰近樁基的影響

黃 偉 文

(廣東創成建設監理咨詢有限公司，廣東 廣州 510075)

深基坑開挖對鄰近樁基的影響

黃 偉 文

(廣東創成建設監理咨詢有限公司，廣東 廣州 510075)

針對某電廠循環水泵房基坑開挖的工程實例，采用有限元方法模擬了基坑開挖及其鄰近樁基，模擬樁土之間的相互作用，分析了基坑開挖對鄰近樁基的影響，模擬的結果與實際較為一致，對工程實踐具有一定的指導意義。

深基坑，樁基，樁土作用，數值模擬

0 引言

電廠工程總平面布置受以確定的建設場地范圍、電氣出險方向、道路位置等多種因素約束，在設計時須結合工程實際，因地制宜，得出技術經濟最佳方案。廠區總面積布置做到布置最緊湊，充分利用固有土地資源，盡可能少占用村莊，減少征地。電廠循環水泵房基坑開挖屬大型深基坑工程，開挖存在一定風險，基坑開挖卸載了部分土壓力，引起土體位移，勢必影響鄰近樁基，使樁基產生附加彎矩、應力和變形，進而影響樁基的結構使用性能。這個問題從本質來說屬于被動樁的研究，其土體位移的影響因素繁多，要比主動樁的研究復雜的多。如果設計不當，基坑開挖卸載所引起的樁基附加位移有可能使樁基產生嚴重變形，引發嚴重工程事故[1]。許多學者早已認識到問題的嚴重性，并且開展較為深入的研究工作[2,4,5]。

依托沿海地區某電廠循環水泵房深基坑工程實例，結合沿海軟土地基巖性特點，采用國際通用有限元分析軟件ANSYS，分析研究基坑開挖對鄰近樁基的影響。

1 工程背景

某電廠依海而建，南面緊臨南海，電廠循環水泵房北面緊鄰化水處理車間，施工過程考慮到施工機械統籌安排，節約經濟和時間成本，在廠區樁基施工過程將化水處理車間預應力管樁一并施工完成，循環水泵房開挖放線過程發現，與其最近的化水處理車間樁基緊挨其開挖邊線。泵房基坑長63.8 m，寬46 m，開挖深度14.6 m。基坑開挖采用自然放坡開挖方案，分兩級臺階，第一級高6.6 m，放坡系數1.5，第二級高8 m，放坡系數1.25，開挖前沿基坑坡頂打旋噴止水帷幕樁，開挖過程邊坡整體覆蓋20×20×1鋼絲網并噴100 mm厚砂漿作邊坡保護，無其他支護措施。基坑自上而下，分區分層開挖，開挖過程排水措施及時到位。化水處理車間樁基采用外徑500 mm、壁厚100 mm的AB型高強預應力混凝土管樁，設計樁深27 m，單樁豎向承載力不小于2 000 kN，水平承載力不小于75 kN，緊鄰泵房基坑的一排為雙樁承臺設計。基坑開挖影響范圍內的土層主要物理參數力學性質見表1。

表1 土層物理參數表

2 數值模擬

被動樁的研究通常有四類方法：經驗法，土壓力法，位移法，有限元法。有限元法可以方便的考慮土體的非線性本構關系、復雜邊界條件以及基坑開挖現場施工工況。許多著名學者已經使用有限元法進行被動樁的分析研究，并且證明了該方法的可靠性，目前有限元法已被廣泛應用。采用國際通用有限元分析軟件ANSYS，分析了某電廠循環水泵房深基坑開挖對鄰近預應力管樁的影響。

本工程基坑面積較大，基坑形狀規則，開挖過程嚴格按照施工方案對稱開挖，因基坑模型為規則的對稱模型，且面積較大，數值模擬時可簡化為二維的平面應力應變問題近似求解，對模擬結果影響不大。

2.1 模型建立

2.1.1 土體本構模型

Mohr-Coulomb是土體基坑開挖常用的本構模型，它能較好的描述土體的彈塑性，但是它在三維空間屈服的角錐體截面形狀并不規則，為六角度不等的六邊形，呈奇異性。諸多學者對M-C模型做出大量修正，以克服M-C模型的上述缺陷。Drucker-Prager尋找到內切于M-C的六棱錐的圓錐體，形成了更完美的Drucker-Prager彈塑性模型。本文采用的正是Drucker-Prager模型。

Drucker-Prager屈服準則可表達如下：

2.1.2 接觸面的處理

研究基坑土體與樁基相互作用的問題時，由于預應力混凝土管樁與土體在材料力學性能方面相差很大，土體與樁基之間在力的傳遞過程中可能會發生相對位移，土體與樁基不能再作為連續介質來分析。這就需要對接觸面做特殊的處理，使接觸面的受力情況與實際保持一致。

ANSYS有限元軟件提供有一種厚度接近為零的接觸面單元，將接觸面單元置于土體單元與樁基單元之間，由該單元模擬接觸面處受力變形情況，實現樁土相互作用的真實模擬。

2.2 模型計算

按平面二維問題，選取基坑典型斷面進行分析計算，采用平面四節點單元模擬土體，土層按照實際情況分層，采用二維梁單元模擬樁基，樁土之間采用接觸單元模擬。根據圣維南原理，邊界效應對超過一定距離的影響可忽略不計，本文計算域寬度定為64 m，深度定為40 m。邊界條件土體兩側為水平約束，底部為固定約束。

圖1為基坑開挖完成的有限元模型。

原始的天然地面經過無數年歲，已經完成了自身的固結。因此在基坑模擬時應考慮土體的初始應力，以這個初始應力下位移應變為零的狀態作為計算的初始狀態。為考慮泵房深基坑開挖對鄰近預應力管樁產生的影響，用ANSYS軟件模擬基坑開挖過程的施工工序：第一步：模擬初始應力下的土體固結作用；第二步：施工預應力管樁，施加附加材料堆載等地面超載20 kPa；第三步：放坡開挖第一層至-6.6 m；第四步：放坡開挖第二層至基坑底部-14.6 m，澆筑混凝土底板。

本文分析的重點在于基坑開挖到底即第四步時的最不利狀態，分析在此階段樁基的受力及位移情況。圖2，圖3為基坑位移云圖，可以看到樁基兩側土體位移存在明顯變化，樁基的存在對抑制土體位移有一定的作用。

3 樁基受力情況分析

基坑開挖卸載了部分土壓力，引起土體位移，樁基受土體水平位移的影響而產生附加位移，同時產生附加應力，預應力混凝土管樁豎向承載能力較強，但其抗剪能力較弱。樁基豎向的位移和應力對其性能的影響并不大，而樁基的水平位移及應力則直接關系到它的承載能力及其質量完整性，稍有不慎則可能導致樁基破壞。圖4為基坑開挖到基底標高時，鄰近樁基的水平位移圖。根據模擬分析的結果，樁頂處為最大正位移值，向右位移5.41 mm，樁底處為最大負位移值，向左位移9.40 mm，樁基整體向右傾斜。樁基偏移14.81 mm，樁長27 m，傾斜率0.054%，不超過0.1%，對樁基承載能力影響不大，在允許范圍之內。

圖5為基坑開挖完成后的樁基彎矩圖，觀察兩樁基承受彎矩最大位置，可看出右側樁基彎矩明顯大于左側樁基，說明土壓力經右側樁基抵擋，傳遞到左側樁基時有所減弱，彎矩最大值在接近樁底的位置，也就是說右側樁基靠近樁基底部的位置將是最先破壞的位置。根據模擬結果，樁基所承受的最大剪力為9.23 kN，遠小于設計單樁水平承載力75 kN。樁基所承受的最大彎矩為7.88 kN·m，小于其允許彎矩值。循環水泵房基坑回填后，施工現場考慮到基坑開挖對化水處理車間樁基的影響，對樁基進行了小應變檢測，檢測結果顯示，樁基均保持完整，檢測合格。

4 結語

1)從有限元分析得出的基坑位移、樁基位移及應力結果來看，基坑和鄰近樁基的位移受力趨勢與工程實際一致，這表明ANSYS能夠較好的模擬基坑開挖過程對鄰近樁基的影響，模擬結果能夠有效的用于指導工程實踐。

2)本工程循環水泵房開挖對鄰近的樁基確實存在一定影響，引起樁身產生較大的附加位移和彎矩，施工過程應對此加以警惕，在條件允許的情況下，盡量在基坑回填后再施工鄰近樁基，以免造成不良影響。

[1] 劉建航，侯學淵.基坑工程手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1997.

[2] 魏汝龍，王年香，楊守華.樁基碼頭與岸坡的相互作用[J].巖土工程學報，1992,14(6):39-49.

[3] M. F. Bransby, Sarah Springman. 3-D Finite element modeling of piles groups adjacent surcharge loads[J].Computers and Geotechnics,1996,19(4):301-324.

[4] 楊 敏，朱碧堂.主動加固控制鄰近樁基側向變形分析[J].建筑結構學報，2003,24(4):76-84.

[5] 楊 敏，周洪波，楊 樺.基坑開挖與鄰近樁基相互作用分析[J].土木工程學報，2005，38(4)：91-96.

[6] 鄭 剛，顏志雄，雷華陽，等.基坑開挖對鄰近樁基影響的實測及有限元數值模擬分析[J].巖土工程學報，2007(5)：53-54.

[7] 張愛軍，莫海鴻，朱珍德，等.被動樁與土相互作用解析計算研究[J].巖土工程學報，2011,33(S2)：120-127.

On influence of excavation of deep foundation pits on neighboring pile foundation

Huang Weiwen

(GuangdongChuangchengConstructionSupervisionConsultancyCo.,Ltd,Guangzhou510075,China)

According to the engineering examples of the foundation pit excavation of the circulating water pump house in some power plant, the paper adopts the finite element to simulate the foundation pit excavation and its neighboring pile foundation, simulates the mutual impacts among piles and soil, analyzes the influence of excavation of deep foundation pits on neighboring pile foundation, and indicates the simulation result is consistent ith the fact, so it can direct the engineering practice.

deep foundation pit, pile foundation, pile-soil interaction, numeric simulation

1009-6825(2015)30-0068-02

2015-08-18

黃偉文(1989- )，男，碩士，助理工程師

TU463

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