基坑開挖時樁身參數對坑內工程樁的影響研究

陳武云

（昭通市建筑工程質量監督站，云南昭通 657000）

0 引言

在土方開挖量較大的深基坑工程中，開挖深度大，土體卸荷作用將引起土體流動，此時基坑底部土體必然發現不同程度的隆起[1]。在基坑開挖的過程中，基坑底部的隆起將使已設施完成的工程樁產生上浮受拉和偏移，影響工程樁的承載性能，特別是在軟土地層基坑開挖的情況下，對工程樁的影響將更為嚴重。對于基坑隆起，尤其在軟弱地基中現行的基坑隆起計算方法存在不合理性，黃茂松等[2]對常規的圓弧滑動進行了改進，提出圓弧機構上限分析方法，對比分析發現起該計算方法更為可靠。同時，宋二祥等[3]基于國內現行技術標準提出可用于界定不同嵌深的計算公式，進而得到可適用于任何嵌深的隆起穩定性簡化驗算。同時，林志月基于有限元研究方法，探討基坑開挖對基坑底部工程樁與及基坑底部隆起影響機理。現階段的基坑開挖研究中，對于基坑周邊支護樁樁身參數對坑底工程樁的影響研究相對較少。本文依托具體工程實例，基于有限元分析軟件Midas/GTS，探討基坑開挖時樁身參數對坑底工程樁的影響。

1 工程案例及數值模擬概述

1.1 工程案例簡介

處于軟弱地基基坑底部的樁基，隨基坑開挖會導致基樁產生側向偏位，甚至發生折斷。以某軟土地區基坑工程為依托，具體土層參數如表1 所示。由于施工現場未進行合理的開挖，實際工程中開挖后A10 棟位置處工程樁有傾斜現象。本文以該軟土地區實際基坑工程為研究背景，采用有限元分析軟件MADIS/GTS建立三維有限元模型，模擬土方開挖后工程樁產生過大偏移情況。以此研究背景為依托，進行相應研究。

表1 土體物理力學指標

1.2 數值模擬概述

本文所建立基坑開挖模型中，基坑的開挖深度為4.9m，其中雜填土層厚1.9m，黏土層厚1.9m，淤泥質黏土層厚1.1m。平面尺寸約等于82m×34m。Peck.R.B 教授在對基坑工程問題的研究中認為，對于軟土地層上的基坑開挖，開挖的影響范圍大致為開挖深度的2.5～5 倍。綜上所述本文計算模型取距基坑開挖邊界處25m 為模型的平面邊界，并保證模型中邊界約束對基坑周圍土體模型幾乎沒有影響。為保證模型的深度尺寸合理，在樁底處向下擴展10m 為模型底邊，模型尺寸為133m×84m×40m。

1.3 監測數據對比

表2 樁頂水平位移監測值與計算值對比

由表2 工程監測數據與數值模擬計算值的對比結果可知，相差最小的樁號為A10-3，兩者相差0.85cm，誤差為1.9%。相差最大的樁號為A10-1，兩者相差13.27cm，誤差為36.8%。結合最大最小誤差來看，樁頂水平位移的監測值與數值模擬計算值對比結果吻合度較高，二者均超過《建筑樁基技術規范（JGJ 94—2008）》中，預制樁基礎施工后垂直度小于0.5%和打入樁樁樁位小于1/3D 的要求，故而模型可靠性滿足分析要求。

2 樁身參數對坑內工程樁的影響

2.1 樁徑尺寸對坑內工程樁的影響

本文所依托的工程案例中，工程樁樁徑為500mm。為研究樁徑尺寸對開挖完成后工程樁樁頂位移的影響，建立（a）樁徑600mm、（b）樁徑700mm、（c）樁徑800mm 三種坑內存在工程樁的三維開挖模型，與原模型進行對比。對比結果見圖1 不同樁徑的樁身水平位移圖。由圖1 可知，在相同開挖工況下，樁徑尺寸與樁頂水平位移成反比。相同開挖工況下，樁徑為500mm、600mm、700mm、800mm 時，土方開挖完成后工程樁樁頂水平位移分別為27.25cm、17.98m、13.51cm、10.52cm。在樁徑增大過程中，樁頂水平位移減小的幅度逐漸降低，分別為9.27cm，4.47cm，2.99cm。故可以認為，當樁徑無限大時，樁頂水平位移減小的幅度為0，即為沒有效果。在設計樁基礎時，可考慮土質軟弱的程度，適當增加樁徑，以此減小開挖卸載后工程樁的樁頂水平位移，減少廢樁率，提高工程經濟性。

圖1 不同樁徑的樁身水平位移

2.2 樁長對坑內工程樁的影響

本文所依托的工程案例中，工程樁樁長為24m。為研究樁徑尺寸對開挖完成后工程樁樁頂位移的影響，建立（a）樁長25m、（b）樁長26m、（c）樁長27m、（d）樁長28m 四種坑內存在工程樁的三維開挖模型，與原模型進行對比。對比結果見圖1 不同樁徑的樁身水平位移圖。由圖2、圖3 可知，在相同開挖工況下，樁徑尺寸與樁頂水平位移成反比。相同開挖工況下，樁徑為24m、25m、26m、27m、28m 時，土方開挖完成后工程樁樁頂水平位移分別為27.25cm、21.34cm、18.97cm、18.01cm、17.65cm。在樁徑增大過程中，樁頂水平位移減小的幅度逐漸降低，分別為5.91cm、2.37cm、0.96cm、0.36cm。故可以認為，當樁長無限大時，樁頂水平位移減小的幅度為0，即為沒有效果。在設計樁基礎時，可考慮土質軟弱的程度，適當增加樁長，以此減小開挖卸載后工程樁的樁頂水平位移，減少廢樁率，提高工程經濟性。但增加樁徑相對于增加樁長，減小工程樁樁頂水平位移的效果更佳。

3 結論

圖2 不同樁長的工程樁水平位移

圖3 不同樁長的工程樁樁頂水平位移

本文以某軟土地區基坑工程事故為依托，采用有限元分析軟件MADIS/GTS 建立三維開挖模型，探究基坑開挖條件下樁身參數的改變對坑內工程樁樁頂水平位移的影響，得出以下結論：

（1）樁徑尺寸與樁頂水平位移成反比，且樁徑在增大過程中，樁頂水平位移減小的幅度逐漸降低，設計中可適當增大坑內工程樁樁徑，以減小樁身偏移。

（2）樁長與樁頂水平位移成反比，且樁長在增大過程中，樁頂水平位移減小的幅度逐漸降低，增加樁長可降低基坑開挖卸載引起的樁身偏移，但增大樁徑效果更明顯。