基坑開挖影響范圍內臨近群樁基礎承載性能研究

耿博光 GENG Bo-guang；何烈民 HE Lie-min；殷偉平 YIN Wei-ping

（①山東省路橋集團有限公司，濟南 250014；②山東大學土建與水利學院，濟南 250061）

0 引言

城市建筑多采用樁基作為基礎，然而既有建筑附近進行基坑開挖作業時對既有樁基必定產生一定影響[1-2]?；娱_挖產生的影響大致有三個方面：地下連續墻的變形、坑底隆起和基坑附近地表沉降[3-4]。基坑外土體位移將會引起樁基承載特性的變化，若樁基發生失穩，將引發上部結構破壞，故需要慎重考慮基坑開挖對樁基承載能力的影響[5]。本文針對不同基坑開挖深度開展數值模擬研究，得出不同基坑開挖深度下群樁承載特性的一般規律，對實際工程有一定指導價值。

1 數值模擬過程

1.1 模型簡介

本章研究基坑開挖深度對群樁承載特性的影響，選取研究對象為一5m*5m的承臺，承臺下方設置五個樁體，樁體的長度為20m，直徑為1m。承臺厚度為1m。

四周樁體距離承臺邊緣1m，樁間距為3m。中間樁位于承臺的正中心位置。設置基坑規模為30m*30m，承臺與基坑之間的距離保持為3m，開挖共計分為四次，每次開挖2m，共計開挖8m。具體位置分布見圖1。

圖1 群樁平面布置圖

1.2 參數選取

土體采用Mohr-Coulomb本構模型，泊松比取0.35，重度取18kN/m3，初始孔隙比取0.8，單位壓力下土體孔隙比取1.5，回彈指數取0.008，壓縮指數取0.037，臨界狀態應力比取1。地下連續墻，樁體，承臺采用線彈性本構模型，重度統一取25kN/m3，彈性模量統一取30GPa，泊松比統一取0.30。

1.3 接觸面設置

1.3.1 樁土、樁與承臺接觸

在本次數值模擬中，樁底與土體的接觸采用tie綁定，樁體的側身與土體采用Penalty函數模型，摩擦系數設置為0.35。

1.3.2 地下連續墻與土體、承臺與土接觸

地下連續墻、承臺與土體之間采用tie綁定，保證土體與地下連續墻之間在開挖之前已經綁定在一起。

1.4 邊界條件及荷載

土體模型上方模型左右方向受到X方向的約束。模型前后方向受到Y方向的約束，模型下方受到XYZ三個方向的約束（見圖2）。土體模型上方與承臺上方為自由表面，不設置約束。在地應力平衡步對整個模型施加大小為19kN/m3的體力。在樁基的頂部承臺上方施加的荷載為1MPa較為合適。

圖2 邊界條件施加

1.5 分析步簡介

Step1平衡地應力，通過施加19kN/m3的體力，得到重力作用與施加邊界條件后的模型，以此來模擬出真實工況；

Step2樁頂施加1MPa的荷載，以此模擬單樁工作下的受力狀況；

Step3通過單元生死功能，移除掉基坑范圍內0-2m的土體，基坑深度為2m；

Step4在上一步的基礎上移除掉基坑范圍內2-4m的土體，基坑深度為4m；

Step5在上一步的基礎上移除掉基坑范圍內4-6m的土體，基坑深度為6m；

Step6在上一步的基礎上移除掉基坑范圍內6-8m的土體，基坑深度為8m。

1.6 網格劃分

網格劃分采用六面體單元，控制屬性為Structure。具體網格劃分見圖3。

圖3 土體網格劃分

2 數值模擬結果與分析

2.1 基坑及群樁模擬

圖4為土體豎向應力云圖。

圖4 模型豎向應力圖

由圖4可知，豎向應力數量級在104左右，豎向位移數量級在10-5左右。豎向應力與豎向位移均比較小，說明圖地應力平衡合理，大體符合實際情況。

本文采用的模型在承臺上方施加了1MPa的荷載，五個樁體的沉降量基本相同約在32mm（見圖5），因此樁頂施加的荷載合理。

圖5 群樁沉降云圖

2.2 基坑開挖深度對各個樁水平位移的影響

由圖6～圖8可知，隨著開挖深度的進行，樁體的側移不斷增大，且最大側移量均出現在樁頂部位。但三個樁體之間的側移有明顯差距。1號樁為最靠近基坑的樁體，受到基坑開挖的影響最大，3號樁與5號樁距離基坑較遠，因此產生的側移量較小。

圖6 不同開挖深度1號樁的側移

圖7 不同開挖深度3號樁的側移

圖8 不同開挖深度5號樁的側移

2.3 基坑開挖深度對各個樁側摩阻力的影響

為研究基坑開挖對樁體側摩阻力影響，現提取每次開挖后的樁的側摩阻力，見圖9～圖11。

圖9 不同開挖深度1號樁的側阻力

圖10 不同開挖深度3號樁的側阻力

圖11 不同開挖深度5號樁的側阻力

由圖9～圖11可知，隨著基坑開挖，基坑周圍土體變形逐漸變大，對樁的側摩阻力影響也就增大。其中5號樁的側摩阻力略大于1號樁和3號樁。由于群樁成樁的擠土效應，使群樁中間的土體被擠壓致密，導致了5樁的側摩阻力有所增大。當基坑開挖之后，每一個樁的側摩阻力都有所下降，在同等開挖深度下，三個樁體的側摩阻力基本相同，但距離基坑最近的1號樁的側摩阻力的損失略大于3號樁和5號樁，即基坑開挖對1號樁的影響略大于3號樁和5號樁。

2.4 基坑開挖深度對各個樁軸力的影響

當開挖開始進行的時候，在開挖到2m和4m處時，由于開挖較淺，對樁的側摩阻力影響十分微小，因此樁的軸力變化量不大，基本與未開挖時樁的軸力相同。當開挖到6m以及8m時，樁的軸力發生明顯變化。3號樁距離基坑較遠，1號樁距離較近，因此1號樁受到的基坑開挖的影響更大，而五號樁處于群樁中間位置，由于群樁成樁的擠土效應[6]，使群樁中間的土體被擠壓致密，導致了樁的側摩阻力有所增大，因此5號樁的軸力相比之下略微變小。

3 結論

本文通過建立基坑與群樁模型，研究了基坑開挖對群樁下各個樁體的影響，揭示了承臺下各個樁體的承載性能和變形性能規律。本文通過數值模擬得到以下結論：當群樁與基坑的距離固定時開挖深度變大，將會導致每一個樁體的側移增大，軸力增大，側摩阻力減小。從以上數據分析得，開挖深度越深，對群樁各個樁體的影響越大。

在同一開挖深度時，群樁中處于不同位置的樁體，受到基坑開挖的影響略有不同。相比之下，1號樁更加靠近基坑，因此基坑的開挖對1號樁的影響略大于3號樁和5號樁。因此可得出距離基坑約近的樁受基坑開挖影響也就越大。