鉆孔灌注樁和沉井施工順序相互影響的有限元分析

張雪琦

（南京市市政設計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210000）

隨著我國經濟建設的發展，市政工程用地往往比較緊張，大量采用沉井結構的泵房周圍其他新建建構筑物需要緊鄰沉井結構采用鉆孔灌注樁基礎建設。該文研究了鉆孔灌注樁先施工后沉井下沉對樁基受力的影響及沉井下沉完成后鉆孔灌注樁施工對沉井壁板受力的影響，對該類工程的設計及施工方案的選取具有一定的指導意義。

關于樁基和沉井水平相關的研究較少，但關于基坑開挖與對周邊建構筑物樁基影響的研究也具有一定的參考意義。楊敏[1]等人采用三維彈塑性有限元法分析得出臨近樁基所產生的附加側移量、彎矩值與樁基、基坑邊緣的距離關系很大；越靠近基坑，所受的影響越大。當樁基和基坑邊緣的距離大于等于一倍的基坑開挖深度時，樁基所受影響可以不計。陳福全[2]等人用有限元軟件對內支撐排樁支護基坑開挖過程進行數值模擬分析發現，隨著開挖深度的增加，鄰近樁基產生的水平位移和彎矩增加。梁發云[3]等人研究發現基坑開挖深度較大時，圍護結構失效產生的水平位移作用可能導致鄰近樁基的破壞。

該文主要的研究對象是某地表水廠及配套管網項目——水源廠工程的取水泵房沉井結構、其周圍設置的高壓旋噴樁圍護結構及緊鄰泵房的其他廠區建構筑物的鉆孔灌注樁基礎結構。通過MIDAS-GTS NX 建立包括取水泵房周邊建構筑物樁基的數值分析模型，分別對2 種施工工況進行模擬，一個是先進行鉆孔灌注樁先施工，后進行沉井下沉；另一個是先進行沉井下沉，后進行鉆孔灌注樁施工，并研究2 種施工順序的經濟合理性。

1 工程基本條件

根據業主及工藝條件，結合工程實際情況，確定取水泵房及周圍建構筑物樁基平面結構布置圖，如圖1 所示[4-5]。

圖1 取水泵房結構平面布置示意圖

根據地勘資料可知取水泵房壁板剖面及其相應標高所對應的地層情況，如圖2 所示。

圖2 沉井壁板剖面地層分布情況示意圖

2 施工數值模擬

該文采用MIDAS-GTS NX 軟件建模，鑒于研究需要，對沉井內土體及周圍土體采用3D 單元建模。對沉井結構須研究其彎矩受力情況，因此采用2D 板單元建立沉井結構的壁板、隔墻及底板模型，采用1D 梁單元建立沉井結構的框架梁及扶壁柱模型。在沉井下沉對樁基受力的影響研究中，采用1D 梁單元對沉井周邊的鉆孔灌注樁進行模擬。在研究樁基施工對沉井受力的影響中，采用3D 實體單元對鉆孔灌注樁進行建模。

對本模型中的鋼筋混凝土結構單元，根據鋼筋混凝土的特性應采用線彈性模型，并勾選程序界面中的結構選項。土體選用修正-莫爾庫倫模型進行模擬分析。建模時將沉井分6 段進行下沉。數值模擬中的施工階段設置見表1。

對先下沉沉井、后施工鉆孔灌注樁的工況進行數值分析時，施工階段與表1 基本一致，僅將表1 中的鉆孔灌注樁施工階段移至沉井底板施工完成后進行。

3 數值模擬計算結果分析

3.1 鉆孔灌注樁先施工、后進行沉井下沉工況數值計算結果分析

根據該工況分析結果，提取沉井下沉施工過程中樁基軸力最大值所在樁及沉井周圍不同位置處7 根樁在不同施工階段的樁身軸力值進行進一步對比分析，所選取的樁基編號及平面布置如圖3 所示。

圖3 樁基編號及平面布置圖

分別提取第4~15 施工階段1 號樁~8 號樁的樁身最大豎向壓力值，如圖4 所示（施工階段的編號見表1）。

表1 施工階段設置表

從圖4 可以看出，和沉井距離越近的樁基，在沉井下沉過程中樁身產生的最大軸壓力值越大且和沉井距離較近的樁基的最大軸壓力隨沉井下沉施工的進行有顯著的增大趨勢。和沉井距離較遠的樁基的最大軸壓力隨沉井下沉施工的進行的增大趨勢不明顯，樁身的最大軸壓力值在施工過程中變化不大。

圖4 1~8 號樁樁身最大軸壓力值隨施工階段變化圖

為進一步分析同一樁基樁身軸力隨沉井下沉施工過程中的變化，提取1~2 號樁基自上而下深度0m、-3.53m、-7.73m、-12.3m、-16.8m、-20.6m、-24.3m、-28m 處即樁身節點編號1~8 處各施工階段中的樁身軸力值，如圖5、圖6 所示（施工階段的編號見表1，圖中軸力值壓為正，拉為負）。

由圖5、圖6 可以看出，和沉井距離較近、樁身軸力較大的1~2 號樁基，樁身軸力自樁頂向下普遍為先增大、后減小的變化趨勢，樁身軸力極值位置隨施工階段的進行有下移的趨勢，和沉井下沉的趨勢一致且同一深度處的樁身軸力隨施工階段的進行有明顯的增大趨勢。進一步分析可以看出，施工階段7 到施工階段8，即第3 段沉井下沉到第4 段沉井下沉這一階段，樁身各點均軸力有顯著增大，可見樁身軸力在沉井下沉到某一標高后會有顯著增大。

圖5 1 號樁各施工階段樁身軸力圖

圖6 2 號樁各施工階段樁身軸力圖

同時，在第1 段沉井到第3 段沉井下沉施工中，1~4號樁基樁身均出現軸拉力值，最大值出現在第3 段沉井下沉施工階段，為383.38kN。后續沉井下沉施工階段中1~4號樁基軸力均為壓力值，最大值出現在底板施工階段，為2720.62kN。

此外，根據數值分析模型還可以得出，沉井下沉過程中樁身梁單元產生的最大剪力值為37.65kN。

對比可知，在鉆孔灌注樁先施工工況中，樁基施工完成后，隨著沉井的下沉，沉井周圍土體產生沉降，鉆孔灌注樁樁身產生豎向壓力荷載。在相同工況下，距離沉井越近，樁身所承受的豎向壓力荷載越大且隨著沉井下沉，其增大趨勢越明顯；距離沉井較遠的樁基受沉井下沉影響較小，樁身產生的軸壓力值較小且隨著沉井下沉，其增大趨勢不明顯；鉆孔灌注樁樁身軸力隨距離沉井遠近的變化趨勢與沉井下沉時周邊土體沉降的變化趨勢一致。根據數值分析計算結果，在沉井下沉過程中，井周鉆孔灌注樁最終所承受的最大豎向壓力荷載為2720.62kN，大于根據規范計算所得的單樁豎向承載力特征值Ra=2530.54kN[6]，樁基在沉井下沉過程中承載力已超過規范限值。

同時，距離沉井較近、樁身軸力值較大的鉆孔灌注樁，在沉井下沉初期，由于沉井周邊土體存在一定的隆起效應，因此樁身產生一定的豎向拉力荷載。根據數值分析計算結果，井周鉆孔灌注樁最大豎向拉力荷載產生于第3 段沉井下沉施工階段，最大值為383.38kN，小于根據規范計算所得的樁抗拔極限承載力標準值的一半，即Tuk/2=2434.96/2=1217.48kN[6]，樁基不會被拔出。

此外，該工程數值分析中所得的沉井下沉過程中樁身梁單元產生的最大剪力值為37.65kN，小于根據規范計算所得的樁基水平承載力特征值Rha=83.64kN，本工程中沉井下沉過程中樁基水平承載力沒有超過限制。但也可以看出，如果沉井周圍土質條件較差，沉井下沉過程中的土體水平位移可能會導致臨近沉井的樁基產生較大的水平力，也可能會造成樁基的破壞。

3.2 先進行沉井下沉、后施工鉆孔灌注樁工況數值計算結果分析

根據該工況數值分析結果，提取底板施工階段與鉆孔灌注樁施工階段的壁板殼單元X、Y單元坐標軸方向的節點與跨中彎矩最大值，及壁板殼單元頂部（TOP）、中部（MID）、底部（BOT）的最大、最小主應力極值，見表2 和表3。

從表2、表3 可以看出，從沉井底板施工完成后到鉆孔灌注樁樁基施工完成這一施工過程中，壁板殼單元X、Y單元坐標軸方向的節點與跨中彎矩最大值變化均很小。同時，根據表2、表3 可以看出，沉井下沉施工完成后，鉆孔灌注樁施工對沉井壁板應力的改變也很小，對沉井壁板受力的安全性無影響。

表2 壁板殼單元X、Y 單元坐標軸方向節點與跨中最大彎矩值

表3 壁板殼單元最大及最小主應力極值

鉆孔灌注樁施工過程擠土效應較小且對周邊土體的影響很小，樁基施工對沉井壁板的受力影響不大。

4 結語

綜上所述，沉井周邊建構筑物在沉井下沉完成后進行鉆孔灌注樁基礎施工時，鉆孔灌注樁成樁過程對沉井壁板的受力影響可以忽略不計，但是沉井下沉會對泵房周邊一定范圍內已施工完成的鉆孔灌注樁產生較大的豎向下拉荷載，削弱了樁基的承載能力，在土質較差的地基中很有可能會超過樁基的承載能力，破壞樁基。在類似的實際工程中，臨近沉井的樁基仍應按照先下沉沉井、后施工樁基的施工順序進行施工，保障結構安全。