基坑邊和施工便道行車對工程樁的影響

王昭軍

（中交四航局第七工程有限公司）

基坑工程是城市地下空間開發和利用的重要研究課題和方向，國內外研究多采用數值模擬方法來對基坑開挖過程進行研究和分析。數值模擬中有限元分析法可以解決非線性問題，適用于許多復雜的邊界條件[1]。利用有限元分析法計算基坑施工過程中工程樁的位移和彎矩，在實際的工程建設過程中具有根本的重要性和明確的技術運用。基坑內的土體在載荷作用下會發生側向變形和豎向變形。在工程施工過程中，影響基坑土體側向變形的因素相比于豎向變形相對復雜，因此對側向變形進行的研究相對較少[2]。基坑土體的側向變形對工程樁存在較大的影響，側向變形影響沉降的同時，也影響工程樁結構的受力[3]。李忠誠等[4]建立三維數值模型，進行堆載-彈塑性地基-樁機共同作用有限元數值分析，對堆載作用下臨近樁基的力學特性進行分析，分析結果表明，樁基的變形和彎矩與堆載呈正比例關系，堆載增加，樁基逐漸彎曲。楊敏等[5]在載荷作用下分析土體的側向位移，通過有限元法對不設置工程樁情況下的自由場土體側向位移和設置工程樁后的樁土相互作用兩種情況進行了數值分析，結果表明，工程樁的變形規律與彈性模型、泊松比變化相關。

基坑工程的建筑主體工程樁大部分處于軟土層，自穩性能極差，可認為軟土層中的工程樁近似處于自由端。會引起處于軟土地質的基坑開挖運土階段，基坑開挖運土車輛基坑邊行車和施工便道行車產生的堆載，會加劇周邊和坑內土體應力釋放，對樁周土體造成擾動，軟土向開挖方向移動，形成塑流，擠壓已施工的工程樁，從而產生側向位移及附加彎矩，可能誘發工程樁偏位、傾斜甚至斷樁不利影響。因此在基坑開挖運土階段，對基坑邊和施工便道行車對已施工工程樁的影響力學特性和總應力進行分析，研究基坑邊和施工便道行車對工程樁的影響，對降低斷樁的風險，保證基坑結構的質量具有重大的意義。在本文中，根據基坑巖土層物理力學參數以及基坑支護結構和工程樁相關結構參數，利用數值模擬研究基坑邊和施工便道行車對主體結構工程樁的不利影響。

1 有限元分析模型及參數

1.1 建模

根據巖土工程勘察報告，本文選取工程實例中最不利鉆孔作為典型鉆孔進行計算。該鉆孔下土層結構選取包含（1-0a）吹填土、（2-1）淤泥、（2-2）淤泥、（3-1）淤泥質土、（3-2）粘土、（4-2）粘土、（5-2）粘土、（5-3）圓礫、（6-2）粉質粘土、（6-3）圓礫、（7-2）粉質粘土。土層結構參數取值如表1所示。

表1 巖土參數取值

根據基坑圖紙主體結構樁基施工相關圖紙進行建模，本次模擬的基坑支護結構和工程樁相關結構參數如表2所示。

表2 結構參數

樁身縱筋分為12φ22和12φ8兩個等級。經計算，樁配筋為12φ22 對應抗彎矩承載力設計值約為500kN·m，樁配筋為12φ28 對應抗彎矩承載力設計值約為780kN·m。配筋較小的工程樁抗彎承載力對斷樁起控制作用，以下取樁身抗彎承載力設計值為500kN·m 進行分析。

本文利用MIDAS GTS/NX 軟件建立二維分析模型，在模型建立過程中總體計算區域模型的選取充分考慮基坑開挖引起的邊界效應，以建筑物外輪廓水平方向取基坑開挖3～5 倍以上，豎直方向取基坑開挖深度2～4倍以上位原則，放坡開挖分析計算模型幾何尺寸X 設置為200m，Y設置為100m。

計算過程中的主要載荷為行車載荷。初始數據為地面均布載荷20kPa，作用寬度6m。分析施工便道的影響時，除驗算均布載荷之外，同時按車輪作用集中力進行驗算，施加2個集中力80kN，間距按輪距取1.8m。

二維分析模型的邊界條件為：模型左右邊界位置的節點約束模型X 方向的自由度；位于模型前后邊界位置的節點約束模型Y 方向的自由度；位于模型底部的節點約束模型Z 方向的自由度，其中Y 軸為二維模型中的重力方向。模型中結構采用1D 梁單元，基坑內土體采用二維平面應變單元。模型中各土體層和構件材料均考慮自重，自重方向Y 軸向下。本次模擬中結構單元主要材料為混凝土，模型類型為線彈性本構，土體單元采用硬化土模型（Hardening soil model，簡稱HS模型）。

1.2 施工工況分析

基坑內土體的開挖和基坑內的工程樁是隨時間變化的一個系統。根據模擬基坑開挖順序，列出關鍵工況。為模擬基坑邊和施工便道行車對工程樁的影響，本次模擬主要對基坑邊行車和施工便道行車對工程樁的影響進行力學特性分析和總應力分析。

1.2.1基坑邊行車分析

初始應力場的計算分析模型內只有巖和土體，是巖土工程分析的第一步；在地基加固、工程樁施工工況下激活攪拌樁施工邊界條件及工程樁單元；基坑放坡開挖過程中鈍化第一層開挖的土體；基坑支護樁施工工況下激活支護樁；基坑土體開挖工況下鈍化土體；施工行車載荷下激活施工便道上方的車輛載荷。

1.2.2施工便道行車分析

初始應力場的計算分析模型內只有巖和土體，是巖土工程分析的第一步；在工程樁施工工況下激活工程樁單元；施工便道攪拌樁施工工況下激活攪拌樁施工邊界條件，修改施工范圍內土體材料屬性；施加車輛載荷工況下激活施工便道上方的車輛載荷。

2 數值模擬

對基坑邊和施工便道行車的模型進行網格劃分，其整體的有限元網格如圖1 所示，不同工況下的有限元網格如圖2～圖3 所示，圖中不同顏色代表土層單元組和結構單元組。基坑邊行車模型有13440 個單元，12266個節點。臨時便道行車模型有13440 個單元，12266 個節點。

圖1 基坑邊和臨時便道行車整體有限元網格

圖2 基坑邊行車典型施工步的有限元網格

圖3 施工便道行車典型施工步的有限元網格

3 模擬結果

根據模擬基坑開挖順序，本文主要得出基坑邊行車關鍵工況3～工況6 和臨時便道行車關鍵工況4 的計算結果，基坑邊行車和臨時便道行車工程樁最大位移如圖4～圖5 所示，單位為m；基坑邊行車和臨時便道行車工程樁最大彎矩如圖6～圖7所示，單位為kN·m。

圖5 臨時便道行車工程樁最大位移

圖6 基坑邊行車工程樁彎矩

圖7 臨時便道行車工程樁彎矩

由圖8 可知，工程樁的X 向位移最大值和工程樁彎矩標準值最大值隨著施工步的進行不斷增大。基坑邊行車開挖完成后，坑頂行車時，工程樁的水平位移達到最大，最大值為98.5mm，工程樁的水平位移較大。在距離樁頂約5m 區域出現工程樁彎矩標準值最大值，計算的最大彎矩標準值為196.9kN·m，載荷分項系數取1.3，最大彎矩標準值為256kN·m，此處工程樁的抗彎承載力設計值約為500kN·m，因此出現斷樁的概率較小。

圖8 位移和彎矩變化圖

施工便道行車引起的工程樁水平位移最大值為1.61 mm，在距樁頂約5m 區域出現工程樁彎矩標準值最大值，計算的最大彎矩標準值為24.7kN·m，載荷分項系數取1.3，最大彎矩標準值為32kN·m，此處樁抗彎承載力設計值約為500kN·m，因此出現斷樁的概率較小。

模擬結果表明，開挖完成后再基坑邊行車對坑內工程樁的影響較大，工程樁水平最大位移值為98.5mm，與《建筑地基基礎工程施工質量驗收規范》規定的限值比較接近，存在工程樁偏位較大的問題。

4 結論

場地基坑邊和施工便道行車會使基坑開挖面外載荷增加，基坑開挖面以下結構向基坑內位移，擠壓基坑內的土體，對工程樁產生一定的水平位移和彎矩。為降低基坑邊行車和臨時便道行車過程中工程樁出現斷樁的風險。本文基于基坑巖土層物理力學參數以及基坑支護結構和工程樁相關結構參數，利用MIDAS GTS/NX軟件建立二維分析模型，根據模擬基坑開挖順序，列出關鍵工況的下工程樁的最大位移和最大彎矩。結果表明，開挖完成后在基坑邊行車對坑內工程樁的影響較大，工程樁最大位移值接近規定的限值，存在工程樁偏位較大的問題，有可能影響承臺與樁的定位連接、或者導致柱與樁基偏心受力，彎矩最大標準值小于工程樁的抗彎承載能力，出現斷樁的概率較小；施工便道行車的過程，工程樁最大位移值遠小于規定的限值，對工程樁的影響較小，彎矩最大標準值小于工程樁的抗彎承載能力，出現斷樁的概率較小。在基坑開挖階段，出土車宜采用中小型車輛設備，基坑周邊超載不能大于20kPa，臨邊堆土高度不得大于1m，且臨邊堆土時間不得超過一天，出土車輛需嚴格控制每次出土量，不得超過出土車限載，開挖土方應及時運走，因此對實際基坑邊行車和施工便道行車車輛設備的選擇與堆載起到一定的指導意義。