基坑開(kāi)挖對(duì)周邊CFG樁復(fù)合地基力學(xué)性狀的影響

梁樂(lè)杰

(河北聯(lián)合大學(xué)建工學(xué)院，河北唐山 063009)

0 引 言

基坑開(kāi)挖引起的土體側(cè)移對(duì)樁的影響作用不容忽視，在工程中所引起的事故經(jīng)常發(fā)生，嚴(yán)重影響建筑物的安全。人們對(duì)此做了許多研究，但大部分是研究對(duì)單樁的影響，本文通過(guò)ANSYS有限元分析軟件，對(duì)周邊基坑開(kāi)挖與周邊CFG樁復(fù)合地基的相互作用影響進(jìn)行了研究，得出基坑開(kāi)挖深度對(duì)群樁的影響。

ANSYS是集結(jié)構(gòu)、流體、耦合、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的有限元分析軟件，主要包括前處理模塊、分析求解模塊、后處理模塊。本文采用ANSYS11.0對(duì)樁土作用進(jìn)行分析。

1 樁土體系模型

1.1 基本假定

基本假定如下:

1)將土體設(shè)定為彈塑性材料，采用Drucker－Prager彈塑性模型，其材料特性包括粘聚力、內(nèi)摩擦角和膨脹角;

2)建立三維模型，考慮到接觸問(wèn)題，在樁和土、褥墊層之間設(shè)置接觸面單元。

1.2 計(jì)算參數(shù)的選取

本文有限元模型中的土體采用了Drucker－Prager材料，在此模型中，土體、樁、褥墊層均采用8節(jié)點(diǎn)的六面體實(shí)體單元solid45進(jìn)行模擬，樁采用CFG樁，基坑開(kāi)挖深度為5m，在開(kāi)挖過(guò)程中采用放坡進(jìn)行開(kāi)挖，放坡系數(shù)為1:0.75，在數(shù)值模擬過(guò)程中，將土體單元采用大變形理論進(jìn)行數(shù)值模擬，土體參數(shù)如表1。

表1 土體模型參數(shù)

表2 樁模型參數(shù)

1.3 本構(gòu)關(guān)系

土體采用Drucker-Prager理想彈塑性本構(gòu)模型，其屈服準(zhǔn)則表達(dá)式為

該模型比較適合土體類(lèi)材料的特性，優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單考慮靜水壓力對(duì)屈服強(qiáng)度的影響，并且參數(shù)少易確定，其中材料的常熟α和K與材料的摩擦角和內(nèi)聚力有關(guān)。

1.4 基本模型的建立

樁深入上層土14 m，下層土1 m，與土體接觸為摩擦接觸類(lèi)型，單元選取TARGE170和CONTA174，摩擦系數(shù)一般取0.2［1］。不考褥墊層入土部分，將其布置在土層以上，與樁建立接觸面?？紤]到研究范圍，土的深度為樁長(zhǎng)的3倍，見(jiàn)圖1。為減小計(jì)算量，考慮到模型的對(duì)稱(chēng)性，本文采用四分之一土體進(jìn)行模擬。在求解之前，對(duì)模型中土體的邊界進(jìn)行約束，在邊界條件處理的問(wèn)題上，本文土體在自重作用下并采用了底部邊界、X方向和Y方向的兩側(cè)邊界為固定邊界，其位移為0，模型底部實(shí)行了全部約束［2］。土體的應(yīng)力主要是自重荷載，樁的應(yīng)力是其自重應(yīng)力和上部建筑物通過(guò)褥墊層底部和樁的剛性連接，將應(yīng)力施加在樁頂。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

基坑開(kāi)挖采取三種不同的距離，分別為2 m，6 m，10 m，樁頂建筑物的荷載等效為均布荷載，大小為300 KPa。平行于基坑的三根樁取中間樁的變化特征，從左到右編號(hào)一次為123。各樁的水平位移，第三主應(yīng)力分別如圖所示。

圖3 不同基坑開(kāi)挖對(duì)樁水平位移的影響

從圖3可以看出，隨著基坑距樁距離的增加，對(duì)樁的水平位移越來(lái)越小，對(duì)單根樁來(lái)看，上部出現(xiàn)正位移，下部出現(xiàn)負(fù)位移，對(duì)樁中部的位移影響最小;當(dāng)達(dá)到一定距離時(shí)，對(duì)樁底部幾乎沒(méi)有影響，上部出現(xiàn)較小的正位移;以上三張圖可以看出，基坑距離一定時(shí)，距離基坑越近的樁，位移影響最大，幾乎成線(xiàn)性變化。

不同基坑距樁的距離對(duì)樁的應(yīng)力影響如圖4所示，當(dāng)基坑距離樁較近時(shí)，對(duì)中間樁的影響最大，是由于樁土間的相互作用，引起中間樁受力最大;當(dāng)達(dá)到一定距離時(shí)，對(duì)樁的影響由距離的增加而減小，對(duì)距離最遠(yuǎn)的樁幾乎沒(méi)有影響。從單根樁來(lái)看，對(duì)樁中間部位的應(yīng)力影響最大，分別向兩端逐漸減小。

從圖5可以看出，基坑開(kāi)挖引起的土體側(cè)移是土體的一種卸載作用，在鄰近開(kāi)挖的位置，樁的位移、應(yīng)力影響很大，基坑開(kāi)挖后地基土的反應(yīng)還受到其他一些復(fù)雜因素的影響，例如孔隙水壓力、地表壓力等，它們的影響還難以準(zhǔn)確地考慮，所以在條件許可時(shí)應(yīng)盡量避免在有地上建筑物的鄰近地點(diǎn)進(jìn)行基坑開(kāi)挖施工，或采取可靠有效的措施，例如基坑支護(hù)等。以上通過(guò)對(duì)基坑開(kāi)挖引起臨近樁的分析計(jì)算，不僅對(duì)CFG復(fù)合地基的評(píng)價(jià)有重要的意義，而且也是利用基坑開(kāi)挖研究工程場(chǎng)地土體性質(zhì)的一個(gè)重要途徑，在實(shí)際工程中，還應(yīng)注意實(shí)際數(shù)據(jù)的觀(guān)測(cè)與積累，建立起不同土體與介質(zhì)作用函數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲得工程場(chǎng)地土體的物理力學(xué)性質(zhì)與其之間本構(gòu)關(guān)系［3］。

本文陳述了一種用來(lái)分析由于基坑開(kāi)挖引起土的側(cè)移對(duì)群樁的影響的有限元方法［4］。著重分析了在放坡條件下的基坑開(kāi)挖對(duì)群樁的影響。影響土側(cè)移對(duì)群樁影響大小的關(guān)鍵因素包括:基坑開(kāi)挖的與群樁的距離，土體的特性和樁的特性。

3 結(jié) 論

本文陳述了一種用來(lái)分析由于基坑開(kāi)挖引起土的側(cè)移對(duì)群樁的影響的方法，我們可以從中得到結(jié)論:

(1)基坑開(kāi)挖會(huì)對(duì)群樁產(chǎn)生影響;當(dāng)基坑開(kāi)挖距離較近時(shí)對(duì)鄰近CFG樁復(fù)合地基中的樁基有破壞作用，建議安全距離為基坑開(kāi)挖深度的2倍，否則要采取措施進(jìn)行加固。

(2)由于CFG樁與土體的力學(xué)特性相差較大，接觸界面難以實(shí)現(xiàn)位移協(xié)調(diào)，因此分析基坑開(kāi)挖對(duì)群樁的影響過(guò)程時(shí)采用接觸模型是合理的。

(3)應(yīng)盡可能避免在有地上建筑物的鄰近地點(diǎn)進(jìn)行基坑開(kāi)挖施工。

［1］鄭興蓮，胡雙全.基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物地基變形的影響［J］.保定學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，24(3):122-125.

［2］王瑞芳.ANSYS分析灌注樁的樁土共同工作機(jī)理［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29(3):293-296.

［3］姜崢.基坑開(kāi)挖對(duì)緊鄰建筑物沉降影響的數(shù)值分析［J］.城市道橋與防洪，2011，5(5):229-231.

［4］楊敏，周洪波.承受側(cè)向土體位移樁基的一種耦合算法［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(24):1-4.