淺談基坑開挖時(shí)鄰近樁基性狀的數(shù)值分析

摘 要：土體側(cè)向移動(dòng)對(duì)鄰近樁的不利影響是基坑開挖的一個(gè)重要問(wèn)題，因?yàn)樗鼧O有可能給鄰近樁造成側(cè)向位移和附加應(yīng)力、彎矩等不利效果，嚴(yán)重者甚至給上部建筑物帶來(lái)功能的損失。利用土工有限元軟件Plaxis8.2對(duì)內(nèi)支撐排樁支護(hù)基坑開挖進(jìn)行有效的數(shù)值分析，可以充分了解基坑開挖時(shí)影響鄰近樁基的各種因素，從而確?；娱_挖的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：基坑開挖；鄰近樁基；形狀；數(shù)值分析

基坑開挖引起的土體側(cè)向移動(dòng)會(huì)對(duì)鄰近樁基產(chǎn)生一定的影響，這是一個(gè)典型的被動(dòng)樁問(wèn)題，目前城市里的即可開挖一般是在已有建筑物旁進(jìn)行的，因而對(duì)鄰近樁基的影響很大。本文通過(guò)利用采土工有限元軟件Plaxis8.2對(duì)內(nèi)支撐基坑開挖時(shí)對(duì)鄰近樁基的性狀進(jìn)行了有效分析，研究了單雙排樁的各種工況，例如支護(hù)樁的剛度、樁基和支護(hù)的距離、樁基的剛度、樁基的長(zhǎng)短、樁長(zhǎng)的條件對(duì)樁基的附加彎矩和側(cè)向位移的影響、樁頭的約束等等。

1 問(wèn)題的簡(jiǎn)化和有限元模型

忽略一些縱向邊界條件的影響，采用二維有限元的分析手段，將樁基作為板狀來(lái)進(jìn)行考慮，并通過(guò)以下計(jì)算公式來(lái)計(jì)算板狀的彈性模量。

其中：p代表的是樁，s代表土，u指的是相鄰樁之間的中心距離，d是樁徑。通過(guò)將樁體看做樁版，就可以將樁間的繞流在最大程度上進(jìn)行忽視，從而可以使基坑開挖土層水平位移產(chǎn)生的水平作用力可以均勻地施加在樁的身上。結(jié)果的測(cè)量一般是土層水平位移會(huì)比實(shí)際位移小，而樁身的水平位移則比實(shí)際大。通過(guò)被動(dòng)樁的土拱效應(yīng)分析可以看到，如果不同樁之間的中心距離小于3d樁徑時(shí)，被動(dòng)樁承擔(dān)著90%以上的土層側(cè)向位移對(duì)被動(dòng)樁產(chǎn)生的側(cè)壓力，也就是說(shuō)排樁完全可以等效為板樁來(lái)看，所以完全可以用二維分析來(lái)進(jìn)行機(jī)制研究和形態(tài)分析評(píng)估。

圖1是建立的有限元模型和剖分的網(wǎng)絡(luò)。對(duì)左右邊界進(jìn)行水平約束，對(duì)對(duì)底邊界進(jìn)行固定約束。用線彈性梁?jiǎn)卧獙?duì)支護(hù)樁、鄰近工程樁、內(nèi)支撐進(jìn)行分析，利用Plaxis8.2的一種彈塑性模式來(lái)模擬接觸面性狀，同時(shí)并不考慮打樁對(duì)土體可能造成的影響。

2 基本算例

基本算例主要是分成兩種情況，即單排和雙排，并且在計(jì)算時(shí)不考慮樁頂?shù)募s束，主要是為了有效分析不同開挖深度對(duì)鄰近樁形狀的影響。計(jì)算參數(shù)如表1所示。

典型分析時(shí)，一般支護(hù)樁彈性模量等效后的剛度EI=210.0MN·m2/m，而鄰近工程樁的剛度EI=1100.0MN·m2/m，他們二者的泊松比都是0.16，內(nèi)支撐軸的剛度EA=2.0×103MN/m，L=3.0m。如圖2所示，它代表了單排樁的樁身水平位移情況和彎矩變化情況受不同開挖深度的影響結(jié)果，一共開挖了4個(gè)階段，每個(gè)階段進(jìn)行2m的挖掘，總共達(dá)到8m的深度。圖2（a）縱坐標(biāo)代表了樁所處的不同位置，橫坐標(biāo)代表的是樁身的位移情況，正值代表向基坑的一側(cè)發(fā)生的位移值。圖2（b）縱坐標(biāo)同樣代表樁的不同位置，而橫坐標(biāo)代表樁身的彎矩值，正值則代表樁身背離基坑一側(cè)受拉而產(chǎn)生的彎矩值。從圖中可以看出隨著開挖深度的增加，樁身的位移和彎矩也隨之增大，兩者與開挖深度呈現(xiàn)線性相關(guān)趨勢(shì)。

3 各種因素對(duì)鄰近樁性狀的影響

3.1 支護(hù)樁剛度的影響

支護(hù)樁所用到剛度EI設(shè)定為21.0、210.0、100.0MN·m2/m，其他與算例的設(shè)定基本一樣。如果支護(hù)樁的剛度不同，那么在基坑開挖時(shí)對(duì)鄰近土地造成的變形場(chǎng)效果是不一樣的，由此引發(fā)的鄰近樁位移距離和彎矩程度也是不一樣。如圖5所示，在最大開挖深度的情況下，支護(hù)樁在不同的剛度條件下對(duì)鄰近樁產(chǎn)生的位移變化和彎矩程度。從圖中的變化曲線可以看到，如果支護(hù)樁的剛度越大，那么鄰近樁的位移變化和彎矩程度就會(huì)越小，當(dāng)剛度增加到某個(gè)定值時(shí)，這些變化就可以忽略不計(jì)。如果支護(hù)樁的剛度很小，那么鄰近樁的位移變化和彎矩程度就會(huì)很大。

如圖6所示，它的曲線變化代表的是雙排樁下鄰近樁的位移情況和彎矩變化。從計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，如果支護(hù)樁的剛度產(chǎn)生變化，前后樁的位移變化相對(duì)比較接近，而前樁的變化程度則更大一些，但是前后樁的彎矩程度則相差較大，相差了2倍之多。支護(hù)樁的剛度變化最然對(duì)后排樁的影響不大，最大值變化也不明顯，但是出現(xiàn)的方向確實(shí)相反的。

3.2 工程剛度的影響

將鄰近工程樁的剛度EI設(shè)定為11.0、110.0、1100.0MN·m2/m，其他設(shè)定的條件與基本算例一樣。如圖7所示，它的曲線代表的是單排樁樁身在開挖深度達(dá)到8.0m時(shí)所產(chǎn)生的的位移變化和彎矩程度。如果樁身的彈性模量相對(duì)較小，則鄰近樁展現(xiàn)出柔性樁的性質(zhì)，會(huì)發(fā)生較大的變形，最大的唯一地點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)在樁的中上部，而變化趨勢(shì)沒(méi)有明顯的線性相關(guān)趨勢(shì)，產(chǎn)生的彎矩程度也相對(duì)較小。反之，如果樁身彈性模量較大，則樁身位移會(huì)呈現(xiàn)出線性相關(guān)的趨勢(shì)，最大位移會(huì)出現(xiàn)樁頭處，但是最大值相對(duì)來(lái)水依舊很小，而彎矩程度則會(huì)變得很大。

圖8所示的是不同剛度的雙排樁對(duì)鄰近工程樁造成的位移變化和彎矩程度圖。如果雙排樁的剛度很大，位移與其呈現(xiàn)出明顯的線性相關(guān)，不同剛度情況下前后樁的樁身位移變化類似，但是后排裝的彎矩程度很小，變化也小。

3.3 樁基距離基坑開挖面L的影響

樁基距基坑開挖面的直線距離L取數(shù)值2.0、5.0、8.0、10.0m進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖9和圖10都是在開挖深度為8.0m的情況下鄰近樁的位移變化和彎矩程度圖。從圖中的曲線變化可以明顯看出隨著與開挖面距離的不斷增大，樁身的位移變化和彎矩程度在不斷地減小，直線距離2m和直線距離5m的情況下進(jìn)行比較，樁身的附加彎矩值在L=2m時(shí)明顯更大。

3.4 樁頂承臺(tái)的影響

樁頂約束會(huì)對(duì)被動(dòng)樁的性狀產(chǎn)生一定的影響，因此在分析時(shí)采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行承臺(tái)的模擬，一般選用寬4.0m、等效厚度2.0m的承臺(tái)進(jìn)行，其EA=4.0×104MN/m，EI=13340.0MN·m2/m，與開挖面的距離選擇為3m，其他的設(shè)定與基本算例基本一致。

如圖11所示，在開挖深度為4.0、6.0、8.0的情況下，單排樁如果受承臺(tái)約束，其位移變化和彎矩程度的變化曲線如下圖。在有承臺(tái)時(shí)，樁身產(chǎn)生的文藝變化和彎矩程度都變得較小，最大彎矩也有了減小，樁頭處也發(fā)生了彎矩變化，這主要是承臺(tái)約束了樁的變形。

如圖12所示，雙排樁如果受承臺(tái)約束，其位移變化和彎矩程度的變化曲線如下圖。雙排樁的樁頭位移水平差別基本不大，在有承臺(tái)的情況下樁頭處會(huì)出現(xiàn)較大的彎矩變化，這主要是承臺(tái)約束的作用下后排樁將前排樁向后拖，前排樁則會(huì)將后排裝向前拉。

圖13則是雙排樁在有無(wú)承臺(tái)情況下樁基受到的影響程度對(duì)比。從圖中可以看出樁身的位移變化并不明顯，但是彎矩程度的變化卻很大，后排裝在沒(méi)有承臺(tái)時(shí)彎矩程度幾乎為0，而有承臺(tái)時(shí)彎矩的最大值會(huì)出現(xiàn)樁頭。

3.5 樁長(zhǎng)的影響

鄰近樁基的長(zhǎng)度也是影響樁基性狀的一個(gè)重要因素。將樁基長(zhǎng)度設(shè)定為6、8、12、18n來(lái)進(jìn)行比較。圖14是不同樁長(zhǎng)條件下單排樁的位移和玩具分布圖，樁長(zhǎng)和最大水平位移呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，樁頂水平位移則是先增后減，樁底水平位移一直減小，最大彎矩在樁中間。

圖15是雙排樁的變化情況，與單排樁基本相似，但后排樁的最大水平位移則在樁頭處。

4 結(jié)束語(yǔ)

從上文選取的相關(guān)數(shù)據(jù)分析可以看到，影響鄰近樁基性狀的因素有很多，處理好這些因素的影響，才能有效的提高建筑的質(zhì)量。

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作者簡(jiǎn)介：王小明（1979-），男，本科，工程師，主要從事巖土工程地質(zhì)勘察工作。