基坑降水對周圍建筑樁基礎(chǔ)沉降影響的研究

曲 軍 彪

(中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100101)

基坑降水對周圍建筑樁基礎(chǔ)沉降影響的研究

曲 軍 彪

(中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100101)

針對目前的計算理論很難考慮多因素耦合作用計算基坑降水引起的周圍建筑樁基的沉降變形問題，采用大型有限差分程序FLAC3D，研究了基坑降水對周圍建筑樁基礎(chǔ)沉降變形的影響,對比了相同降水條件下，不同樁長的樁基沉降變形，得出了有益于以后工程實踐的結(jié)論。

基坑降水，樁基沉降，流固耦合

1 概述

近年來，我國城鎮(zhèn)建設(shè)飛速發(fā)展，為充分利用地下空間，深基坑工程不斷增多。在地下水位埋藏較淺的地區(qū)，基坑開挖前需要進行降水施工，而水位降低會導(dǎo)致周圍地面及建筑物的沉降，從而危及建筑物的安全，特別是當(dāng)基坑周圍建筑物密集或有需要保護的重要建筑物時，問題更加嚴(yán)重。因此，針對基坑降水引起的建筑物沉降的研究顯得尤為重要。目前，學(xué)界對基坑降水引起的周圍地表沉降的研究較多[1-6]，而對降水引起的周圍建筑物的沉降特別是對樁基礎(chǔ)建筑物的沉降的研究還鮮見報導(dǎo)?；诖?，本文采用三維數(shù)值模擬方法研究基坑降水對周圍建筑樁基的影響，得出的結(jié)論有望指導(dǎo)工程實踐。

2 機理分析

地下水位下降導(dǎo)致的土體浮力減小和地下水流動導(dǎo)致的滲透力增加是土體中有效應(yīng)力增加的兩個原因。土體有效應(yīng)力增加將使樁周土產(chǎn)生固結(jié)沉降，導(dǎo)致樁身產(chǎn)生負(fù)摩擦力，從而引起樁基產(chǎn)生附加沉降。

3 數(shù)值計算

計算基坑降水引起的地面沉降可采用解析法和數(shù)值法，但解析法具有局限性，對于復(fù)雜地質(zhì)條件、復(fù)雜降水方法和復(fù)雜的周圍建筑物分布情況，無法用解析法計算，而數(shù)值模擬技術(shù)可考慮這些復(fù)雜的因素，計算結(jié)果更符合實際工程情況。

本文采用的計算程序為FLAC3D，在計算分析中考慮了流固耦合作用。

3.1 基本理論

1)流體流動定律：

(1)

2)流體質(zhì)量守恒定律：

(2)

其中，ξ為流體容量的變化(單位體積的孔隙材料中流體體積的變化)；qv為體積流源強度。

3)本構(gòu)定律：

(3)

其中，M為比奧模量(M=KW/n，其中，KW為流體體積模量，n為孔隙率)；α為有效應(yīng)力的比奧系數(shù)；εv為體積應(yīng)變。

(4)

4)幾何方程:

(5)

3.2 計算模型概況

本文計算模型為一概念模型，土層均為砂土，層厚40 m。地下水為潛水，水位位于地表下0.5 m。擬開挖基坑深11 m，長20 m，寬20 m。降水方法采用坑外井點降水，無防水帷幕。降水井深為20 m，濾水管范圍為16 m～20 m深度處。降水井沿基坑長方向均勻布置，每邊10口，距坑邊3 m。建筑樁基礎(chǔ)距基坑邊5 m，承臺高2 m，長寬均為8 m，樁基直徑1.5 m。承臺下布置4根樁。

本文計算模型如圖1,圖2所示，計算模型的范圍為100 m(長)×100 m(寬)×40 m(深)。砂土材料采用摩爾庫侖準(zhǔn)則，滲透系數(shù)各向同性，樁采用樁單元模擬。

3.3 參數(shù)取值

土層、樁及降水井設(shè)計參數(shù)見表1～表3。

表1 土層設(shè)計參數(shù)

表2 樁設(shè)計參數(shù)

表3 降水井設(shè)計參數(shù)

4 計算結(jié)果及分析

4.1 降水計算結(jié)果

降水后土層中的孔壓分布見圖3，從圖中可以看出，基坑處的水位已降至開挖深度以下，基坑周圍的水位呈漏斗狀分布。

4.2 樁基沉降對比

計算結(jié)果見圖4～圖6，圖4為不同樁長情況下樁承臺的沉降對比，圖5，圖6為不同樁長情況下樁身沉降的對比。

從圖4可以看出，樁越長，樁承臺整體沉降越小。最長和最短樁長度相差7倍，降水后沉降相差約為2.5倍。從圖5可以看出，總趨勢是樁長越長，沉降越小，但樁長在15 m以內(nèi)時，減小不明顯，樁長大于15 m后，減小顯著。

從圖6可以看出，當(dāng)樁長從5 m增加到35 m，樁基差異沉降由小變大再減小，樁長在15 m～20 m范圍內(nèi)差異沉降最大。

4.3 樁基礎(chǔ)側(cè)向位移對比

從圖7可以看出，在0 m～10 m深度范圍內(nèi)，樁的側(cè)向位移都隨深度增加而減小。對樁長不大于20 m的樁，10 m深度以下，樁的側(cè)向位移逐漸增大。與之相反，對樁長大于20 m的樁，10 m深度以下，樁的側(cè)向位移逐漸減小。樁長小于10 m，樁身為單向彎曲；樁長為10 m～20 m，樁身出現(xiàn)一個反彎點；樁長大于20 m，樁身出現(xiàn)兩個反彎點。

4.4 樁身負(fù)摩擦力分布特征

降水會導(dǎo)致土體固結(jié)沉降，當(dāng)土體沉降大于樁身沉降時，就會對樁產(chǎn)生負(fù)摩擦力，從而導(dǎo)致樁身的附加沉降。圖8～圖11為樁體沉降和樁周土體沉降的對比圖。當(dāng)樁周土沉降大于樁身沉降時，樁身產(chǎn)生負(fù)摩擦力，反之，樁身產(chǎn)生正摩擦力。由此可見，樁長為5 m時，樁身全長受負(fù)摩擦力作用，當(dāng)樁長大于15 m時，樁身上部受負(fù)摩擦力作用，下部受正摩擦力作用，且正摩擦力的分布長度隨樁長逐漸增加。

4.5 樁基位移規(guī)律分析

圖12為樁基位移規(guī)律分析示意圖。圖中等值線為降水后地層中的水頭分布，在此基礎(chǔ)上，將降水井和樁布置于圖中。

其中樁1、樁2、樁3不代表實際樁的位置，只用來說明樁與濾水管埋深的相對關(guān)系。從圖12中可以看到，在濾水管位置，水頭由降水前的20 m降低到0 m，降低最大。所以在此位置附近，有效應(yīng)力增加最大，同時水對土的滲透力最大，從而導(dǎo)致土體豎向位移和水平位移都最大。土體的豎向位移和水平位移會導(dǎo)致樁基相應(yīng)方向的位移。所以，樁基變形的規(guī)律與樁端和降水井濾水管埋深的相對位置有關(guān)。當(dāng)樁端在濾水管位置以上時(如樁1)，樁周土體沉降大于樁身沉降，樁身全部受負(fù)摩擦力的作用，樁基

礎(chǔ)隨土層變形而變形，所以樁的豎向位移和水平位移受降水影響較大。當(dāng)樁端在濾水管位置(如樁2)，由于水頭差最大，土體豎向位移和水平位移都最大，從而導(dǎo)致樁基礎(chǔ)的差異沉降最大，樁端水平位移最大。當(dāng)樁端在濾水管以下時(如樁3)，樁端往上逐漸受正摩擦力作用，降水對樁的豎向位移和水平位移影響減小。

5 結(jié)語

通過以上計算和分析，可以得出，在相同降水條件下，樁基礎(chǔ)沉降變形與降水井濾水管和樁端的相對位置密切相關(guān)。當(dāng)降水井濾水管位于樁端以下時，樁身沉降最大，樁身全長受負(fù)摩擦力作用；當(dāng)降水井濾水管位置與樁端接近時，樁的最大差異沉降及樁身側(cè)向變形最大；當(dāng)降水井濾水管位于樁端以上時，樁的最大沉降、差異沉降及側(cè)向變形均較小。因此，在工程實踐中，當(dāng)基坑周邊有樁基礎(chǔ)建筑時，盡量將降水井濾水管設(shè)計在樁端以上一定距離，避免設(shè)計在樁端以下，特別是避免濾水管與樁端在同一深度。當(dāng)無法避免時，應(yīng)進行計算分析，評估降水對周圍建筑樁基的影響，確保周邊建筑物的安全。

[1] 胡 濤，馮曉臘.武漢地區(qū)基坑降水引起的地面沉降機理及定量預(yù)測[J].土工基礎(chǔ)，2002，16(2)：48-50.

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[6] 許錫昌.深基坑降水對支護結(jié)構(gòu)和周邊建筑物影響的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005(24)：5449-5453.

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Research on pile foundation settlement induced by pit’s dewatering

QU Jun-biao

(CCCCWaterTransportationConsultantsCo.，Ltd,Beijing100101,China)

Pile foundation settlement induced by pit’s dewatering occurs as the result of coupling action of many factors. Current computational theory can not consider so many factors and research on this field is very little. For the problem, adapts finite difference program FLAC3D, analysis on pile foundation settlement due to deep foundation dewatering is carried out. The vertical and horizontal displacement of different length piles are contrasted on the same dewatering condition. The results are useful for the similar future projects.

pit’s dewatering， pile foundation settlement， coupled fluid-mechanical

1009-6825(2014)22-0051-03

2014-05-26

曲軍彪(1982- )，男，碩士，工程師

TU463

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