深基坑開挖對坑內(nèi)已有工程樁的影響分析

左敦南

(安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230011)

0 引言

基坑工程是一個古老而又常新的巖土工程課題，在人類歷史文明發(fā)展中，基坑工程的各方面問題也在不斷變化和發(fā)展，同時每個階段都有著自己獨特的時代特點。深基坑開挖涉及到土力學(xué)、變形與穩(wěn)定性等多方面問題，在國內(nèi)外的研究至今仍不成熟。20 世紀以來，國內(nèi)外專家對土的相關(guān)知識進行了大量的研究，魏汝龍［1］深入研究了開挖卸載與被動土壓力計算;劉國彬等［2］通過軟土的室內(nèi)應(yīng)力路徑試驗，得出土的物理性質(zhì)和應(yīng)力路徑共同影響軟土的卸荷模量;A.Kullingsj?［3］提出了軟粘土深基坑支護對周圍環(huán)境的影響。

本文通過分析基坑開挖卸荷影響區(qū)域及相應(yīng)應(yīng)力路徑，總結(jié)了不同區(qū)域的不同卸荷方式;通過受回彈影響的基樁受力分析和上部結(jié)構(gòu)荷載作用下的基樁受力分析，研究了深基坑開挖對坑內(nèi)基樁受力特性的影響;通過探討基坑隆起和回彈作用的區(qū)別，分別研究了基坑隆起和基坑回彈對樁的性能的影響。同時也討論了一些基坑開挖對工程樁產(chǎn)生的間接影響。最后根據(jù)基坑開挖對工程樁的直接和間接影響，定性分析了工程樁承載力變化以及樁身破壞原因。

1 基坑開挖對工程樁的直接影響

1.1 卸荷過程對基坑變形的影響

基坑開挖工程可簡化為平面應(yīng)變問題，在該問題中，根據(jù)卸荷作用的不同，可分為三個區(qū)域——基坑外側(cè)、基坑底部、過渡區(qū)域。在基坑開挖過程中，基坑外側(cè)水平應(yīng)力釋放，產(chǎn)生側(cè)向卸荷作用;基坑底部豎向應(yīng)力釋放，發(fā)生軸向卸荷作用;過渡區(qū)域位于兩者之間，水平及豎向應(yīng)力均有改變，即發(fā)生主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)，應(yīng)力路徑也介于兩者之間。

1.2 深基坑開挖對坑內(nèi)基樁受力特性的影響

基坑開挖對基樁的影響分析主要包含以下兩個方面［4］:

1)受回彈影響的基樁受力特性?；诓豢紤]樁上部外荷載的作用下分析回彈影響的樁基受力特性，可將工程樁視為“懸浮”于土中的樁體?；娱_挖過程中，由于土體應(yīng)力釋放帶來的卸荷與回彈，使得樁身上部受到向上的正摩阻力作用，樁身下部受到向下的負摩阻力作用。在正、負摩阻力的作用下，樁體在軸向上承受拉伸軸力。

2)受上部結(jié)構(gòu)荷載作用的基樁受力特性?；娱_挖后，上部荷載減小引起樁周土體有效應(yīng)力減小，從而導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力減小，最后降低了工程樁的承載力。同時回彈作用產(chǎn)生的側(cè)摩阻力影響了樁周側(cè)摩阻力的發(fā)展趨勢，進而對樁的剛度產(chǎn)生了影響。

1.3 基坑隆起和回彈對坑內(nèi)基樁的影響

1)基坑隆起的影響?；娱_挖過程是一個卸荷過程，隨著坑內(nèi)土體的挖除，坑底土體將產(chǎn)生不同程度的隆起。一般情況下，基坑開挖引起坑底的各土層隆起量各不相同，工程樁與土體之間將產(chǎn)生相對位移。在某一深度處，樁—土之間的相對位移剛好為0，該點稱為中性點。樁體在中性點以上受正摩阻力，在中性點以下受負摩阻力，中性點處摩阻力為0，而軸力最大。當(dāng)樁身中性點軸向荷載超過混凝土抗拉強度時，就可能會引起樁身的拉裂破壞［5］。

2)基坑土體回彈的影響。深基坑相對于淺基坑而言由于卸載量大，坑底回彈量大，對工程樁產(chǎn)生的危害不容忽視［6］?；娱_挖過程中，由于坑底土體突然被卸載，原先的平衡應(yīng)力發(fā)生突變，使土體產(chǎn)生回彈，從而引起已有工程樁的上浮。另外降水也可使坑底土體荷載增大而產(chǎn)生壓縮彈性變形，從而引起基樁上浮。坑底以下各層土體開挖前后土中應(yīng)力比和壓縮模量比的變化明顯影響著坑底回彈量［6］。土的壓縮模量越大，其回彈量越小。

2 基坑開挖對工程樁的間接影響

2.1 基坑開挖對土體力學(xué)特性的影響

基坑開挖會引起土體力學(xué)特性的變化，從而間接影響樁的承載力。

1)土體強度和應(yīng)力應(yīng)變特性等力學(xué)性質(zhì)隨著土體開挖卸荷階段而改變。在被動區(qū)內(nèi)，土體強度等指標隨著開挖深度增大而減小，并且減小幅度隨深度加大而加大;水泥固化土的強度指標減小幅度明顯高于天然土。

2)墻體前后土壓力的時間效應(yīng)。在有支撐范圍內(nèi)，主動區(qū)土壓力變化不大;在土體深層，被動區(qū)土壓力稍有增大，主動區(qū)減小，這是由于墻體位移引起的，兩者變化主要集中在墻體最大位移附近。墻體位移一定下，被動區(qū)土壓力小于靜止土壓力，遠未達到被動土壓力。

2.2 基坑開挖卸荷對土體抗剪強度指標的影響

基坑開挖會導(dǎo)致土體抗剪強度指標的變化，進而影響工程樁的承載能力。

基坑開挖卸荷后，改變了原位土體的應(yīng)力狀態(tài)，從而改變了土體的微觀結(jié)構(gòu)，使得基坑外側(cè)土體抗剪強度下降，勢必對土壓力的計算產(chǎn)生相應(yīng)的影響。所以基坑開挖卸荷對土體抗剪強度指標的影響在基坑工程設(shè)計中不容忽視。

3 工程樁承載力變化以及樁身破壞原因分析

深基坑開挖會對坑內(nèi)已有工程樁產(chǎn)生較大影響，主要包括樁基承載力的削弱和樁身破壞兩個方面。產(chǎn)生這些影響的原因如下:1)不同區(qū)域應(yīng)力路徑不同，引起的卸荷作用使得土體圍壓減小，導(dǎo)致樁基承載力削弱。2)深開挖條件下所產(chǎn)生的土體側(cè)向變形會引起樁身彎曲、偏位、斷裂。3)深基坑開挖所引起的土體的回彈對樁重新加載時的承載力和荷載傳遞產(chǎn)生顯著影響，從而影響承載力的發(fā)揮;回彈對坑底已有工程樁產(chǎn)生向上的摩阻力，在一定的地層條件下，易在鋼筋籠底部素混凝土樁身段形成拉應(yīng)力集中，進而產(chǎn)生受拉破壞。4)基坑開挖引起坑底土體隆起，使得樁體與土體之間產(chǎn)生相對位移，從而在中性點之上形成正摩阻力，中性點之下形成負摩阻力，中性點處承受最大的拉伸軸力。當(dāng)軸向荷載超過土樁身抗拉強度，就可能會產(chǎn)生中性點的受拉破壞［5］。5)基坑開挖可以通過改變土體的力學(xué)特性等間接影響工程樁的承載特性。

4 結(jié)語

1)深基坑開挖對樁基的影響主要體現(xiàn)在樁基承載力變化問題和坑內(nèi)樁基受力特性變化問題上。深基坑開挖往往導(dǎo)致樁基承載力變小，引起樁身彎曲、偏位、斷裂和樁身受拉、拔斷等問題。2)深基坑開挖引起的不同區(qū)域應(yīng)力路徑的不同變化、坑底土的回彈和隆起、樁基的受力特性的變化和間接影響土的工程特性等，都是導(dǎo)致承載力削弱和樁身形變甚至斷裂的原因。3)目前，國內(nèi)外關(guān)于深基坑對臨近建筑的影響有較多研究，而對于坑內(nèi)基樁的討論較少，這方面的研究還不成熟，還可從數(shù)值模擬、室內(nèi)模型試驗以及原位測試等多角度進行研究分析。

［1］魏汝龍.開挖卸載與被動土壓力計算［J］.巖土工程學(xué)報，1997，19(6):88-92.

［2］劉國彬，侯學(xué)淵.軟土的卸荷模量［J］.巖土工程學(xué)報，1996，18(6):18-23.

［3］A.Kullingsj?.Effects of deep excavations in soft clay on the immediate surroundings［J］.Proceedings of the 17th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering，2007(2):1923-1930.

［4］胡 琦，凌道盛，陳云敏，等.深基坑開挖對坑內(nèi)基樁受力特性的影響分析［J］.巖土力學(xué)，2008，29(7):1965-1970.

［5］陳孝賢.深基坑開挖坑底土體隆起對工程樁影響的探討［J］.福建建設(shè)科技，2006(3):15-16.

［6］朱火根，孫加平.上海地區(qū)深基坑開挖坑底土體回彈對工程樁的影響［J］.巖土工程界，2005，8(3):43-46.