深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基的影響

黃 偉 文

(廣東創(chuàng)成建設(shè)監(jiān)理咨詢(xún)有限公司，廣東 廣州 510075)

深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基的影響

黃 偉 文

(廣東創(chuàng)成建設(shè)監(jiān)理咨詢(xún)有限公司，廣東 廣州 510075)

針對(duì)某電廠循環(huán)水泵房基坑開(kāi)挖的工程實(shí)例，采用有限元方法模擬了基坑開(kāi)挖及其鄰近樁基，模擬樁土之間的相互作用，分析了基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基的影響，模擬的結(jié)果與實(shí)際較為一致，對(duì)工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

深基坑，樁基，樁土作用，數(shù)值模擬

0 引言

電廠工程總平面布置受以確定的建設(shè)場(chǎng)地范圍、電氣出險(xiǎn)方向、道路位置等多種因素約束，在設(shè)計(jì)時(shí)須結(jié)合工程實(shí)際，因地制宜，得出技術(shù)經(jīng)濟(jì)最佳方案。廠區(qū)總面積布置做到布置最緊湊，充分利用固有土地資源，盡可能少占用村莊，減少征地。電廠循環(huán)水泵房基坑開(kāi)挖屬大型深基坑工程，開(kāi)挖存在一定風(fēng)險(xiǎn)，基坑開(kāi)挖卸載了部分土壓力，引起土體位移，勢(shì)必影響鄰近樁基，使樁基產(chǎn)生附加彎矩、應(yīng)力和變形，進(jìn)而影響樁基的結(jié)構(gòu)使用性能。這個(gè)問(wèn)題從本質(zhì)來(lái)說(shuō)屬于被動(dòng)樁的研究，其土體位移的影響因素繁多，要比主動(dòng)樁的研究復(fù)雜的多。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，基坑開(kāi)挖卸載所引起的樁基附加位移有可能使樁基產(chǎn)生嚴(yán)重變形，引發(fā)嚴(yán)重工程事故[1]。許多學(xué)者早已認(rèn)識(shí)到問(wèn)題的嚴(yán)重性，并且開(kāi)展較為深入的研究工作[2,4,5]。

依托沿海地區(qū)某電廠循環(huán)水泵房深基坑工程實(shí)例，結(jié)合沿海軟土地基巖性特點(diǎn)，采用國(guó)際通用有限元分析軟件ANSYS，分析研究基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基的影響。

1 工程背景

某電廠依海而建，南面緊臨南海，電廠循環(huán)水泵房北面緊鄰化水處理車(chē)間，施工過(guò)程考慮到施工機(jī)械統(tǒng)籌安排，節(jié)約經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本，在廠區(qū)樁基施工過(guò)程將化水處理車(chē)間預(yù)應(yīng)力管樁一并施工完成，循環(huán)水泵房開(kāi)挖放線(xiàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，與其最近的化水處理車(chē)間樁基緊挨其開(kāi)挖邊線(xiàn)。泵房基坑長(zhǎng)63.8 m，寬46 m，開(kāi)挖深度14.6 m?；娱_(kāi)挖采用自然放坡開(kāi)挖方案，分兩級(jí)臺(tái)階，第一級(jí)高6.6 m，放坡系數(shù)1.5，第二級(jí)高8 m，放坡系數(shù)1.25，開(kāi)挖前沿基坑坡頂打旋噴止水帷幕樁，開(kāi)挖過(guò)程邊坡整體覆蓋20×20×1鋼絲網(wǎng)并噴100 mm厚砂漿作邊坡保護(hù)，無(wú)其他支護(hù)措施。基坑自上而下，分區(qū)分層開(kāi)挖，開(kāi)挖過(guò)程排水措施及時(shí)到位。化水處理車(chē)間樁基采用外徑500 mm、壁厚100 mm的AB型高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，設(shè)計(jì)樁深27 m，單樁豎向承載力不小于2 000 kN，水平承載力不小于75 kN，緊鄰泵房基坑的一排為雙樁承臺(tái)設(shè)計(jì)?；娱_(kāi)挖影響范圍內(nèi)的土層主要物理參數(shù)力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 土層物理參數(shù)表

2 數(shù)值模擬

被動(dòng)樁的研究通常有四類(lèi)方法：經(jīng)驗(yàn)法，土壓力法，位移法，有限元法。有限元法可以方便的考慮土體的非線(xiàn)性本構(gòu)關(guān)系、復(fù)雜邊界條件以及基坑開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)施工工況。許多著名學(xué)者已經(jīng)使用有限元法進(jìn)行被動(dòng)樁的分析研究，并且證明了該方法的可靠性，目前有限元法已被廣泛應(yīng)用。采用國(guó)際通用有限元分析軟件ANSYS，分析了某電廠循環(huán)水泵房深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近預(yù)應(yīng)力管樁的影響。

本工程基坑面積較大，基坑形狀規(guī)則，開(kāi)挖過(guò)程嚴(yán)格按照施工方案對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖，因基坑模型為規(guī)則的對(duì)稱(chēng)模型，且面積較大，數(shù)值模擬時(shí)可簡(jiǎn)化為二維的平面應(yīng)力應(yīng)變問(wèn)題近似求解，對(duì)模擬結(jié)果影響不大。

2.1 模型建立

2.1.1 土體本構(gòu)模型

Mohr-Coulomb是土體基坑開(kāi)挖常用的本構(gòu)模型，它能較好的描述土體的彈塑性，但是它在三維空間屈服的角錐體截面形狀并不規(guī)則，為六角度不等的六邊形，呈奇異性。諸多學(xué)者對(duì)M-C模型做出大量修正，以克服M-C模型的上述缺陷。Drucker-Prager尋找到內(nèi)切于M-C的六棱錐的圓錐體，形成了更完美的Drucker-Prager彈塑性模型。本文采用的正是Drucker-Prager模型。

Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則可表達(dá)如下：

2.1.2 接觸面的處理

研究基坑土體與樁基相互作用的問(wèn)題時(shí)，由于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與土體在材料力學(xué)性能方面相差很大，土體與樁基之間在力的傳遞過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，土體與樁基不能再作為連續(xù)介質(zhì)來(lái)分析。這就需要對(duì)接觸面做特殊的處理，使接觸面的受力情況與實(shí)際保持一致。

ANSYS有限元軟件提供有一種厚度接近為零的接觸面單元，將接觸面單元置于土體單元與樁基單元之間，由該單元模擬接觸面處受力變形情況，實(shí)現(xiàn)樁土相互作用的真實(shí)模擬。

2.2 模型計(jì)算

按平面二維問(wèn)題，選取基坑典型斷面進(jìn)行分析計(jì)算，采用平面四節(jié)點(diǎn)單元模擬土體，土層按照實(shí)際情況分層，采用二維梁?jiǎn)卧M樁基，樁土之間采用接觸單元模擬。根據(jù)圣維南原理，邊界效應(yīng)對(duì)超過(guò)一定距離的影響可忽略不計(jì)，本文計(jì)算域?qū)挾榷?4 m，深度定為40 m。邊界條件土體兩側(cè)為水平約束，底部為固定約束。

圖1為基坑開(kāi)挖完成的有限元模型。

原始的天然地面經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)年歲，已經(jīng)完成了自身的固結(jié)。因此在基坑模擬時(shí)應(yīng)考慮土體的初始應(yīng)力，以這個(gè)初始應(yīng)力下位移應(yīng)變?yōu)榱愕臓顟B(tài)作為計(jì)算的初始狀態(tài)。為考慮泵房深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近預(yù)應(yīng)力管樁產(chǎn)生的影響，用ANSYS軟件模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程的施工工序：第一步：模擬初始應(yīng)力下的土體固結(jié)作用；第二步：施工預(yù)應(yīng)力管樁，施加附加材料堆載等地面超載20 kPa；第三步：放坡開(kāi)挖第一層至-6.6 m；第四步：放坡開(kāi)挖第二層至基坑底部-14.6 m，澆筑混凝土底板。

本文分析的重點(diǎn)在于基坑開(kāi)挖到底即第四步時(shí)的最不利狀態(tài)，分析在此階段樁基的受力及位移情況。圖2，圖3為基坑位移云圖，可以看到樁基兩側(cè)土體位移存在明顯變化，樁基的存在對(duì)抑制土體位移有一定的作用。

3 樁基受力情況分析

基坑開(kāi)挖卸載了部分土壓力，引起土體位移，樁基受土體水平位移的影響而產(chǎn)生附加位移，同時(shí)產(chǎn)生附加應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁豎向承載能力較強(qiáng)，但其抗剪能力較弱。樁基豎向的位移和應(yīng)力對(duì)其性能的影響并不大，而樁基的水平位移及應(yīng)力則直接關(guān)系到它的承載能力及其質(zhì)量完整性，稍有不慎則可能導(dǎo)致樁基破壞。圖4為基坑開(kāi)挖到基底標(biāo)高時(shí)，鄰近樁基的水平位移圖。根據(jù)模擬分析的結(jié)果，樁頂處為最大正位移值，向右位移5.41 mm，樁底處為最大負(fù)位移值，向左位移9.40 mm，樁基整體向右傾斜。樁基偏移14.81 mm，樁長(zhǎng)27 m，傾斜率0.054%，不超過(guò)0.1%，對(duì)樁基承載能力影響不大，在允許范圍之內(nèi)。

圖5為基坑開(kāi)挖完成后的樁基彎矩圖，觀察兩樁基承受彎矩最大位置，可看出右側(cè)樁基彎矩明顯大于左側(cè)樁基，說(shuō)明土壓力經(jīng)右側(cè)樁基抵擋，傳遞到左側(cè)樁基時(shí)有所減弱，彎矩最大值在接近樁底的位置，也就是說(shuō)右側(cè)樁基靠近樁基底部的位置將是最先破壞的位置。根據(jù)模擬結(jié)果，樁基所承受的最大剪力為9.23 kN，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)單樁水平承載力75 kN。樁基所承受的最大彎矩為7.88 kN·m，小于其允許彎矩值。循環(huán)水泵房基坑回填后，施工現(xiàn)場(chǎng)考慮到基坑開(kāi)挖對(duì)化水處理車(chē)間樁基的影響，對(duì)樁基進(jìn)行了小應(yīng)變檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示，樁基均保持完整，檢測(cè)合格。

4 結(jié)語(yǔ)

1)從有限元分析得出的基坑位移、樁基位移及應(yīng)力結(jié)果來(lái)看，基坑和鄰近樁基的位移受力趨勢(shì)與工程實(shí)際一致，這表明ANSYS能夠較好的模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程對(duì)鄰近樁基的影響，模擬結(jié)果能夠有效的用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。

2)本工程循環(huán)水泵房開(kāi)挖對(duì)鄰近的樁基確實(shí)存在一定影響，引起樁身產(chǎn)生較大的附加位移和彎矩，施工過(guò)程應(yīng)對(duì)此加以警惕，在條件允許的情況下，盡量在基坑回填后再施工鄰近樁基，以免造成不良影響。

[1] 劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

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[6] 鄭 剛，顏志雄，雷華陽(yáng)，等.基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基影響的實(shí)測(cè)及有限元數(shù)值模擬分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2007(5)：53-54.

[7] 張愛(ài)軍，莫海鴻，朱珍德，等.被動(dòng)樁與土相互作用解析計(jì)算研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2011,33(S2)：120-127.

On influence of excavation of deep foundation pits on neighboring pile foundation

Huang Weiwen

(GuangdongChuangchengConstructionSupervisionConsultancyCo.,Ltd,Guangzhou510075,China)

According to the engineering examples of the foundation pit excavation of the circulating water pump house in some power plant, the paper adopts the finite element to simulate the foundation pit excavation and its neighboring pile foundation, simulates the mutual impacts among piles and soil, analyzes the influence of excavation of deep foundation pits on neighboring pile foundation, and indicates the simulation result is consistent ith the fact, so it can direct the engineering practice.

deep foundation pit, pile foundation, pile-soil interaction, numeric simulation

1009-6825(2015)30-0068-02

2015-08-18

黃偉文(1989- )，男，碩士，助理工程師

TU463

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