分析基坑開挖對擴(kuò)底抗拔樁承載性能的影響

吳金齊

【摘要】當(dāng)綜合基坑開挖造成的影響因素時，樁身實(shí)際的軸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沒有考慮該因素時大，并且出現(xiàn)最大的軸力點(diǎn)不是發(fā)生于樁頂?shù)募虞d處，所以設(shè)計應(yīng)注意到并配置給樁身足夠的配筋量。同軸力相對應(yīng)，基坑開挖之后，樁側(cè)的表面會出現(xiàn)較大摩擦阻力，假如忽視對該阻力的影響，則會引起在上拔荷載的影響下樁側(cè)處摩擦力的失誤或偏差。通過對上拔荷載加以考慮之后，擴(kuò)底樁端部阻力則會相應(yīng)分擔(dān)約37%的荷載增量，顯示出擴(kuò)底端于抗拔荷影響的有效性。

【關(guān)鍵詞】深基坑開挖；擴(kuò)底樁；承載性能；抗拔；數(shù)值模擬

一、前言

隨著工程應(yīng)用，擴(kuò)底抗拔樁的范圍不段延伸，相關(guān)行業(yè)的人員加大了對擴(kuò)底樁的抗拔承性能的研究力度。深基坑的開挖以及卸載的過程會導(dǎo)致坑底土出現(xiàn)明顯的回彈，帶動樁身出現(xiàn)更多的軸力，進(jìn)而對樁基的整個承載性能造成較大的影響，該現(xiàn)象越來越受到工程界的關(guān)注和研究。本文站在前人相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，選擇數(shù)值模擬的研究方式探討深基坑的開挖給擴(kuò)底抗拔樁承載性能的直接或間接影響，以更好地實(shí)現(xiàn)以規(guī)律的角度對實(shí)際構(gòu)造設(shè)計進(jìn)行科學(xué)的指導(dǎo)。

二、有限元的研究分析模型

本次研究使用的限元分析的模型詳見圖1，工程以及維護(hù)樁選擇的是梁單元的模擬形式，選擇線彈性的構(gòu)造關(guān)系；支撐選擇線彈性類別的錨桿給予模擬[1]；土體選擇高精度的15節(jié)點(diǎn)給予單元模擬。研究選擇軸對稱的基本模型：設(shè)定基坑的計算長度是1米，向下開挖的深度是20米，于基坑中心作為擴(kuò)底的抗拔樁，其中樁共長28米，樁直徑為0.8米，擴(kuò)底端是1.6米，擴(kuò)底段的總長是2米，另外計算域是高60米，寬40米 [1-2]。

圖1：有限元的分析研究模型

三、基坑結(jié)束開挖后給擴(kuò)底樁具備的承載性狀造成的影響

根據(jù)基坑開挖完成后關(guān)于土體的位移變化云圖可知：結(jié)束基坑開挖之后，處于樁身影響的土體會往上拱起，拱起值以樁端為最小值，樁頂為最大值，其變化的數(shù)值范圍大概是0～380毫米，且樁的垂直方向的位移大概是31毫米，樁土的相對位移其中性點(diǎn)為逐漸靠向擴(kuò)底端的那小部分，可見樁與土體之間的相對位移的影響表現(xiàn)是在樁身形成軸力。

基坑開挖產(chǎn)生的土體回彈會給樁直接的影響表現(xiàn)同一般土體出現(xiàn)固結(jié)沉降時對樁身表面負(fù)摩擦力變化的影響截然相反。于中性點(diǎn)位置以上，土體會發(fā)生固結(jié)沉降的現(xiàn)象，樁土的相對位移此時主要表現(xiàn)是土體攜帶樁體向下沉降，并于樁身形成壓應(yīng)力；但是基坑卸載時產(chǎn)生的土體回彈主要體現(xiàn)的是：土體相對于樁身向上出現(xiàn)為位移變化，于樁身形成拉應(yīng)力。于中性點(diǎn)的位置以上范圍，土體會相對樁身出現(xiàn)向上位移變化的跡象，并于樁側(cè)發(fā)生向上的摩擦阻力；于中性點(diǎn)的位置以下范圍，土體會相對樁身出現(xiàn)向下位移變化的跡象，并于樁側(cè)發(fā)生向下的摩擦阻力。所以，于中性點(diǎn)該處樁身承載的拉力為最大值，向后慢慢降低。

四、在上拔荷載影響下擴(kuò)底樁的承載性能變化研究

根據(jù)下圖（圖2、圖3）的信息可知，當(dāng)樁頂受到上拔荷載的影響后，假如不關(guān)注基坑開挖過程導(dǎo)致出現(xiàn)的樁身軸力影響，和通常情況下的抗拔樁含義一致，樁身的軸力會從上至下出現(xiàn)下降，且樁身出現(xiàn)的最大拉力點(diǎn)主要是位于樁頂，隨著所加荷載的增加，樁身的軸力會不斷提高[2]。但是由于基坑開挖的過程中導(dǎo)致樁身的軸力發(fā)生后，會引起樁身實(shí)際軸力曲線的變化。另外最大的軸力點(diǎn)也未出現(xiàn)于樁頂?shù)募虞d處，這證明了針對擴(kuò)底抗拔樁來說，不考慮基坑開挖過程中對樁身軸力的影響，這不利于對樁身軸力的正確預(yù)測，進(jìn)而會錯誤地判斷出軸力最大點(diǎn)的實(shí)際位置。

根據(jù)圖4的信息可知，同軸力變化相對應(yīng)，不考慮基坑開挖造成的影響因素時，受樁頂?shù)纳习魏奢d直接影響下樁側(cè)的摩擦阻力呈現(xiàn)出由樁頂向下的摩擦阻力，并且摩擦阻力的大小同上拔荷載的影響程度成正比關(guān)系?；娱_挖過程中土體導(dǎo)致的側(cè)樁摩擦力于中性點(diǎn)的位置是0，在該點(diǎn)的范圍以上呈現(xiàn)出向上的摩擦阻力，反之呈現(xiàn)出向下的摩擦阻力。當(dāng)疊加基坑開挖環(huán)節(jié)導(dǎo)致的側(cè)摩擦阻力之后，可知受到上拔荷載的影響后，土體內(nèi)的樁側(cè)摩擦阻力于中點(diǎn)性的位置范圍之上呈現(xiàn)出的是向上的摩擦阻力，而不是一般情況下未將基坑開挖因素納入考慮范圍導(dǎo)致的向下的摩擦阻力；并且考慮基坑開挖因素下中性點(diǎn)范圍以下產(chǎn)生的摩擦阻力于接近樁端區(qū)域較大。根據(jù)圖5的云圖資料可知，受到上拔荷載的影響后擴(kuò)底端附近的土體會發(fā)生豎向和水平方向的應(yīng)力變化，并且于底端位置應(yīng)力顯著提高，大約承受了37%的荷載增加量，這提示了擴(kuò)底端的抗拔表現(xiàn)[3]。

圖2：荷載500kN之后樁身軸力曲線 圖3：荷載2500kN之后樁身軸力曲線

圖4：樁側(cè)的阻力受深度的影響 圖5：上拔荷載的影響擴(kuò)底端附近的土體的應(yīng)力表現(xiàn)

五、結(jié)束語

綜合上述內(nèi)容本文得出以下結(jié)論：（1）基坑開挖過程導(dǎo)致的土體回彈會對擴(kuò)底樁的樁身形成較大軸力，并且樁身的中性點(diǎn)出現(xiàn)的位置會趨向于擴(kuò)底端附近。（2）一般情況下，假如不關(guān)注基坑開挖過程導(dǎo)致出現(xiàn)的樁身軸力影響，樁身的軸力會從上至下出現(xiàn)下降趨勢。（3）同軸力相適應(yīng)，基坑開挖結(jié)束后，樁側(cè)的表面會發(fā)生較大的摩擦阻力，假如對其忽略不計，會引起受到上拔荷載因素影響下的樁側(cè)摩擦阻力同預(yù)測存在較大差距。（4）受到上拔荷載的影響后擴(kuò)底端樁的端部大約承受了37%的荷載增加量，這提示了擴(kuò)底端抗拔的有效性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]上官士青.淺談深基坑開挖周圍地表沉降的預(yù)測方法[J].中國西部科技，2009，5（23）：189-195.

[2]羅小兵.淺議房屋建筑基坑開挖[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2010，7（04）：178-185.

[3]謝應(yīng)坤，劉新榮，王鵬等.某基坑開挖對既有鐵路隧道的影響分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010，4（08）：108-124.