基坑開挖對臨近樁基影響的實測及有限元數(shù)值模擬分析

韋萬正

【摘 要】近幾年來，地下空間的開發(fā)與利用呈現(xiàn)出大面積、深基坑的發(fā)展趨勢?；娱_挖往往面臨著周邊環(huán)境復(fù)雜、圍護(hù)工作量大、基坑地質(zhì)條件差等困難。它不僅對既有樁基有影響，而且對相鄰在建樁基也有影響。文章實測基坑開挖對臨近樁基的影響，并進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析。

【關(guān)鍵詞】基坑開挖；臨近樁基；有限元數(shù)值模擬分析

【中圖分類號】TU473.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）09-0069-03

0 引言

基坑開挖會引起周圍土體和建筑物附近的樁基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場和位移場發(fā)生變化，從而危及建筑物的安全，甚至引起工程事故。例如，城市地下停車場等地下空間的開發(fā)與利用，舊城改造對現(xiàn)有建筑物的樁基會產(chǎn)生很大的影響。本文分析了樁-土相互作用的原理，認(rèn)為樁基礎(chǔ)受力和樁土相互作用是動態(tài)平衡的，目前常使用有限元數(shù)值模擬分析方法。

北京地鐵4號線建成，5號和10號線共計63.1 km的地下線路需要跨10多個樁，最近的橋樁僅0.19 m。上海、廣州和深圳地鐵建設(shè)的過程中，也存在類似的問題。實際工程中，地鐵開挖對相鄰橋梁樁基的作用范圍大多在樁的底部，這對樁側(cè)力的影響很大。由于開挖引起的樁側(cè)移和土體的側(cè)向位移引起的樁彎矩增大，因此增加了樁身被破壞的風(fēng)險。關(guān)于基坑開挖對坑外橋樁的沉降影響和側(cè)移、內(nèi)力的影響規(guī)律的研究就顯得尤為重要，可以避免基坑開挖引起橋梁的損壞。

針對基坑開挖施工對既有臨近樁基的影響，海內(nèi)外學(xué)者采用各種方法做了大量的研究。cfleung分析對鄰近樁基的影響（試驗）不支持的條件下開挖側(cè)引起的；rjfinno分析實例，即一個平面相鄰樁開挖引起的損傷有限元；hgpoulos等對鄰近樁視為平面做應(yīng)變分析和探討；J. L.潘等人和H. mroueh分析土體側(cè)向位移的影響（整體法）；A. T. Goh等人在溫克勒模型中，進(jìn)行被動樁分析（兩步法）；鄭剛分析樁身剛度對樁頂豎向附加彎矩載荷和約束樁的位移的影響。此外，楊敏等人分析了基坑開挖與鄰近樁基的相互作用（三維彈塑性有限元法），就鄰近樁基對基坑開挖所引起土體變形進(jìn)行了比對分析。錢建固、曲文婷、李偉偉、黃茂松等人對基坑開挖、基礎(chǔ)加固及相鄰樁的樁端水平位移控制指標(biāo)進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬分析，并分析了各種地基加固設(shè)計。

1 簡介

某地下綜合交通樞紐工程（擬建的高速鐵路車站和該終端），兩個緊密相鄰的項目和高鐵站同步建設(shè)地鐵站的開挖長度為940 m，終端大跨度拱結(jié)構(gòu)，為樁承臺樁基礎(chǔ)，大對角推力作用在樁頂拱。高速鐵路車站和碼頭平行運(yùn)行，部分路段的車站開挖早于終端拱施工，另一部分為終端拱施工部門。

施工單位要減少基坑開挖對施工的影響，對施工中的樁頂承臺進(jìn)行施工，以加固工程基礎(chǔ)。高鐵站地下基坑深度約20 m。終端為120 m的大跨度鋼結(jié)構(gòu)，斜拱基礎(chǔ)平臺規(guī)格為20 m×20 m×3.5 m，樁頂鋪設(shè)15個人工挖孔樁（直徑為2 m），承受的荷載標(biāo)準(zhǔn)值為12 160 kN。

采用有限元法對各種地基加固方案進(jìn)行優(yōu)化，可以最大限度地減少基坑開挖對鄰近樁基的負(fù)面影響，特別是基坑開挖和樁體在近距離外的加固，也有助于提高建筑物的樁基礎(chǔ)質(zhì)量，從而減少變形。

2 有限元模型的建立

將三維問題轉(zhuǎn)換為平面應(yīng)變二維問題（各個構(gòu)件典型剖面進(jìn)行抗彎剛度和水平剪切剛度的等效代換）。

2.1 模型

模型尺寸為160 m×65 m，由高精度節(jié)點三角形單元15元組成。單一的模型樁，樁承臺樁隆起和開挖模擬的數(shù)值模擬的板單元，錨桿單元。莫爾-庫侖彈塑性和樁土simulate model to support，隆起，樁基礎(chǔ)樁和斜拱are viewed as線性彈性材料。土層參數(shù)見表1。

2.2 計算方法

上覆層約7 m的土層，因此設(shè)計了土拱帽和土體開挖擋土墻之間的加固。3種情況如下。

（1）承臺坑全旋噴加固，加固深度為7.0 m，采用80 MPa加固地基模量。

（2）承臺坑全旋噴加固，加固深度為7.0 m，近蓋半地基模量為150 MPa，接近坑邊模量為20 MPa。

（3）承臺坑全旋噴加固，加固深度為7.0 m，近蓋半模量為20 MPa，接近坑邊模為150 MPa。

計算考慮了最不利條件下的基坑（開挖，但尚未進(jìn)行基礎(chǔ)底板施工），在這種情況下，最大限度地挖掘，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最小的剛度。

建設(shè)高鐵站方向相反的方向的開挖和方向的終端，存在的加固區(qū)后的第一次開挖加拱拱開挖和兩種情況下的第一次增加，且在施工之前都已完成地基加固的施工。

這樣，就有了6種工序的計算方案。{1}均勻加固法：加固→加載→開挖；{2}均勻加固法：加固→開挖→加載；{3}附近蓋強(qiáng)加固方法：加強(qiáng)→加載→開挖；{4}附近蓋強(qiáng)加固方法：開挖→加固荷載；{5}鋼筋：鋼筋→近坑強(qiáng)加載→開挖；{6}附近強(qiáng)筋：筋坑開挖→負(fù)荷。

3 有限元數(shù)值模擬分析結(jié)果

承臺位最大變位——方案一：加載段位移為13.8 mm，開挖段位移為9.7 mm；方案二：加載段位移為12.4 mm；方案三：加載段位移為13.3 mm，開挖段位移為9.6 mm；方案四：加載段位移為13.0 mm；方案五：加載段位移為14.2 mm，開挖段位移為10 mm；方案六：加載段位移為12.1 mm。

我們可以看到，在第一次開挖后，再加上拱開挖過程，以及拱樁變形引起的段作業(yè)條件占主導(dǎo)。加拱期水平位移是一個快速發(fā)展的趨勢，相對而言，由開挖引起的水平位移呈現(xiàn)較穩(wěn)定，直到最后的規(guī)則；淺埋深基坑開挖，這可能是由于拱和樁淺埋深工程性質(zhì)的相對較差的結(jié)果。

基礎(chǔ)加固措施后的前3種方案加拱開挖，該方案的水平變形控制最有效，即在接近一半的節(jié)帽采用不均勻地基加固措施。若有強(qiáng)筋區(qū)附近發(fā)掘半基礎(chǔ)（方案五），但增加不利影響?？梢?，采用基礎(chǔ)加固的有效措施，以控制基坑附近的開挖對現(xiàn)有樁的影響，是加強(qiáng)近蓋土、基坑附近的加固軟弱。

基坑開挖至底板、施工后的第一次開挖加拱施工方案，不考慮開挖引起的近蓋變形，應(yīng)考慮開挖前的晚加拱群影響。比較結(jié)果，加固最有效的是方案六，最差的是方案四，這一分析結(jié)果在之前和之后加入拱的開挖方案幾乎是相反的?？梢?，在第一次開挖后處理條件下增加的拱附近的基礎(chǔ)坑邊加固，而附近是一個薄弱的基礎(chǔ)加固。

4 探討

以上模擬分析是基坑開挖對于在建樁基的影響。隨著基坊開挖規(guī)模越來越大，開挖工程越來越普遍，開挖影響現(xiàn)有樁巨大。容易犍為地鐵施工對樁附近的橋的影響進(jìn)行有限元模擬分析，得出以下結(jié)論和建議。

（1）施工側(cè)坑外的大橋樁土的彈性模量值增加，樁側(cè)土的彈性模量減小。

（2）坑外的橋梁樁和側(cè)彎時隨著開挖深度的增加，當(dāng)橋附近的樁深基坑施工，特別要注意橫向彎矩基礎(chǔ)外橋樁。

（3）外橋附近的坑內(nèi)的坑的范圍是一個重要的因素，在橋外的樁的晃動和內(nèi)力以及基坑開挖引起的樁側(cè)、內(nèi)力主要是由土體水平位移引起的。

（4）側(cè)移地基與外部土體的支護(hù)力減小，基坑外的橋梁樁土變形產(chǎn)生的側(cè)向彎矩和樁外樁側(cè)的減小。在橋附近的一座橋上，加大了對樁的支護(hù)預(yù)軸力，可以有效地減小樁外坑內(nèi)的應(yīng)力。

使盛等人模擬分析發(fā)現(xiàn)：樁土樁基礎(chǔ)的水平位移變化明顯，當(dāng)樁土荷載作用下，樁土水平位移的增大，基坑的影響范圍將擴(kuò)大。當(dāng)基坑開挖時，樁基礎(chǔ)在樁基礎(chǔ)上，沿樁的樁身水平位移隨深度的增加而增加，隨基坑開挖深度的增加而增加。

基礎(chǔ)與基礎(chǔ)工程作為建筑的前期基礎(chǔ)工作，通過理論探討和研究，工程勘察、設(shè)計、施工和監(jiān)控都達(dá)到了新的高度。城市建設(shè)和大量施工不可避免地遇到坑相鄰的現(xiàn)有建筑，施工基坑開挖卸荷過程會引起土體變形，底部隆起，且存在不穩(wěn)定的周圍環(huán)境，可以使周圍的建筑物受到嚴(yán)重影響或造成嚴(yán)重?fù)p害。為了確保在開挖過程中周邊建筑物的安全，必須嚴(yán)格控制施工過程和對開挖支護(hù)計劃密切監(jiān)測。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]錢建固，曲文婷，李偉偉，等.地基加固控制開挖對附近樁基影響有限元分析[J].土木工程學(xué)報，2011，44（增刊）：69-72.

[2]馬克生，梁仁旺.基坑開挖對臨近樁基性狀影響的有限元模擬[J].山西建筑，2012，38（26）：66-67.

[3]易建偉.地鐵基坑開挖對鄰近樁基的影響[J].市政技術(shù)，2015，33（3）：133-136.

[4]陳運(yùn)榮，趙永獻(xiàn).鄰近建筑基坑施工對周圍環(huán)境影響的數(shù)值模擬[J].四川建筑，2015，35（2）：196-199.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]