軟黏土基坑開挖對坑內(nèi)工程樁的影響分析

王良良,胡立鋒,陳鵬飛,龔曉南

(1.紹興市柯橋區(qū)建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督站,浙江 紹興 312030;2.浙江大學(xué)濱海和城市巖土工程研究中心, 浙江 杭州 310058；3. 浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310058)

軟黏土基坑開挖對坑內(nèi)工程樁的影響分析

王良良1,胡立鋒1,陳鵬飛2,3,龔曉南2,3

(1.紹興市柯橋區(qū)建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督站,浙江 紹興 312030;2.浙江大學(xué)濱海和城市巖土工程研究中心, 浙江 杭州 310058；3. 浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310058)

基坑開挖不僅使基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形,而且會(huì)對坑內(nèi)工程樁產(chǎn)生一定的影響。今對柯橋某基坑進(jìn)行PLAXIS建模分析,并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對比,說明了模型的可靠。然后分析了在基坑開挖過程中,各排工程樁的變形和受力特點(diǎn),研究了第一排工程樁與基坑的距離對工程樁變形和受力的影響,發(fā)現(xiàn)不同樁長工程樁受基坑開挖的影響程度不同,以及坑底攪拌樁加固對工程樁變形的影響。

基坑開挖; 工程樁;剪斷; 拉斷

隨著城市建設(shè)的蓬勃發(fā)展,人們越來越重視對地下空間的開發(fā)和利用,基坑開挖工程也向更深更大的方向發(fā)展。

在基坑開挖過程中,坑內(nèi)土體不斷卸荷,坑內(nèi)外壓力差變大,土體工程性質(zhì)發(fā)生了很大變化,地基土的塑性平衡狀態(tài)受到破壞,導(dǎo)致周圍地層及土體的移動(dòng)[1]。在這個(gè)過程中對工程樁的影響有兩方面可考慮：一是垂直受力,坑內(nèi)開挖部分土體的卸荷,使坑底地基土回彈,有些樁可能要上浮,使得工程樁受拉破壞[2]；在基坑邊緣的樁,當(dāng)基坑變形較大,向內(nèi)側(cè)滑移時(shí),基坑內(nèi)土體向上隆起,也會(huì)產(chǎn)生向上的力。二是水平受力,基坑開挖使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生向坑內(nèi)的位移,與此同時(shí),土體也會(huì)向坑內(nèi)移動(dòng),這樣原本已經(jīng)打好的工程樁就會(huì)受到水平方向的力,造成偏移,甚至剪斷。同時(shí),開挖降水也會(huì)對基坑變形和穩(wěn)定造成很大影響[3],從而影響工程樁的性能和狀態(tài)。

據(jù)報(bào)道,名古屋地鐵的一個(gè)既有隧道及3層地下商場下修建新的地鐵隧道[4],采用樁進(jìn)行托換,在樁身下部出現(xiàn)了很大的拉應(yīng)力,且該拉應(yīng)力隨開挖深度的增加而增加。

鄭剛等[4]通過對天津站基坑工程施工過程的的鋼管柱及地下連續(xù)墻的豎向位移監(jiān)測以及進(jìn)行的數(shù)值模擬,認(rèn)為越靠近基坑中心,工程樁受到的拉力越大。

秦敏等[5]通過采用有限元分析方法的定量試算分析,結(jié)果表明,在同樣坡角情況下,坡高越大樁頂偏移越大；在同樣坡高情況下,坡角越大,樁頂偏移也越大。

龍善新[6]利用三維有限元程序,采用Mohr-Coulomb模型[7],分析了坑內(nèi)設(shè)置單樁基礎(chǔ)的一個(gè)大面積的深基坑開挖工程,來研究基坑開挖前后此樁基承載力的變化,分析結(jié)果顯示基坑開挖之后坑內(nèi)樁基礎(chǔ)的承載力有較大程度的降低[8]。

胡琦等[9]考慮工程樁對水平基床系數(shù)影響,將坑內(nèi)工程樁與土體均質(zhì)化,得到能夠同時(shí)考慮工程樁對坑內(nèi)土體豎向與水平向變形影響的橫觀各向同性復(fù)合地基模型。該模型可以將復(fù)雜的大規(guī)模群樁問題簡化,同時(shí)，又能很好地反映工程樁對坑底回彈和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響。

本文對柯橋城市之星公寓基坑進(jìn)行了PLAXIS建模,研究了基坑開挖對坑內(nèi)工程樁的影響,分析了坑內(nèi)工程樁變形特點(diǎn)和受力情況。

1 工程概況

城市之星公寓工程選址于柯橋區(qū)興越路和湖西路交叉口,工程南側(cè)為河道。本工程建設(shè)總用地面積29 664 m2,總建筑面積148 992.6 m2,主要由4幢25～32層商住樓及3～4層商業(yè)裙房與2層地下車庫組成。基坑平面形狀呈不規(guī)則矩形,基坑周長約660 m,基坑開挖面積約23 300 m2,基礎(chǔ)底板墊層底標(biāo)高為 -10.350 m,地下室底板面標(biāo)高-9.600 m,底板厚600 mm,基礎(chǔ)底設(shè)150 mm厚墊層,基坑大面挖深9.75 m。基坑西側(cè)與現(xiàn)代大廈隔路相望,基坑南側(cè)緊鄰河道,水深約4 m?；颖眰?cè)為興越路及基坑西側(cè)湖西路上埋深有較為密集的地下管線,其中Φ300供水管線(埋深1.2 m,基坑西側(cè)圍墻外)離基坑邊線最近約7 m。

基坑設(shè)計(jì)方案中,通過方案比選,在綜合考慮安全和成本的基礎(chǔ)上,基坑支護(hù)采用排樁(有較大放坡空間區(qū)域,采用土釘墻)+兩道鋼筋混凝土內(nèi)支撐、水泥土攪拌樁止水的方式。內(nèi)支撐經(jīng)過合理布置,選用2個(gè)大圓環(huán)支撐,與周邊支撐梁形成桁架體系。

坑內(nèi)工程樁采用灌注樁,樁徑0.6 m,按正三角形布置,三根樁位于三角形頂點(diǎn),正三角形邊長1.8 m,每排三角形間距8.5 m。

2 模型的建立

基坑模型主體按照紹興柯橋城市之星公寓的基坑工程圍護(hù)設(shè)計(jì)方案建立,選取1-1剖面?；娱_挖深度10 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁加兩道混凝土支撐,地面以下3 m內(nèi)采取放坡開挖,圍護(hù)樁頂在地面以下3 m處,樁底在地面以下25 m處,樁長22 m。兩道支撐分別設(shè)在地面以下3 m和7 m處。距坑邊6 m處往外10 m有大小為20 kPa的超載。模型建立從坑邊往外50 m,往內(nèi)50 m,高50 m。

為了探究基坑開挖對內(nèi)部工程樁的影響,建立了如下所示的模型(圖1)。在基坑內(nèi)部設(shè)置8排間距為5 m的工程樁,工程樁長度分別設(shè)置了20 m和30 m兩種,第一排工程樁距離坑邊的距離分別設(shè)置了2,4,6 m三種情況。工程樁采用軸向剛度等效法換算為板樁[10]。

圖1 考慮坑內(nèi)工程樁影響的模型

為了驗(yàn)證建立的PLAXIS模型符合實(shí)際工程,把圍護(hù)樁變形實(shí)測結(jié)果與建立的模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比，見圖2。從圖中可以看出模型的計(jì)算結(jié)果中,側(cè)移的形狀基本與實(shí)測值相同,變形大小有所差異。按照傳統(tǒng)方法,不考慮止水帷幕、被動(dòng)區(qū)土體加固和坑內(nèi)工程樁的影響時(shí),最大側(cè)移達(dá)到了65 mm,遠(yuǎn)大于實(shí)測值。而考慮了止水帷幕時(shí),最大側(cè)移為60 mm,有所減??；當(dāng)同時(shí)考慮帷幕和被動(dòng)區(qū)加固時(shí),最大側(cè)移為50 mm,進(jìn)一步減小了；當(dāng)同時(shí)考慮止水帷幕、被動(dòng)區(qū)加固和坑內(nèi)工程樁影響時(shí),最大側(cè)移39 mm,比實(shí)測值42 mm稍小,但誤差很小,此時(shí)兩者的側(cè)移圖形也很接近。

圖2 監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果比較

3 模型結(jié)果分析

3.1 各排工程樁變形及受力比較

在基坑內(nèi)部設(shè)置8排間距為5 m的工程樁,工程樁長度為30 m,第一排工程樁距離坑邊的距離為2 m。工程樁采用軸向剛度等效法換算為板樁,坑內(nèi)未進(jìn)行攪拌樁加固。各排工程樁變形結(jié)果和受力情況見圖3。

圖3 各排工程樁變形

各排工程樁受基坑開挖的影響都發(fā)生了不同程度的變形,基本上樁頂位移最大,樁底幾乎沒有位移。特別是在工程樁中部以上發(fā)生了很明顯的水平位移。工程樁距離坑邊越遠(yuǎn),受基坑開挖的影響越小,第一排工程樁頂?shù)乃轿灰七_(dá)到了40 mm,第八排工程樁頂?shù)奈灰苾H12 mm。

各排工程樁受基坑開挖的影響,都產(chǎn)生了類似“S”型的彎矩,距離坑邊越遠(yuǎn),產(chǎn)生的彎矩越小。第一排工程樁在樁頂往下5 m的地方和15 m的位置產(chǎn)生了很大的彎矩。見圖4。

圖4 各排工程樁彎矩

各排工程樁都產(chǎn)生了正負(fù)交錯(cuò)的剪力,距離坑邊越遠(yuǎn),產(chǎn)生的剪力越小。第一排工程樁在樁頂往下10 m的位置產(chǎn)生了很大的剪力,這個(gè)位置容易發(fā)生工程樁剪短的危險(xiǎn),與工程經(jīng)驗(yàn)相符[11]。見圖5。

圖5 各排工程樁剪力

各工程樁都在樁的中部偏下的位置產(chǎn)生了最大軸力,距離坑邊越遠(yuǎn),產(chǎn)生的軸力越大。軸力的產(chǎn)生主要是由于基坑坑底回彈,產(chǎn)生隆起造成的。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)有限制坑底隆起的作用[12],所以，距離坑邊越近,產(chǎn)生的軸力反而越小。見圖6。

圖6 各排工程樁軸力

綜上所述,工程樁距離坑邊越近越容易發(fā)生剪斷;距離坑邊越遠(yuǎn),越容易發(fā)生拉斷。

3.2 第一排工程樁距坑壁不同距離的影響

第一排工程樁距離坑邊的距離分別為2、4、6 m時(shí),發(fā)生的變形基本相同,樁頂水平位移都達(dá)到了35 mm以上。也就是說,第一排工程樁距坑壁的距離對工程樁的變形影響不大。見圖7。

圖7 第一排工程樁到坑壁距離對工程樁變形影響

第一排工程樁距離坑邊的距離分別為2,4,6 m時(shí),彎矩圖形狀基本相同,但是從2 m到4 m的變化過程中,彎矩值減小很多,也就是說,工程樁越靠近基坑,彎矩值越大,而且增加得越來越快。因此,為了保護(hù)工程樁,建議第一排工程樁與基坑的距離要保持在適當(dāng)值以上。見圖8。

圖8 第一排工程樁與坑壁的距離對工程樁彎矩的影響

第一排工程樁距離坑邊的距離分別為2,4,6 m時(shí),剪力圖形狀基本相同,但是從2 m到4 m的變化過程中,彎矩值減小很多,也就是說,工程樁越靠近基坑,剪力值越大,而且增加得越來越快。也就是說第一排工程樁距坑邊距離過近,發(fā)生剪斷的可能性高很多。因此,為了保護(hù)工程樁,建議第一排工程樁與基坑的距離要保持在適當(dāng)值以上。見圖9。

圖9 第一排工程樁與坑壁的距離對工程樁剪力的影響

第一排工程樁距離坑邊的距離分別為2,4,6 m時(shí),軸力圖形狀基本相同,隨著第一排工程樁距坑邊的距離的增加,產(chǎn)生的軸力有很大的增量,且軸力最大點(diǎn)下移。因此,在遠(yuǎn)離坑壁的工程樁需要考慮軸向拉斷的可能,設(shè)計(jì)時(shí)配筋方面需要考慮。見圖10。

圖10 第一排工程樁與坑壁的距離對工程樁軸力的影響

綜上所述,第一排工程樁不能離基坑太近,雖然變形沒有太大影響,但是彎矩和剪力值會(huì)急劇增加，有剪斷的可能。

3.3 工程樁不同樁長對工程樁變形及受力的影響

設(shè)置20 m和30 m兩種工程樁長度進(jìn)行分析。選取第一排工程樁的變形和受力情況進(jìn)行了對比。

工程樁樁長從30 m減小到20 m,工程樁的水平位移有明顯地增加,所以,基坑開挖對較短的工程樁的影響更大。見圖11。

圖11 基坑開挖對不同樁長的工程樁變形的影響

工程樁樁長從30 m減小到20 m,工程樁彎矩有明顯地增加,所以,基坑開挖對較短的工程樁的影響更大。見圖12。

圖12 基坑開挖對不同樁長的工程樁彎矩的影響

3.4 被動(dòng)區(qū)加固對工程樁變形的影響

為了增加基坑穩(wěn)定性,減小基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形,往往會(huì)在基坑底部進(jìn)行攪拌樁加固,而這種加固會(huì)對坑內(nèi)工程樁產(chǎn)生明顯的影響,特別是對靠近基坑壁的工程樁有明顯的影響。見圖13。

圖13 被動(dòng)區(qū)加固對工程樁變形的影響

被動(dòng)區(qū)坑底加固明顯地減小了工程樁的變形,樁頂水平位移從40 mm減小到20 mm,同時(shí)減小了坑外沉降10 mm。所以,為了保護(hù)工程樁,建議采取基底加固措施。

4 結(jié) 語

通過建立PLAXIS模型,分析了基坑開挖對坑內(nèi)工程樁的影響,可以得到以下的結(jié)論：

1)距離基坑壁越遠(yuǎn),各排工程樁產(chǎn)生的水平位移越小,所受彎矩和剪力越小,所受軸力越大。

2)第一排工程樁需要與基坑壁保持一定的距離以上,否則被剪斷的可能性會(huì)急劇增加。

3)基坑開挖對較短工程樁影響更大。

4)對基坑底部進(jìn)行攪拌樁加固,可以在一定程度上減小工程樁的水平位移。

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Analysis on the Influence of Excavating the Mild Clay Foundation Ditch to the Engineering Piles inside Ditch

WANGLiangliang,HULifeng,CHENPengfei,GONGXiaonan

2016-07-05

王良良(1983—),男，浙江紹興人，助理工程師，從事建筑工程管理工作。

TU473

B

1008-3707(2017)01-0026-05