既有工程樁對深基坑力學(xué)變形特性影響分析

李承超,周愛兆,張靜玉

(江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212003)

基坑開挖前一般要先在預(yù)定位置施加工程樁,大深度開挖引起的土體回彈必然對工程樁產(chǎn)生上拔力,由于樁土摩擦作用,坑底分布的工程樁抑制了坑底土體的變形,降低了隆起量．局部密布的工程樁是對坑底土體的一種加固,可以有效地減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移．因而,探討坑底工程樁影響下的深基坑力學(xué)變形特性,對基坑工程建設(shè)具有重要意義．

近年來國內(nèi)外對坑底工程樁力學(xué)特性與基坑變形的相互作用研究已取得了較為豐碩的成果,并積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)．文獻(xiàn)[1]最早提出了坑底土體豎向回彈引起坑底樁基上拔的問題．文獻(xiàn)[2]通過有限元分析指出深基坑開挖由于土體回彈作用,降低了工程樁的承載力和軸向剛度．文獻(xiàn)[3]在不考慮樁身自重的前提下,通過樁體回彈量和樁側(cè)摩阻力的分布,提出了立柱樁在均質(zhì)土開挖情況下回彈的計(jì)算方法．文獻(xiàn)[4]通過分析不同開挖深度下基樁力學(xué)特性,得到了基坑開挖對樁周側(cè)摩阻力、基樁剛度與承載力的影響規(guī)律．文獻(xiàn)[5]分析了坑底隆起將工程樁樁身拉裂的原因．文獻(xiàn)[6]利用FLAC軟件,針對軟土超深基坑,分析了坑內(nèi)工程樁對抗隆起穩(wěn)定的影響規(guī)律以及作用機(jī)理．文獻(xiàn)[7]利用ABAQUS軟件分析了存在工程樁和不存在工程樁基坑開挖和降水下的三維模型,通過對比分析了基坑開挖降水過程中基坑隆起的基本規(guī)律．文獻(xiàn)[8]設(shè)置了坑底無樁和坑底有樁兩種情況,利用強(qiáng)度折減法分析了軟土深基坑變形和隆起的變化規(guī)律．以上研究大多是分析工程樁的力學(xué)特性以及基坑的變形,對既有工程樁下基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化分析不夠系統(tǒng),缺乏深開挖卸載不同工況下基坑應(yīng)力和變形特性的統(tǒng)一認(rèn)識．

文中利用有限元軟件MIDAS NX,通過建立坑底無樁、坑底群樁兩種有限元模型，計(jì)算不同施工工況下的圍護(hù)樁變形受力、樁身側(cè)向土壓力變化、坑后地表位移以及不同工況卸土后土體隆起量,并對比了兩種模型的計(jì)算結(jié)果．

表1 土層參數(shù)Table 1 Geotechnical parameters of soils

1 模型和參數(shù)

文中利用MIDAS NX軟件建立平面有限元模型，模型尺寸為104 m×60 m,開挖深度H=10 m．基坑整體采用灌注樁+兩道混凝土內(nèi)支撐的支護(hù)體系,灌注樁樁長24 m,樁徑800 mm．第一道內(nèi)支撐截面為700 mm×800 mm,第二道內(nèi)支撐為800 mm×800 mm．工程樁樁長40 m,直徑1 000 mm,間距4 m．

考慮樁土相互作用,在樁土界面上設(shè)置接觸面,接觸面采用理想彈塑性庫倫摩擦模型,即通過接觸面上的切向應(yīng)力和法向應(yīng)力來描述接觸[10]．為了充分模擬基坑開挖施工過程的實(shí)際情況,需將模型分成若干工況進(jìn)行計(jì)算,具體步驟見表2．圖1為無工程樁時基坑有限元計(jì)算模型,圖2為坑底群樁時基坑有限元計(jì)算模型,兩者取相同的計(jì)算條件,便于對比分析工程樁對基坑開挖受力變形的影響．

表2 基坑開挖施工工況Table 2 Construction conditions during excavation

圖1無工程樁時基坑及有限元計(jì)算模型

Fig.1Modeloffiniteelementwithnofoundationpiles

圖2 坑底群樁時基坑及有限元計(jì)算模型Fig.2 Model of finite element with foundation piles groups

2 計(jì)算結(jié)果對比

2.1 圍護(hù)樁變形及受力

(1) 圍護(hù)樁樁身變形

不同工況下的圍護(hù)樁水平位移隨深度變化曲線如圖3．位移變化曲線總體自上而下逐漸減小;當(dāng)進(jìn)行第一次開挖時,工程樁對圍護(hù)樁的影響不大;當(dāng)開挖到坑底時,工程樁加固了坑底土體,增加了對圍護(hù)樁的側(cè)向約束,從而減小了樁身位移;坑底無樁時圍護(hù)樁的最大水平位移為19.9 mm,坑底群樁的最大位移為15.2 mm,位移減少了24%,約束效果明顯．

圖3 不同工況下圍護(hù)樁水平位移隨深度的變化曲線Fig.3 Variation of horizontal displacement with depth of retaining piles in different conditions

(2) 圍護(hù)樁樁身彎矩

規(guī)定基坑外側(cè)(受拉側(cè))彎矩為正值,圍護(hù)樁的樁身彎矩隨深度變化曲線如圖4．第一步開挖時,樁身最大彎矩出現(xiàn)在卸土完成-4.0 m處,工程樁對樁身懸臂部分彎矩沒有影響,增加了嵌固段的正彎矩;第二步開挖至坑底時,由于第二道內(nèi)支撐的約束作用,同樣在-4.0 m處樁身彎矩出現(xiàn)最大負(fù)彎矩,樁身最大正彎矩出現(xiàn)在坑底附近．工程樁加強(qiáng)了對樁底部的約束作用,致使圍護(hù)樁嵌固段出現(xiàn)了錨固彎矩,從而樁身最大彎矩比無工程樁時的彎矩大．

圖4 不同工況下樁身彎矩隨深度的變化曲線Fig.4 Variation of moment distraction with depth of piles shaft in different condition

2.2 側(cè)向土壓力變化

(1) 樁后主動土壓力

圖5、圖6分別為工況3和工況5下的樁后主動土壓力隨深度變化的曲線．無論是第一步開挖還是第二步開挖,工程樁都導(dǎo)致圍護(hù)樁承受的主動土壓力變大,且隨深度的增加效果越來越明顯．

圖5 工況3開挖下樁后主動土壓力隨深度的變化曲線Fig.5 Variation of active earth pressure with depth of piles for the 3th excavation condition

圖6 工況5開挖下樁后主動土壓力隨深度的變化曲線Fig.6 Variation of active earth pressure with depth of piles for the 5th excavation condition

(2) 樁前被動土壓力

不同開挖工況下的樁前被動土壓力如圖7、圖8．當(dāng)?shù)谝徊介_挖時,樁前被動土壓力區(qū)別不大;當(dāng)開挖至坑底時,由于坑底工程樁的存在,加樁時的被動土壓力明顯比不加樁的大,坑底群樁時的最大被動土壓力為397.9 kPa,而坑底無樁時的最大被動土壓力為292 kPa,增加了36%,工程樁加固了被動區(qū)土體,從而增大了樁前被動土壓力．

圖7 工況3開挖下樁前被動土壓力隨深度的變化曲線Fig.7 Variation of passive earth pressure with depth of piles for the 3th excavation condition

圖8 工況5開挖下樁前被動土壓力隨深度的變化曲線Fig.8 Variation of passive earth pressure with depth of piles for the 5th excavation condition

2.3 坑后地表位移

不同開挖段坑后地表位移變化曲線如圖9．基坑周邊地表以沉降為主,離坑邊距離越遠(yuǎn),沉降量越小并逐漸趨向于0．坑底加樁情況下的地表沉降量明顯比坑底無樁時的小,出現(xiàn)最大沉降量的位置也比坑底無樁時滯后．坑底加樁時,距離基坑邊地表被上抬,這是因?yàn)榧訕稌r坑底土體加固成整體往上隆起,由于圍護(hù)樁與樁周土的摩擦帶動圍護(hù)樁以及樁后土體往上運(yùn)動,從而導(dǎo)致基坑邊土體隆起的現(xiàn)象．

圖9 坑后地表位移變化曲線Fig.9 Variation of displacement of ground surface behind foundation pit

2.4 土體隆起量

以基坑最左側(cè)為起點(diǎn),不同施工工況下土體隆起量如圖10．第一步開挖時,坑底加樁對土體隆起影響不大,兩者都是坑底中心隆起量最大,越往坑邊隆起量逐漸減小,坑底加樁總體上減少了土體隆起量;當(dāng)施工至坑底時,工程樁對坑底隆起量抑制效果明顯,隆起曲線在工程樁的位置急劇下降,最大位移由原來的坑底中心位置變成了工程樁樁間位置．

圖10 卸土后土體隆起量變化曲線Fig.10 Variation of the soil uplift after unloading

3 結(jié)論

(1) 深基坑開挖卸載下,工程樁對圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有顯著影響:圍護(hù)樁最大彎矩、主動土壓力以及被動土壓力在工程樁加固約束作用下,明顯比無工程樁時要大．其中最大彎矩以及被動土壓力增幅比較大,因此在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時,要考慮工程樁的影響,不能忽視．

(2) 深基坑開挖卸載會導(dǎo)致以下幾種變形:周邊地表沉降、土體隆起以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形．施加工程樁加固了土體,增加了樁土共同作用,從而減少了上述幾種變形．

(3) 針對施工過程中不同工況,對比分析加樁和不加樁兩種情況．工程樁對整個深基坑開挖階段的力學(xué)變形特性都有影響,在挖至坑底時影響最為顯著．

(4) 通過建立平面有限元模型分析工程樁對基坑的影響,忽視了三維空間分布效應(yīng),強(qiáng)化了工程樁對土體的加固作用,具有一定的局限性．