樁周土開挖狀態(tài)下樁基礎(chǔ)荷載傳遞規(guī)律研究

賈強(qiáng)，黃坤，王家奇， 張鑫

(1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東省土木結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)協(xié)同創(chuàng)新中心，山東濟(jì)南250101)

0 引言

當(dāng)前，既有建筑地下增層是節(jié)約利用土地資源的有效途徑。既有建筑地下增層的核心技術(shù)是土方開挖和樁基托換。在既有建筑下方建造地下室，需運(yùn)用原樁基礎(chǔ)或新增樁基礎(chǔ)支撐上部結(jié)構(gòu)，才能開挖建筑物下面土方[1-3]。隨著樁周土的開挖和樁身的暴露，樁的承載力和穩(wěn)定性降低，嚴(yán)重時(shí)影響建筑物安全[4-5]。

目前，關(guān)于土方開挖對(duì)樁的影響多集中在基坑外的支護(hù)樁，對(duì)既有建筑下方基樁的影響卻研究較少。Iwasaki等[6]介紹一個(gè)地下3層建筑物因修建隧道引起樁身上浮而產(chǎn)生的軸力變化。鄭剛等[7]研究了抗壓單樁在深開挖過程中豎向荷載傳遞規(guī)律，認(rèn)為土方開挖后樁的豎向剛度和極限承載力會(huì)明顯變化。龔曉南等[8-9]研究開挖土方對(duì)樁側(cè)阻力的影響表明，當(dāng)開挖深度為0.5倍樁長時(shí)，樁側(cè)阻力損失50%；開挖深度越大，樁側(cè)阻力降低程度先減小后增大。伍程杰等[10-11]通過理論研究結(jié)合工程實(shí)例得知，樁身開挖比越大，樁端阻力損失比大致呈線性增長。王忠?guī)沎12]在樁周土為中砂條件下進(jìn)行了多組不同樁長、樁徑的開挖模型試驗(yàn)，結(jié)果表明:樁頂荷載不變的樁周土開挖過程中，增大樁長和樁徑，都可以減小樁頂?shù)某两盗浚龃髽稄捷^增大樁長趨勢更明顯。賈強(qiáng)等[13-14]通過數(shù)值分析揭示了既有建筑樁周土開挖過程中沉降量、相對(duì)滑移量和樁身側(cè)阻力的變換規(guī)律，指出隨著開挖深度增大樁側(cè)阻力明顯增加，靠近開挖面樁側(cè)阻力增加更明顯。

文章通過對(duì)一座框架結(jié)構(gòu)建筑物樁周土開挖過程中，樁身軸力、側(cè)阻力和端阻力的分布和變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值分析，揭示其上部荷載向地基土體中的傳遞規(guī)律和樁基沉降規(guī)律，其成果可以為既有建筑地下空間的開發(fā)和利用提供重要的理論和技術(shù)支持。

1 樁周土開挖數(shù)值模型和分析工況

1.1 數(shù)值模型建立

數(shù)值分析對(duì)象為3層框架結(jié)構(gòu)建筑物，擬利用樁基礎(chǔ)托換增設(shè)地下室。該建筑物橫向2跨、縱向3跨，柱距為8 m，如圖1所示。

圖1 建筑物平面圖/mm

采用ANSYS有限元程序進(jìn)行數(shù)值分析，選用SOLID45單元對(duì)地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)分別建模，然后用布爾運(yùn)算將三者合成一個(gè)整體。為減少運(yùn)算量，考慮模型對(duì)稱性的特點(diǎn)選取原結(jié)構(gòu)1/4建模，即選取圖1中黑框中的部分，其中樁周土開挖10 m的數(shù)值模型如圖2所示。地基土的計(jì)算域，從樁基礎(chǔ)向外側(cè)和向下均延伸了10 m，地基土和樁基接觸面上設(shè)置接觸單元?；炷敛牧线x用線彈性本構(gòu)模型，土體材料選用Drucker-Prager非線性本構(gòu)模型，土體彈性模量取值2.6×108Pa[15]。

圖2 樁周土開挖10 m的數(shù)值模型示意圖

1.2 分析工況

數(shù)值分析首先對(duì)地下增層中隨著開挖深度增大，上部荷載通過樁身側(cè)阻力和端阻力向地基土的傳遞和分配進(jìn)行模擬，并對(duì)樁基沉降進(jìn)行研究。針對(duì)增加樁長、樁徑、樁數(shù)量、樁—土間摩擦系數(shù)等提高托換樁承載力的技術(shù)措施進(jìn)行分析，分析工況見表1。

表1 數(shù)值分析的工況表

2 樁周土開挖時(shí)樁基礎(chǔ)荷載傳遞規(guī)律研究

2.1 荷載傳遞和分配規(guī)律

通過定義路徑的方法，由ANSYS后處理得到樁身的應(yīng)力，應(yīng)力與樁身截面積相乘可得樁身軸力。其中，樁周土開挖10 m時(shí)，3-B軸、4-B軸和4-C軸處樁身軸力沿深度方向變化曲線如圖3所示，由樁身軸力變化，推算出樁基礎(chǔ)通過側(cè)阻力傳入土體中的比例。其中，3-B軸樁基礎(chǔ)在表1各工況下通過側(cè)阻力傳入土體中的比例變化曲線如圖4～8所示。由圖4可知，隨著開挖深度的增加，既有建筑物荷載通過側(cè)阻傳入土體比例減小，更多的樁身荷載由樁側(cè)阻力轉(zhuǎn)移到樁端阻力傳入到土體中。這是由于開挖一段深度的樁周土后，該段樁身側(cè)阻力消失，荷載相應(yīng)向未開挖段側(cè)阻力和樁端阻力轉(zhuǎn)移。開挖深度達(dá)到某一臨界值時(shí)，端阻力和側(cè)阻力會(huì)充分發(fā)揮，最終達(dá)到極限荷載，需采取措施保證建筑物安全。

圖3 樁開挖10 m樁身軸力變化曲線圖

圖4 樁周土不同開挖深度時(shí)荷載通過樁身側(cè)阻力傳入土體中的比例變化曲線圖

圖5 樁身長度改變時(shí)荷載通過樁身側(cè)阻力傳入土體中的比例變化曲線圖

圖6 樁徑改變時(shí)荷載通過樁身側(cè)阻力傳入土體中的比例變化曲線圖

圖7 樁數(shù)量改變時(shí)荷載通過樁身側(cè)阻力傳入土體中的比例變化曲線圖

圖8 樁土間摩擦系數(shù)改變時(shí)荷載通過樁身側(cè)阻力傳入土體中的比例變化曲線圖

由圖5～8可知，隨著樁身長度、樁徑、樁數(shù)量和樁—土摩擦系數(shù)的增加，荷載通過樁側(cè)阻力傳遞到土體中的比例明顯增大，端阻力相應(yīng)減小。這是由于隨著樁身長度、樁徑和樁數(shù)量增加，樁側(cè)外表面積增大，分擔(dān)了大部分樁身荷載。而樁—土摩擦系數(shù)的增加，在相同樁側(cè)外表面積的情況下，增大了樁側(cè)摩擦力。

2.2 樁基沉降規(guī)律

通過數(shù)值計(jì)算，得到不同工況沉降云圖，其中樁周土開挖10 m時(shí)，沉降云圖如圖9所示。通過定義路徑的方法，計(jì)算得到表1中各工況3-B軸樁柱腳處沉降值的變化情況，見表2。隨著樁周土開挖深度的增大，樁基沉降會(huì)明顯增加。而增加樁長、樁徑、樁的數(shù)量以及樁土摩擦系數(shù)都能有效減少樁的沉降量。

圖9 樁周土開挖10 m時(shí)沉降變化云圖

根據(jù)上述數(shù)值分析結(jié)果，計(jì)算得到各工況參數(shù)與樁基沉降變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及樁側(cè)阻傳遞荷載比例的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3。增加樁長對(duì)于增大樁側(cè)阻力所占比例，提高樁基承載力效果最好；增加樁徑、樁數(shù)量和摩擦系數(shù)效果相近；增加樁徑和樁數(shù)量對(duì)減少樁基沉降效果更明顯。

表2 各工況3-B軸樁柱腳處沉降值表

表3 不同工況樁側(cè)阻力傳遞荷載比例變化率和樁基沉降變化率表

3 結(jié)論

(1)既有建筑地下增層過程中，隨著托換樁樁周土開挖深度的增大，建筑物荷載通過側(cè)阻傳入土體比例減小，端阻力和側(cè)阻力會(huì)充分發(fā)揮，最終樁基承載力達(dá)到極限狀態(tài)。同時(shí)，隨著開挖深度增大，樁基沉降也會(huì)明顯增加。

(2)通過增大樁長、樁徑、樁數(shù)量和樁—土間摩擦系數(shù)等措施，可以提高荷載通過側(cè)阻傳入土體比例，增加樁身承載力。同時(shí)，也可以有效減少樁基沉降量。在增加樁的承載力方面，增大樁長度效果最好；在減少樁基沉降方面，增大樁徑和樁數(shù)量效果最好。