樁基開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基受力性狀的敏感性分析

黃武英

摘要：基坑開(kāi)挖的卸荷會(huì)對(duì)周邊的土體產(chǎn)生影響，其中尤其需要關(guān)注的問(wèn)題是土體側(cè)向移動(dòng)對(duì)鄰近樁基的不利影響。伴隨著基坑的開(kāi)挖，鄰近樁基將會(huì)產(chǎn)生側(cè)向位移以及附加應(yīng)力和彎矩，嚴(yán)重的將使上層建筑產(chǎn)生破壞而無(wú)法使用。文章采用有限元軟件PLAXIS8.5模擬內(nèi)支撐排樁支護(hù)的基坑開(kāi)挖過(guò)程，分析基坑開(kāi)挖時(shí)對(duì)臨近雙排樁基可能產(chǎn)生影響的因素，主要包括支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、工程樁剛度以及樁基距離基坑開(kāi)挖面距離，并利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析其影響大小。

關(guān)鍵詞：基坑開(kāi)挖;數(shù)值模擬;樁基;相互作用

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.551 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.038

文章編號(hào)：1673-4874（2019）09-0133-04

0引言

隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展，地下空間開(kāi)發(fā)日益普遍，基坑工程逐漸朝著大、深、多的方向發(fā)展?；娱_(kāi)挖使工體產(chǎn)生側(cè)向的移動(dòng)對(duì)鄰近樁基影響較為顯著，基坑開(kāi)挖使周邊土體產(chǎn)生水平向的位移，可能使鄰近樁基產(chǎn)生側(cè)向位移、附加應(yīng)力和彎矩等，對(duì)樁基產(chǎn)生較大的危害，所以需要對(duì)基坑開(kāi)挖時(shí)鄰近樁基的受力性狀進(jìn)行分析。

目前，各國(guó)學(xué)者在基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基的影響方面進(jìn)行了許多研究。張陳蓉等采用簡(jiǎn)化的兩階段方法對(duì)鄰近樁基進(jìn)行了分析。杜金龍等基于彈塑性理論法和P-y曲線法，求出了基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基的彈塑性解。梁發(fā)云等對(duì)被動(dòng)單樁受軸向荷載作用進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并對(duì)其耦合效應(yīng)進(jìn)行了分析。張愛(ài)軍等運(yùn)用兩階段分析方法分析了基坑開(kāi)挖對(duì)于臨近樁基的影響，但該簡(jiǎn)化方法僅僅是對(duì)基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基的影響機(jī)理和規(guī)律進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，沒(méi)有很好地解決復(fù)雜的工程地質(zhì)條件下的問(wèn)題.由于能考慮復(fù)雜地層情況、開(kāi)挖工況以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，數(shù)值分析已經(jīng)成為基坑工程中較為可靠、有效的方法。

本文采用巖土工程有限元軟件PLAXIS 8.5對(duì)內(nèi)支撐基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基的形狀進(jìn)行了二維模擬，并分析支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、工程樁剛度以及樁基距離開(kāi)挖面距離在不同程度下的影響，并利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析它們影響的顯著性。

1基坑概況與有限元模型

為將工程情況簡(jiǎn)化，我們忽略縱向邊界的影響，在有限元當(dāng)中將樁基設(shè)為板，并按下式換算樁的彈性模量：

式中：P——工;

s——樁;

u——相鄰樁中心距離;

d——樁徑。

在有限元中，土體采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用3節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M?；娱L(zhǎng)為12m，開(kāi)挖深度為8m，上層為軟黏土（厚4m），下層為中密砂（厚26m）。兩工程樁樁長(zhǎng)為18m，樁徑為0.8m，兩樁中心之間距離為2m，鄰近樁距離開(kāi)挖面L。由于基坑剖面左右對(duì)稱，故僅取左半部分進(jìn)行建模分析。分析模型示意圖如圖1所示。

圖2為利用PLAXIS所建立的有限元模型和劃分的網(wǎng)格。全局采用細(xì)的網(wǎng)格劃分，并對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和工程樁的周邊進(jìn)行局部加密網(wǎng)格劃分.將左右兩邊界采用水平向約束，底邊界采用固定約束。支護(hù)結(jié)構(gòu)、工程樁以及內(nèi)支撐均采用線彈性模型，工體采用摩爾-庫(kù)侖模型。支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)與工體之間的相互作用通過(guò)界面單元考慮對(duì)土體摩擦角的折減來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2基本算例

本文在基坑外圍設(shè)置雙排樁，樁頂無(wú)附加應(yīng)力，分析不同開(kāi)挖深度對(duì)臨近樁的影響。表1為土體參數(shù)。

通過(guò)式（1）可得支護(hù)結(jié)構(gòu)彈性模量剛度EI=200.0MN·m/m，鄰近工程樁的彈性模量剛度EI=1000.0MN·m/m，泊松比均為0.15，內(nèi)支撐軸向剛度EA=2000MN/m，L=2.0m。開(kāi)挖總共分為四個(gè)階段，每個(gè)階段開(kāi)挖2m，內(nèi)支撐在開(kāi)挖2m時(shí)澆筑完成。圖3、圖4為雙排樁在4個(gè)不同的開(kāi)挖階段樁身的水平位移和彎矩變化圖。圖3（α）、圖4（α）縱坐標(biāo)為樁身位置，橫坐標(biāo)為樁身水平位移，負(fù)值代表樁身向基坑方向運(yùn)動(dòng)，下同。圖3（b）、圖4（b）縱坐標(biāo)為樁身位置，橫坐標(biāo)為樁身彎矩，正值代表背離基坑一側(cè)的樁身受拉，下同。

從圖3中可以看出，兩工程樁的水平位移和彎矩隨著開(kāi)挖深度的增大而增大。水平位移由于頂部?jī)?nèi)支撐的緣故，呈現(xiàn)中間大、上下部分較小的現(xiàn)象，水平位移最大值也隨開(kāi)挖深度的增大而增大;彎矩變化呈現(xiàn)雙曲線變化的趨勢(shì)，最大彎矩出現(xiàn)的位置幾乎不隨開(kāi)挖深度的改變而改變。

從圖4中可看出，在不同開(kāi)挖深度的情況下，左右工程樁的水平位移大小和變化趨勢(shì)基本一致，彎矩變化趨勢(shì)與左工程樁基本一致，但是彎矩值卻相對(duì)減小很多。另外，樁身彎矩最大值出現(xiàn)的位置也不一樣，左工程樁最大彎矩出現(xiàn)的位置要比右工程樁高一些。

3正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)就是從全面試驗(yàn)中挑選出部分具有“均勻、整齊”特點(diǎn)的代表性點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。正交試驗(yàn)的工具是正交表，因素所處的不同狀態(tài)為水平。正交表記為L(zhǎng)（r× r×…×r），n為行數(shù)，表示試驗(yàn)次數(shù);m為列數(shù)，即試驗(yàn)最多的因素個(gè)數(shù)。當(dāng)r=r=…=r=r時(shí)，通常將正交表記為L(zhǎng)（r）。

采用極差分析方法計(jì)算極差R（j=1，2，…，m）。假設(shè)X為第i個(gè)因素的第i水平值;Y為X對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)值，在X下做n次試驗(yàn)得到的n個(gè)結(jié)果，記為Q（k=1，2，…，n），則有：

通過(guò)對(duì)極差R的排序，確定影響樁基受力性狀的主導(dǎo)影響因素。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文主要分析支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、工程樁剛度以及工程樁距基坑開(kāi)挖面距離的影響。以這3個(gè)因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平，制作正交表，計(jì)算3個(gè)因素的極差。參數(shù)取值范圍和因素水平見(jiàn)表2。

由上文的因素個(gè)數(shù)及其水平數(shù)，選定最接近的正交表L（3），設(shè)計(jì)如表3的表頭和試驗(yàn)安排，其中A為支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，B為工程樁剛度，C為工程樁距離基坑開(kāi)挖面距離，下文的樁基最大位移將分為工程樁左排樁和右排樁最大位移。

根據(jù)上述正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將三個(gè)影響因素的不同水平按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬，并得出工程樁左、右排樁的最大水平位移和樁身位移曲線。見(jiàn)圖5-6。

4試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1試驗(yàn)結(jié)果分析

從所得工程樁水平位移分布圖可看出，兩工程樁的水平位移變化很接近，左工程樁的水平位移稍大一些。

將試驗(yàn)1-3、試驗(yàn)4-6、試驗(yàn)7-9進(jìn)行對(duì)比，分析工程樁剛度變化對(duì)樁的性狀的影響，可發(fā)現(xiàn)工程樁剛度不同時(shí)，基坑開(kāi)挖時(shí)鄰近土體的變形場(chǎng)是不同的。兩工程樁的樁身水平位移曲線剛開(kāi)始呈中上部鼓脹型曲線，隨著工程樁剛度的增加，慢慢變成底部鼓脹型。在試驗(yàn)1中，就最大位移而言，開(kāi)挖8m時(shí)左工程樁最大位移達(dá)到33.7mm，右工程樁達(dá)30.6mm。工程樁剛度達(dá)到200。（MN·m/m）后，在試驗(yàn)7-9中，左工程樁的最大位移達(dá)到10.1mm，右工程樁達(dá)到7.9mm。由此可得出，工程樁剛度越大，工程樁的水平位移越小，當(dāng)工程樁剛度達(dá)到某一程度時(shí)，對(duì)工程樁的影響可忽略不計(jì)，但如果工程樁的剛度過(guò)小，將使鄰近工程樁產(chǎn)生較大的位移?？梢?jiàn)，工程樁的剛度是一個(gè)非常重要的影響因素。

將試驗(yàn)1、4、7和試驗(yàn)2、5、8以及試驗(yàn)3、6、9進(jìn)行對(duì)比，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度變化對(duì)工程樁性狀的影響，可發(fā)現(xiàn)在工程樁剛度一定，支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度不同時(shí)，兩工程樁從中部鼓脹型的曲線變成上部鼓脹型，且兩工程樁的最大位移越來(lái)越小。樁身彈性模量相對(duì)較小時(shí)，形狀類(lèi)似于柔性柱，最大的位移并不是出現(xiàn)在樁頭處，而是出現(xiàn)在樁的中上部。樁的彈性模量相對(duì)較大時(shí)，樁身位移基本呈線性變化。支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度越大，工程樁的最大位移越接近樁底，且樁底的最大位移基本都在10mm左右.

將試驗(yàn)1、6、8和試驗(yàn)2、4、9以及試驗(yàn)3、5、7進(jìn)行對(duì)比分析，樁身水平位移在工程樁剛度增大，而工程樁距基坑開(kāi)挖面距離減小時(shí)，工程樁中上部水平位移減小，可見(jiàn)工程樁剛度對(duì)工程樁水平位移的影響比工程樁距基坑開(kāi)挖面距離的影響要小。在工程樁剛度一定時(shí)，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度增大而工程樁距基坑開(kāi)挖面距離減小時(shí)，工程樁水平位移減小，可見(jiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對(duì)工程樁水平位移的影響比工程樁距基坑開(kāi)挖面距離的影響要大。

4.2 正交試驗(yàn)極差分析

根據(jù)表4-5，極差A(yù)>C>8，因此可得出支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度增加對(duì)工程樁水平位移的影響要大于工程樁距基坑開(kāi)挖面的距離;而基坑距離開(kāi)挖面的距離對(duì)工程樁水平位移的影響又要大于工程樁剛度的影響。此外，從以上兩表還可以看出，工程樁水平位移隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、工程樁剛度以及工程樁距基坑開(kāi)挖面距離的增大而減小，三者都起著積極作用?？樟械臉O差要大于工程樁剛度的極差，可見(jiàn)另有其他未考慮的因素要比工程樁剛度的影響更大。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用有限元軟件Ploxis 8.5分析了內(nèi)支撐基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近工程樁的影響，分別研究雙排樁在不同影響因素下水平位移的情況，可得到以下結(jié)論：

（1）隨著開(kāi)挖深度的增加，鄰近工程樁產(chǎn)生的水平位移和彎矩增大。在基本算例的情況下，鄰近工程樁的最大水平位移和最大彎矩出現(xiàn)在中上部。兩工程樁水平位移相差不大，但彎矩相差很大。

（2）當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、工程樁剛度以及工程樁距基坑開(kāi)挖面距離變化時(shí)，工程樁所產(chǎn)生的水平位移將發(fā)生變化。工程樁水平位移隨三者的增大均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，可見(jiàn)三個(gè)因素的增大都起著積極作用.

（3）由正交試驗(yàn)結(jié)果可得出，在影響的顯著性方面，支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的影響要大干工程樁距基坑開(kāi)挖面距離的影響;而工程樁距基坑開(kāi)挖面距離的影響要大于工程樁剛度的影響。

（4）由于空列的極差大干工程樁剛度的極差，因此有其他本文未考慮的因素對(duì)工程樁水平位移的影響要比工程樁剛度的影響大。