基坑開挖時(shí)樁身參數(shù)對(duì)坑內(nèi)工程樁的影響研究

陳武云

（昭通市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，云南昭通 657000）

0 引言

在土方開挖量較大的深基坑工程中，開挖深度大，土體卸荷作用將引起土體流動(dòng)，此時(shí)基坑底部土體必然發(fā)現(xiàn)不同程度的隆起[1]。在基坑開挖的過程中，基坑底部的隆起將使已設(shè)施完成的工程樁產(chǎn)生上浮受拉和偏移，影響工程樁的承載性能，特別是在軟土地層基坑開挖的情況下，對(duì)工程樁的影響將更為嚴(yán)重。對(duì)于基坑隆起，尤其在軟弱地基中現(xiàn)行的基坑隆起計(jì)算方法存在不合理性，黃茂松等[2]對(duì)常規(guī)的圓弧滑動(dòng)進(jìn)行了改進(jìn)，提出圓弧機(jī)構(gòu)上限分析方法，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)起該計(jì)算方法更為可靠。同時(shí)，宋二祥等[3]基于國內(nèi)現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提出可用于界定不同嵌深的計(jì)算公式，進(jìn)而得到可適用于任何嵌深的隆起穩(wěn)定性簡(jiǎn)化驗(yàn)算。同時(shí)，林志月基于有限元研究方法，探討基坑開挖對(duì)基坑底部工程樁與及基坑底部隆起影響機(jī)理。現(xiàn)階段的基坑開挖研究中，對(duì)于基坑周邊支護(hù)樁樁身參數(shù)對(duì)坑底工程樁的影響研究相對(duì)較少。本文依托具體工程實(shí)例，基于有限元分析軟件Midas/GTS，探討基坑開挖時(shí)樁身參數(shù)對(duì)坑底工程樁的影響。

1 工程案例及數(shù)值模擬概述

1.1 工程案例簡(jiǎn)介

處于軟弱地基基坑底部的樁基，隨基坑開挖會(huì)導(dǎo)致基樁產(chǎn)生側(cè)向偏位，甚至發(fā)生折斷。以某軟土地區(qū)基坑工程為依托，具體土層參數(shù)如表1 所示。由于施工現(xiàn)場(chǎng)未進(jìn)行合理的開挖，實(shí)際工程中開挖后A10 棟位置處工程樁有傾斜現(xiàn)象。本文以該軟土地區(qū)實(shí)際基坑工程為研究背景，采用有限元分析軟件MADIS/GTS建立三維有限元模型，模擬土方開挖后工程樁產(chǎn)生過大偏移情況。以此研究背景為依托，進(jìn)行相應(yīng)研究。

表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 數(shù)值模擬概述

本文所建立基坑開挖模型中，基坑的開挖深度為4.9m，其中雜填土層厚1.9m，黏土層厚1.9m，淤泥質(zhì)黏土層厚1.1m。平面尺寸約等于82m×34m。Peck.R.B 教授在對(duì)基坑工程問題的研究中認(rèn)為，對(duì)于軟土地層上的基坑開挖，開挖的影響范圍大致為開挖深度的2.5～5 倍。綜上所述本文計(jì)算模型取距基坑開挖邊界處25m 為模型的平面邊界，并保證模型中邊界約束對(duì)基坑周圍土體模型幾乎沒有影響。為保證模型的深度尺寸合理，在樁底處向下擴(kuò)展10m 為模型底邊，模型尺寸為133m×84m×40m。

1.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 樁頂水平位移監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

由表2 工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計(jì)算值的對(duì)比結(jié)果可知，相差最小的樁號(hào)為A10-3，兩者相差0.85cm，誤差為1.9%。相差最大的樁號(hào)為A10-1，兩者相差13.27cm，誤差為36.8%。結(jié)合最大最小誤差來看，樁頂水平位移的監(jiān)測(cè)值與數(shù)值模擬計(jì)算值對(duì)比結(jié)果吻合度較高，二者均超過《建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ 94—2008）》中，預(yù)制樁基礎(chǔ)施工后垂直度小于0.5%和打入樁樁樁位小于1/3D 的要求，故而模型可靠性滿足分析要求。

2 樁身參數(shù)對(duì)坑內(nèi)工程樁的影響

2.1 樁徑尺寸對(duì)坑內(nèi)工程樁的影響

本文所依托的工程案例中，工程樁樁徑為500mm。為研究樁徑尺寸對(duì)開挖完成后工程樁樁頂位移的影響，建立（a）樁徑600mm、（b）樁徑700mm、（c）樁徑800mm 三種坑內(nèi)存在工程樁的三維開挖模型，與原模型進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果見圖1 不同樁徑的樁身水平位移圖。由圖1 可知，在相同開挖工況下，樁徑尺寸與樁頂水平位移成反比。相同開挖工況下，樁徑為500mm、600mm、700mm、800mm 時(shí)，土方開挖完成后工程樁樁頂水平位移分別為27.25cm、17.98m、13.51cm、10.52cm。在樁徑增大過程中，樁頂水平位移減小的幅度逐漸降低，分別為9.27cm，4.47cm，2.99cm。故可以認(rèn)為，當(dāng)樁徑無限大時(shí)，樁頂水平位移減小的幅度為0，即為沒有效果。在設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)時(shí)，可考慮土質(zhì)軟弱的程度，適當(dāng)增加樁徑，以此減小開挖卸載后工程樁的樁頂水平位移，減少廢樁率，提高工程經(jīng)濟(jì)性。

圖1 不同樁徑的樁身水平位移

2.2 樁長(zhǎng)對(duì)坑內(nèi)工程樁的影響

本文所依托的工程案例中，工程樁樁長(zhǎng)為24m。為研究樁徑尺寸對(duì)開挖完成后工程樁樁頂位移的影響，建立（a）樁長(zhǎng)25m、（b）樁長(zhǎng)26m、（c）樁長(zhǎng)27m、（d）樁長(zhǎng)28m 四種坑內(nèi)存在工程樁的三維開挖模型，與原模型進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果見圖1 不同樁徑的樁身水平位移圖。由圖2、圖3 可知，在相同開挖工況下，樁徑尺寸與樁頂水平位移成反比。相同開挖工況下，樁徑為24m、25m、26m、27m、28m 時(shí)，土方開挖完成后工程樁樁頂水平位移分別為27.25cm、21.34cm、18.97cm、18.01cm、17.65cm。在樁徑增大過程中，樁頂水平位移減小的幅度逐漸降低，分別為5.91cm、2.37cm、0.96cm、0.36cm。故可以認(rèn)為，當(dāng)樁長(zhǎng)無限大時(shí)，樁頂水平位移減小的幅度為0，即為沒有效果。在設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)時(shí)，可考慮土質(zhì)軟弱的程度，適當(dāng)增加樁長(zhǎng)，以此減小開挖卸載后工程樁的樁頂水平位移，減少廢樁率，提高工程經(jīng)濟(jì)性。但增加樁徑相對(duì)于增加樁長(zhǎng)，減小工程樁樁頂水平位移的效果更佳。

3 結(jié)論

圖2 不同樁長(zhǎng)的工程樁水平位移

圖3 不同樁長(zhǎng)的工程樁樁頂水平位移

本文以某軟土地區(qū)基坑工程事故為依托，采用有限元分析軟件MADIS/GTS 建立三維開挖模型，探究基坑開挖條件下樁身參數(shù)的改變對(duì)坑內(nèi)工程樁樁頂水平位移的影響，得出以下結(jié)論：

（1）樁徑尺寸與樁頂水平位移成反比，且樁徑在增大過程中，樁頂水平位移減小的幅度逐漸降低，設(shè)計(jì)中可適當(dāng)增大坑內(nèi)工程樁樁徑，以減小樁身偏移。

（2）樁長(zhǎng)與樁頂水平位移成反比，且樁長(zhǎng)在增大過程中，樁頂水平位移減小的幅度逐漸降低，增加樁長(zhǎng)可降低基坑開挖卸載引起的樁身偏移，但增大樁徑效果更明顯。