馬克生 梁仁旺

(太原理工大學(xué)土木工程系，山西太原 030024)

0 引言

城市基坑工程規(guī)模日益擴(kuò)大，在既有建筑物附近進(jìn)行基坑開(kāi)挖的工程越來(lái)越普遍?；娱_(kāi)挖會(huì)引起周?chē)翆雍团R近建筑物樁基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)發(fā)生改變，從而危及建筑物的安全，甚至引發(fā)工程事故。例如城市中地下停車(chē)場(chǎng)等地下空間的開(kāi)發(fā)和利用、城市化建設(shè)中的舊城改造中進(jìn)行的基坑工程附近往往會(huì)存在對(duì)既有建筑物的樁基礎(chǔ)的影響問(wèn)題。樁—土間的相互作用問(wèn)題是分析該類(lèi)問(wèn)題的基礎(chǔ)，但由于樁基礎(chǔ)所受荷載以及樁—土相互作用都處于動(dòng)態(tài)平衡之中，這給研究帶來(lái)了不少困難。為此，開(kāi)展基坑開(kāi)挖時(shí)臨近樁基性狀的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前針對(duì)基坑開(kāi)挖對(duì)臨近建筑物的樁基礎(chǔ)的影響問(wèn)題的研究方法以有限元數(shù)值分析為主。Poulos［1，2］、楊敏［3-5］、鄭剛等從利用平面有限元和三維有限元對(duì)懸臂式排樁支護(hù)與內(nèi)支撐基坑開(kāi)挖與臨近樁基的相互作用問(wèn)題進(jìn)行了研究，得到了一些對(duì)工程實(shí)踐有指導(dǎo)價(jià)值的定性結(jié)論。然而，上述研究中的樁基礎(chǔ)基本上為單排樁，很少考慮樁基礎(chǔ)中樁頂載荷、樁頂筏板等因素對(duì)樁土相互作用的影響，實(shí)際工程中建筑物或構(gòu)筑物下的樁筏基礎(chǔ)往往都由多排樁構(gòu)成，樁頂位移受到筏板的約束，并且受到上部結(jié)構(gòu)施加的豎向載荷作用。這些因素對(duì)于基坑開(kāi)挖與臨近樁基的相互作用問(wèn)題的影響值得深入研究。

1 數(shù)值模擬

1.1 計(jì)算模型及參數(shù)

為了系統(tǒng)研究基坑開(kāi)挖臨近樁基的受力和變形特性，本文將土層簡(jiǎn)化為兩層，上層為軟土層，厚6.0 m，以下為砂土層，幾何模型如圖1所示。計(jì)算區(qū)域水平方向150 m，豎直方向60 m?；娱_(kāi)挖寬B=20 m，深H=8 m。軟土層天然重度16.0 kN/m3，變形模量E=5 000.0 kPa，泊松比v=0.35，不排水剪切強(qiáng)度 cu= 20.0 kPa，內(nèi)摩擦角為5°。下臥土層為砂層，厚度取40 m，其天然重度19.0 kN/m3，變形模量為25 000.0 kPa，泊松比v=0.25，內(nèi)摩擦角為30°，不排水剪切強(qiáng)度cu=2.0 kPa。

圍護(hù)樁直徑0.8 m，長(zhǎng)度為12 m，中心距為1.2 m;臨近樁基取三排樁用以代表建筑物下樁基礎(chǔ)中的內(nèi)樁(靠近基坑一側(cè)的樁)、中間樁和外樁。臨近樁基距基坑開(kāi)挖面2 m，樁長(zhǎng)為20 m，樁徑為0.8 m，三排樁間中心距為2.5 m。筏板厚度2.0 m，模型兩側(cè)邊界采用水平約束，下端邊界采用固支約束。

本文土體采用以摩爾—庫(kù)侖理想彈塑性模型來(lái)模擬土的本構(gòu)關(guān)系。支護(hù)樁、臨近工程樁和內(nèi)支撐都采用線彈性梁?jiǎn)卧?，天然重?5.0 kN/m3，彈性模量E=3.0×107kPa，泊松比均為0.15。計(jì)算中由于本文采用平面有限元分析，忽略樁間土的繞流，將支護(hù)樁和樁基等效為板樁。板樁的彈性模量可按下式計(jì)算［3］：

其中，p為樁;s為土;u為相鄰樁的中心距離;d為樁徑。

圖1 計(jì)算模型示意圖

1.2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

1.2.1 基坑開(kāi)挖時(shí)臨近樁基周邊土層的水平位移

基坑開(kāi)挖時(shí)臨近樁基周邊土層中的水平位移變化情況是分析基坑開(kāi)挖對(duì)臨近樁基性狀影響的基本條件。圖2為基坑支護(hù)墻后分別考慮和不考慮基坑附近樁基礎(chǔ)上的載荷對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響下，基坑開(kāi)挖深度為8.00 m時(shí)基坑附近有樁基礎(chǔ)一側(cè)地面處土體水平位移曲線(見(jiàn)圖2a))，以及地面下4.00 m處土體水平位移曲線(見(jiàn)圖2b))。圖中的有荷載表示計(jì)算基坑開(kāi)挖時(shí)考慮樁頂載荷對(duì)土中應(yīng)力場(chǎng)的改變;土體水平位移朝向基坑方向時(shí)為正。

圖2 基坑開(kāi)挖時(shí)樁基礎(chǔ)周?chē)翆又械乃轿灰?/p>

由圖2可以看出，地面下4 m處基坑支護(hù)墻后土體的側(cè)向位移隨著距離的增大而減少，而在地面處由于樁頂內(nèi)支撐的作用使得在基坑支護(hù)墻后土體的側(cè)向位移在樁基礎(chǔ)頂部附近達(dá)到最大值，此后隨著距離的增大而減少，而在基坑支護(hù)墻后由于樁頂筏板的作用使得樁頂附近的水平位移幾乎相同。從圖2中還可以看到考慮與不考慮樁頂載荷對(duì)土中應(yīng)力場(chǎng)的影響對(duì)基坑周邊土體中的水平位移有明顯的影響，考慮樁頂荷載時(shí)基坑開(kāi)挖引起的基坑支護(hù)墻后土體的水平位移值和影響范圍都明顯增大。

1.2.2 開(kāi)挖深度的影響

顯然，基坑開(kāi)挖深度不同時(shí)所卸除的載荷不同，對(duì)周邊環(huán)境的影響也不同。

從樁身水平位移和彎矩變化圖中可以看出，隨著開(kāi)挖深度的增大，樁身水平位移顯著增大，其最大位移增長(zhǎng)率顯著大于開(kāi)挖深度的增長(zhǎng)率。前排樁、中排樁和后排樁的樁身水平位移沿深度的趨勢(shì)類(lèi)似，樁頂附近由于承臺(tái)的作用使得水平位移幾乎相同，而前排樁身最大彎矩?cái)?shù)值則明顯比中排樁和后排樁大。與不考慮樁頂載荷相比較，樁頂附近的樁身水平位移增大明顯，樁底附近的樁身水平位移變化明顯不同，由朝向基坑方向變?yōu)楸畴x基坑方向。

在基坑開(kāi)挖的過(guò)程中前排樁的樁身彎矩值較中樁和后樁變化幅度大?？紤]樁頂載荷影響時(shí)，前后排樁樁頂彎矩符號(hào)相反，大小接近;中樁樁頂附近樁身彎矩比較小，下面部分樁身彎矩比較大;與不考慮樁頂載荷影響相比較，前后排樁的樁身彎矩變化趨勢(shì)接近，只是樁頂附近樁身彎矩?cái)?shù)值差別比較大：前后排樁彎矩?cái)?shù)值明顯偏大，中排樁彎矩?cái)?shù)值明顯偏小。

2 結(jié)語(yǔ)

采用二維彈塑性有限元法對(duì)多種因素影響下基坑開(kāi)挖時(shí)臨近樁基的性狀進(jìn)行了分析，得到的結(jié)論有：1)樁基礎(chǔ)上的載荷對(duì)基坑開(kāi)挖時(shí)樁基礎(chǔ)周?chē)翆又兴轿灰频淖兓忻黠@的影響。樁基礎(chǔ)上的載荷不僅會(huì)使土層中的水平位移變大，還會(huì)使受基坑開(kāi)挖影響的區(qū)域擴(kuò)大。2)基坑開(kāi)挖過(guò)程中，樁基礎(chǔ)中前排樁、中排樁和后排樁的樁身水平位移沿深度的趨勢(shì)類(lèi)似，均隨著基坑開(kāi)挖深度的增大而增大。前排樁的樁身彎矩值較中樁和后樁變化幅度大。

［1］ POULOS H G，CHEN L T.Pile response due to excavation-induced lateral soil movement［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1997，123(2)：94-99.

［2］ CHEN L T，POULOS H G.Piles subjected to lateral soil movements［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1997，123(9)：802-811.

［3］ 陳福全，楊 敏.地面堆載作用下鄰近樁基性狀的數(shù)值分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27(11)：1286-1290.

［4］ 楊 敏，周洪波，楊 樺.基坑開(kāi)挖與鄰近樁基相互作用分析［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2005，38(4)：91-96.

［5］ 杜金龍，楊 敏.軟土基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基影響的時(shí)效分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(7)：1038-1043.