徐運龍 錢鑫

（廣東省建科建筑設計院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

隨著社會發(fā)展，國內外建設項目日益增多，不可避免在已有建筑物周邊進行新建項目，高層建筑大都采用樁基礎的基礎形式。而在樁基礎施工時，由于存在擠密和振動效應，勢必會對周邊已有建筑物產(chǎn)生一定影響，對天然地基的建筑物影響尤為明顯[1]。因此，針對樁基礎施工的爭議時有發(fā)生，產(chǎn)生諸多矛盾糾紛。采用科學合理的分析手段，明確樁基礎施工產(chǎn)生的影響范圍，將對工程實際應用具有重要意義。

鐘瑾等結合實際工程分析了樁基施工的影響作用形式；廖偉等[2]對樁基施工對臨近建筑物影響的理論作了詳細評述；劉裕華等[3]應用前人提出的圓孔擴張理論對管樁的擠土效應進行彈塑性分析。鄭剛等[4]針對不同圍護結構變形形式對應的基坑鄰近建筑物的變形展開分析。由于樁基礎在施工過程中力學行為的復雜性以及施工場地地質條件不均性，在評估其施工對周邊環(huán)境影響時，若采取純理論的方法進行計算，計算量大且過程煩瑣，為了盡可能真實地反映當時施工場地的情況并得出較為準確的結果，可以運用數(shù)值模擬分析的方法。當前主要采用有限元分析軟件進行[5]，但是由于有限元軟件算法及動力邊界條件設置與實際土體非線性動力反應的差異性，模擬結果存在較大的誤差。有研究表明，與傳統(tǒng)有限元程序相比，有限差分程序FLAC 3D能更好的解決沉樁過程中的大變形和非線性問題，且所建立的模型簡單。

基于此，本文結合實際工程，通過地質鉆探以及現(xiàn)場原位測試獲取土層參數(shù)，運用FLAC 3D軟件，盡可能還原樁基礎施工時的狀態(tài)，評價分析其施工影響范圍。

1 工程概況

本工程建筑物為框架結構，基礎采用混凝土強度等級為C80的預應力管樁，其中樁徑采用的φ400管樁和φ500管樁，樁長范圍分別為12～19m和15～21m；部分樁長范圍為16～30m，樁距一般1.2m左右。樁基施工區(qū)與南側現(xiàn)有建筑物的最近距離約為20m。在樁基礎施工時，將會對周邊臨近建筑物產(chǎn)生不同程度的影響，因此有必要采取合理定量的方法來分析其影響范圍。

2 工程地質條件

通過地質鉆孔勘察，區(qū)內所揭露的地層為人工堆積層（Q4ml）、第四系沖積層（Q4al）、殘積層（Qel）和第三系（K-E）風化砂巖。通過室內土工試驗獲得了各土層物理力學參數(shù)，如表1所示。

3 FLAC 3D數(shù)值模擬分析

本文結合現(xiàn)場原位測試以及室內試驗數(shù)據(jù)，通過FLAC 3D擬對樁基擠土效應對周邊土體及建筑物產(chǎn)生的影響進行模擬分析。

3.1 模型的建立和網(wǎng)格劃分

項目所在區(qū)域及其周圍的地形較為平整，在建立模型過程中可以將地表視為平面。為了減少邊界條件對模型求解的影響和考慮到影響區(qū)域的劃定問題，同時考慮到在視場地四周地質條件相同的情況下，利用對稱邊界以減少模擬計算量；模型的大小為190m×95m×50m，共劃分為18720個單元和19920個節(jié)點，如圖1所示。

表1 各土層物理力學參數(shù)

圖1 場地的三維地質條件網(wǎng)格及地層分布

3.2 土體本構模型的參數(shù)的選擇

本次數(shù)值模擬的巖土體本構模型采用非線性Mohr-Coulomb模型。根據(jù)地質勘察土工試驗報告和地區(qū)的經(jīng)驗選取相關巖土體物理力學參數(shù)如表1所示。

3.3 求解及后處理分析

3.3.1 土體位移變形的分析

模型在自重應力的作用下達到平衡，本模型的地下水位根據(jù)地質勘察結論距離地表約為1m。通過對模型初始孔徑a0分別采用施加一定的速度和施加相同的擴張時間使其擴張到2a0，得到靜力壓樁剛施工完后土體的變形局部云圖（圖2）以及土體位移矢量圖。

由圖2可以得出，采用靜力壓樁工法進行群樁施工后影響范圍最大的方向為Y軸方向，對施工場地影響的最大距離約50~60m；沿X軸方向的群樁施工對土體變形的影響最遠距離約為35m；沿Z軸方向，在0~9m范圍內，土體位移量先是逐漸增大，在9~12m范圍內，土體的變形達到最大，12m以下的土體變形逐漸減少。

3.3.2 土體孔隙水壓的分析

在整個群樁施工過程中，由于擠土的作用，造成了土體的孔隙壓的升高；同時因為該場地屬于軟土地層，滲透性較差，在局部區(qū)域可能會造成超孔隙水壓力。從圖3自重應力平衡后的Z軸方向孔隙水壓力云圖中可以看出，土體自重應力的分布和實際情況較為吻合，從而再次證明了構建模型的準確性和合理性。

圖2 靜力壓樁剛施工完后土體的變形yz面局部云圖

圖3 地下水初始孔隙水壓力分布云圖

通過模擬靜力壓樁施工得到施工后土體孔隙水壓力分布云圖，可以發(fā)現(xiàn)群樁施工引起了土體孔隙水壓的總體變化趨勢為：由上至下孔隙水壓變化增大；自施工場地往外，各深度土體的孔隙水壓增量逐漸減少。由于該場地地層分布不均，各土層滲透性也不同，從而在土體孔隙水壓力分布云圖中孔隙水壓力也呈現(xiàn)出不均的變化。另外在群樁沉入土過程中，可能因擠土效應較為強烈，造成較高的孔隙水壓力，而引起局部水利劈裂作用，從而出現(xiàn)孔隙水壓不均勻變化。這些都是符合實際情況的。

在距施工場地也40m范圍內，土體孔隙水壓力有所提高，并且距離施工場地越近增量越大，即沿Y軸方向基本成對數(shù)遞減，由最大孔隙水壓力增量值24kPa開始遞減，直至40m外孔隙水壓增量約為0。在距施工場地也35m范圍內，土體孔隙水壓力有所提高，并且距離施工場地越近增量越大，即沿X軸方向基本成對數(shù)遞減，由最大孔隙水壓力增量值約24kPa開始遞減，直至25m外增量約為0。

3.4 結合相似擠土樁工程和研究類比分析

通過以上的數(shù)值模擬的求解和后處理分析，可以得出群樁施工引起的擠土效應的影響范圍和程度。為了驗證其可靠性，本文通過前人的研究成果以及其他工程實例進行對比。

朱泓等[6]通過對軟土地區(qū)工程打樁施工的監(jiān)測和進行有限元計算分析得出：在無鄰樁情況下，打樁引起最大地面隆起約為樁徑D的10%，發(fā)生范圍在樁側1倍樁徑內，鄰樁的存在起到一種“屏障作用”，使得這一“屏障”以外的土體受打樁的影響大為減少。唐世棟等[7]經(jīng)過試驗研究和在現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)樁群中任一點處超孔隙水壓力的現(xiàn)有值是單樁影響的累積和消散的綜合結果；樁群外孔隙水壓力隨著距離增加呈線性衰減。當施工完成一定數(shù)量的樁以后，埋置深度相同的各孔隙水壓力計測得壓力值都趨于一個基本相同的穩(wěn)定值。馬健等在某一軟土地層的預制樁施工中監(jiān)測發(fā)現(xiàn)了地表隆起的情況。

通過對比前人的研究以及類似工程，除了因地質條件和施工工法等因素造成的差異之外，靜力壓樁所產(chǎn)生的擠土效應對周邊環(huán)境的影響規(guī)律基本相似。本次數(shù)值模擬結果與前人的研究和實測規(guī)律也具有相似性。表明本文數(shù)值模擬的合理性與實用性。

4 結論

（1）通過FLAC 3D模擬分析：群樁施工影響范圍最大的方向為Y軸方向，影響的最大距離大概距離施工場地外50~60m處；沿X軸方向的群樁施工對土體變形的影響距離稍小，最遠距離約為35m。

（2）靜壓樁擠土效應所引起周邊土體孔隙水壓的變化范圍在水平面基礎成一個橢圓形，長軸長約35m，短軸約25m，深度約在地表1m以下。在該范圍內，擠土效應所引起最大孔隙水壓增量出現(xiàn)在施工場地內及邊緣地區(qū)，由施工場地往外逐漸遞減；在橢圓形影響范圍之外，土體變形引起的超孔隙水壓力基本可以忽略不計。

（3）通過對比前人研究成果，驗證了本次模擬分析的合理性，為以后類似工程提供參考。