耿博光 GENG Bo-guang；何烈民 HE Lie-min；殷偉平 YIN Wei-ping

（①山東省路橋集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250014；②山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，濟(jì)南 250061）

0 引言

城市建筑多采用樁基作為基礎(chǔ)，然而既有建筑附近進(jìn)行基坑開挖作業(yè)時對既有樁基必定產(chǎn)生一定影響[1-2]?；娱_挖產(chǎn)生的影響大致有三個方面：地下連續(xù)墻的變形、坑底隆起和基坑附近地表沉降[3-4]?；油馔馏w位移將會引起樁基承載特性的變化，若樁基發(fā)生失穩(wěn)，將引發(fā)上部結(jié)構(gòu)破壞，故需要慎重考慮基坑開挖對樁基承載能力的影響[5]。本文針對不同基坑開挖深度開展數(shù)值模擬研究，得出不同基坑開挖深度下群樁承載特性的一般規(guī)律，對實際工程有一定指導(dǎo)價值。

1 數(shù)值模擬過程

1.1 模型簡介

本章研究基坑開挖深度對群樁承載特性的影響，選取研究對象為一5m*5m的承臺，承臺下方設(shè)置五個樁體，樁體的長度為20m，直徑為1m。承臺厚度為1m。

四周樁體距離承臺邊緣1m，樁間距為3m。中間樁位于承臺的正中心位置。設(shè)置基坑規(guī)模為30m*30m，承臺與基坑之間的距離保持為3m，開挖共計分為四次，每次開挖2m，共計開挖8m。具體位置分布見圖1。

圖1 群樁平面布置圖

1.2 參數(shù)選取

土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，泊松比取0.35，重度取18kN/m3，初始孔隙比取0.8，單位壓力下土體孔隙比取1.5，回彈指數(shù)取0.008，壓縮指數(shù)取0.037，臨界狀態(tài)應(yīng)力比取1。地下連續(xù)墻，樁體，承臺采用線彈性本構(gòu)模型，重度統(tǒng)一取25kN/m3，彈性模量統(tǒng)一取30GPa，泊松比統(tǒng)一取0.30。

1.3 接觸面設(shè)置

1.3.1 樁土、樁與承臺接觸

在本次數(shù)值模擬中，樁底與土體的接觸采用tie綁定，樁體的側(cè)身與土體采用Penalty函數(shù)模型，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.35。

1.3.2 地下連續(xù)墻與土體、承臺與土接觸

地下連續(xù)墻、承臺與土體之間采用tie綁定，保證土體與地下連續(xù)墻之間在開挖之前已經(jīng)綁定在一起。

1.4 邊界條件及荷載

土體模型上方模型左右方向受到X方向的約束。模型前后方向受到Y(jié)方向的約束，模型下方受到XYZ三個方向的約束（見圖2）。土體模型上方與承臺上方為自由表面，不設(shè)置約束。在地應(yīng)力平衡步對整個模型施加大小為19kN/m3的體力。在樁基的頂部承臺上方施加的荷載為1MPa較為合適。

圖2 邊界條件施加

1.5 分析步簡介

Step1平衡地應(yīng)力，通過施加19kN/m3的體力，得到重力作用與施加邊界條件后的模型，以此來模擬出真實工況；

Step2樁頂施加1MPa的荷載，以此模擬單樁工作下的受力狀況；

Step3通過單元生死功能，移除掉基坑范圍內(nèi)0-2m的土體，基坑深度為2m；

Step4在上一步的基礎(chǔ)上移除掉基坑范圍內(nèi)2-4m的土體，基坑深度為4m；

Step5在上一步的基礎(chǔ)上移除掉基坑范圍內(nèi)4-6m的土體，基坑深度為6m；

Step6在上一步的基礎(chǔ)上移除掉基坑范圍內(nèi)6-8m的土體，基坑深度為8m。

1.6 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分采用六面體單元，控制屬性為Structure。具體網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 土體網(wǎng)格劃分

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 基坑及群樁模擬

圖4為土體豎向應(yīng)力云圖。

圖4 模型豎向應(yīng)力圖

由圖4可知，豎向應(yīng)力數(shù)量級在104左右，豎向位移數(shù)量級在10-5左右。豎向應(yīng)力與豎向位移均比較小，說明圖地應(yīng)力平衡合理，大體符合實際情況。

本文采用的模型在承臺上方施加了1MPa的荷載，五個樁體的沉降量基本相同約在32mm（見圖5），因此樁頂施加的荷載合理。

圖5 群樁沉降云圖

2.2 基坑開挖深度對各個樁水平位移的影響

由圖6～圖8可知，隨著開挖深度的進(jìn)行，樁體的側(cè)移不斷增大，且最大側(cè)移量均出現(xiàn)在樁頂部位。但三個樁體之間的側(cè)移有明顯差距。1號樁為最靠近基坑的樁體，受到基坑開挖的影響最大，3號樁與5號樁距離基坑較遠(yuǎn)，因此產(chǎn)生的側(cè)移量較小。

圖6 不同開挖深度1號樁的側(cè)移

圖7 不同開挖深度3號樁的側(cè)移

圖8 不同開挖深度5號樁的側(cè)移

2.3 基坑開挖深度對各個樁側(cè)摩阻力的影響

為研究基坑開挖對樁體側(cè)摩阻力影響，現(xiàn)提取每次開挖后的樁的側(cè)摩阻力，見圖9～圖11。

圖9 不同開挖深度1號樁的側(cè)阻力

圖10 不同開挖深度3號樁的側(cè)阻力

圖11 不同開挖深度5號樁的側(cè)阻力

由圖9～圖11可知，隨著基坑開挖，基坑周圍土體變形逐漸變大，對樁的側(cè)摩阻力影響也就增大。其中5號樁的側(cè)摩阻力略大于1號樁和3號樁。由于群樁成樁的擠土效應(yīng)，使群樁中間的土體被擠壓致密，導(dǎo)致了5樁的側(cè)摩阻力有所增大。當(dāng)基坑開挖之后，每一個樁的側(cè)摩阻力都有所下降，在同等開挖深度下，三個樁體的側(cè)摩阻力基本相同，但距離基坑最近的1號樁的側(cè)摩阻力的損失略大于3號樁和5號樁，即基坑開挖對1號樁的影響略大于3號樁和5號樁。

2.4 基坑開挖深度對各個樁軸力的影響

當(dāng)開挖開始進(jìn)行的時候，在開挖到2m和4m處時，由于開挖較淺，對樁的側(cè)摩阻力影響十分微小，因此樁的軸力變化量不大，基本與未開挖時樁的軸力相同。當(dāng)開挖到6m以及8m時，樁的軸力發(fā)生明顯變化。3號樁距離基坑較遠(yuǎn)，1號樁距離較近，因此1號樁受到的基坑開挖的影響更大，而五號樁處于群樁中間位置，由于群樁成樁的擠土效應(yīng)[6]，使群樁中間的土體被擠壓致密，導(dǎo)致了樁的側(cè)摩阻力有所增大，因此5號樁的軸力相比之下略微變小。

3 結(jié)論

本文通過建立基坑與群樁模型，研究了基坑開挖對群樁下各個樁體的影響，揭示了承臺下各個樁體的承載性能和變形性能規(guī)律。本文通過數(shù)值模擬得到以下結(jié)論：當(dāng)群樁與基坑的距離固定時開挖深度變大，將會導(dǎo)致每一個樁體的側(cè)移增大，軸力增大，側(cè)摩阻力減小。從以上數(shù)據(jù)分析得，開挖深度越深，對群樁各個樁體的影響越大。

在同一開挖深度時，群樁中處于不同位置的樁體，受到基坑開挖的影響略有不同。相比之下，1號樁更加靠近基坑，因此基坑的開挖對1號樁的影響略大于3號樁和5號樁。因此可得出距離基坑約近的樁受基坑開挖影響也就越大。