深基坑开挖过程中两桩相互作用研究

王 伟 刘晓彬 栾虔超

1 概述

基坑开挖造成坑周土体常产生较大位移或发生塑性流动,较大的土体侧向位移导致桥梁桩基产生附加弯矩和变形,严重时桩身折断,此时桩基属于被动桩范畴,桩身同时受到竖向载荷和土体侧向压力的双重作用,两桩之间相互作用所表现的“束缚”和“加筋”作用,很难通过理论计算法进行解决。相比较而言,三维快速拉格朗日有限差分法可以很好的解决桩土桩的相互作用问题,有利于进行群桩效应的分析。

2 分析思路

2.1 定义两桩的相互作用系数

采用三维拉格朗日有限差分法来求解桥梁两桩与深基坑施工的相互作用,首先建立基坑施工条件下的两桩相互作用系数,通过两桩相互作用下的 7种不同的情况,分析两桩相互作用系数和侧摩阻力分布情况,进而就两桩之间的“加筋”和“束缚”作用进行解释。

本文定义了两桩的相互作用系数α:

其中,Smin为两桩中桩顶沉降较小者;Smax为两桩中桩顶沉降较大者。

2.2 两桩的相互作用分析方案

为了研究基坑施工过程中两桩的相互作用,对以下 7种情况进行了对比分析:

1)桩长25m的摩擦桩距离坑壁5m,桩顶有荷载;2)桩长25m的摩擦桩距离坑壁 7m,桩顶有荷载;3)桩长都为 25m的摩擦桩,一桩距离坑壁5m,另一桩距离坑壁7m并桩顶加荷;4)桩长都为25m的摩擦桩,一桩距离坑壁 5m并桩顶加荷,另一桩距离坑壁7m;5)桩长都为25m的摩擦桩,一桩距离坑壁5m,另一桩距离坑壁7m,两桩桩顶同时加荷;6)桩长都为25m的摩擦桩,一桩距离坑壁5m,另一桩距离坑壁10m并桩顶加荷;7)桩长都为25m的摩擦桩,一桩距离坑壁 5m,另一桩距离坑壁 10m,两桩桩顶同时加荷。

2.3 FLAC3D渗流分析[2]

FLAC3D可以进行瞬态渗流计算,在完全流固耦合计算情况下,孔隙水压力的改变会产生力学变形,同时体积应变又会导致孔隙水压力的改变。本文的深基坑三维模型中设置透水边界,在渗流分析中,关于桩土接触面,则在单元上进行初始应力设置时,接触面上的应力会自动考虑孔隙水压力的存在而进行有效应力的初始化。

3 计算模型的建立

本文采用三层土,详细的岩土层物理力学性质如表 1所示,此为FLAC3D岩土计算参数。

在FLAC3D中实现地下连续墙和内支撑体系。各支护单元FLAC3D计算参数如表 2,表 3所示。深基坑开挖支护模型如图 1所示,所采用的开挖支护计算工况如表 4所示。

表1 岩土层物理力学参数

表2 地下连续墙FLAC3D计算参数

表3 内支撑FLAC3D计算参数

4 结果分析

图2为基坑开挖支护后的地表沉降分布图,从最大沉降量出现的位置看,在围护墙后,地表沉降分布曲线呈“抛物线”型,地表最大沉降量为 3.3 cm,地表沉降主要集中在基坑中部最大临空面后,坑角和基坑短边处的地表沉降较小,基坑中部附近剖面的沉降分布曲线曲率较大,亦即不均匀沉降较大。

表4 计算工况

Clough等人(1977年)[5]提出,坑周地面沉降量的分布形式取决于地表沉降量的大小,当地表沉降量小时,离开支撑某点处的沉降量最大,图 2也验证了这一点。

基坑开挖和桩顶荷载共同作用下两桩的相互作用系数如表 5所示。

表5 不同情况下的两桩相互作用

从表 5的相互作用系数来看,在土体卸荷作用和桩顶荷载下,桩与桩之间的相互作用系数呈非线性,并不是单纯的线性叠加。具体分析如下:

1)通过对比B和A,基坑开挖作用下,5m处桩受荷不仅自身产生沉降,7m处桩也产生了 0.339 cm的附加沉降,并且相互作用系数增大;

2)C对比B,7m处桩受荷,自身沉降明显增大,但对 5 m处桩的影响很小,附加沉降只增加了 0.414 cm,两桩相互作用系数也较B小很多;

3)通过B和C对比D,两桩同时受荷,相互作用系数大于 B和C的;

4)E与C比较,由于桩间距的增大,相互之间的影响减小,同样对比 F和D,在两桩均受荷情况下,两桩的相互作用系数随桩间距的增大而减小。

通过上述分析得出:

1)在桩顶荷载和基坑开挖共同作用下,两桩相互作用加强,体现了明显的“加筋”效应;

2)一根桩受荷沉降,会带动邻近桩下沉,同时也会受到邻近桩的“束缚”作用,两桩之间的作用是相互的;

3)在桩顶荷载和基坑开挖共同作用下,两桩的相互作用系数随桩间距的增大而减小。

5 结语

本文通过定义深基坑施工过程中两桩之间的相互作用系数,对两桩之间所表现的“加筋”和“束缚”作用进行了解释,得到如下结论:

1)在桩顶荷载和基坑开挖共同作用下,两桩相互作用加强,体现了明显的“加筋”和“束缚”作用;两桩的相互作用随桩间距的增大而减小;两桩相互作用不是简单的线性叠加关系,具有极强的非线性。

2)非受荷桩对受荷桩起到了“束缚”作用,在一定的桩间距下,一根桩的存在会降低深基坑开挖对另一根桩的影响,起到了“加筋”作用。

[1] 史佩栋.桩基工程[M].北京:人民交通出版社,1995:139-222.

[2] User's Manual.Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions User's Guide[M].Itasca Consulting Group,Inc, USA,1997.

[3] 李章明.软土地基加固的理论设计与施工[M].北京:中国电力出版社,2006:35-68.

[4] 陈育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2008:208-229.

[5] Clough,G.W,Deny,G.M.Stabilizing bean design for temporary walls in clay[J].J.Geotech.Engrg.Div.ASCE.P,1977(50): 75-90.

[6] 杜金龙,杨 敏.软土基坑开挖对临近桩基影响的时效分析[J].岩土工程学报,2008,30(7):1038-1043.

[7] 曲军彪.高压富水地层深基坑开挖降水及其对周围地表和建筑物沉降影响的研究[D].北京:北京交通大学,2007:30-40.

[8] 于 峰.两阶段法分析基坑开挖对邻近桩基的影响[J].岩土工程技术,2008,22(4):186-189.