基坑开挖对临近桩基性状影响的有限元模拟★

马克生 梁仁旺

(太原理工大学土木工程系，山西太原 030024)

0 引言

城市基坑工程规模日益扩大，在既有建筑物附近进行基坑开挖的工程越来越普遍。基坑开挖会引起周围土层和临近建筑物桩基础和上部结构中的应力场和位移场发生改变，从而危及建筑物的安全，甚至引发工程事故。例如城市中地下停车场等地下空间的开发和利用、城市化建设中的旧城改造中进行的基坑工程附近往往会存在对既有建筑物的桩基础的影响问题。桩—土间的相互作用问题是分析该类问题的基础，但由于桩基础所受荷载以及桩—土相互作用都处于动态平衡之中，这给研究带来了不少困难。为此，开展基坑开挖时临近桩基性状的研究具有十分重要的现实意义。

目前针对基坑开挖对临近建筑物的桩基础的影响问题的研究方法以有限元数值分析为主。Poulos［1，2］、杨敏［3-5］、郑刚等从利用平面有限元和三维有限元对悬臂式排桩支护与内支撑基坑开挖与临近桩基的相互作用问题进行了研究，得到了一些对工程实践有指导价值的定性结论。然而，上述研究中的桩基础基本上为单排桩，很少考虑桩基础中桩顶载荷、桩顶筏板等因素对桩土相互作用的影响，实际工程中建筑物或构筑物下的桩筏基础往往都由多排桩构成，桩顶位移受到筏板的约束，并且受到上部结构施加的竖向载荷作用。这些因素对于基坑开挖与临近桩基的相互作用问题的影响值得深入研究。

1 数值模拟

1.1 计算模型及参数

为了系统研究基坑开挖临近桩基的受力和变形特性，本文将土层简化为两层，上层为软土层，厚6.0 m，以下为砂土层，几何模型如图1所示。计算区域水平方向150 m，竖直方向60 m。基坑开挖宽B=20 m，深H=8 m。软土层天然重度16.0 kN/m3，变形模量E=5 000.0 kPa，泊松比v=0.35，不排水剪切强度 cu= 20.0 kPa，内摩擦角为5°。下卧土层为砂层，厚度取40 m，其天然重度19.0 kN/m3，变形模量为25 000.0 kPa，泊松比v=0.25，内摩擦角为30°，不排水剪切强度cu=2.0 kPa。

围护桩直径0.8 m，长度为12 m，中心距为1.2 m;临近桩基取三排桩用以代表建筑物下桩基础中的内桩(靠近基坑一侧的桩)、中间桩和外桩。临近桩基距基坑开挖面2 m，桩长为20 m，桩径为0.8 m，三排桩间中心距为2.5 m。筏板厚度2.0 m，模型两侧边界采用水平约束，下端边界采用固支约束。

本文土体采用以摩尔—库仑理想弹塑性模型来模拟土的本构关系。支护桩、临近工程桩和内支撑都采用线弹性梁单元，天然重度25.0 kN/m3，弹性模量E=3.0×107kPa，泊松比均为0.15。计算中由于本文采用平面有限元分析，忽略桩间土的绕流，将支护桩和桩基等效为板桩。板桩的弹性模量可按下式计算［3］：

其中，p为桩;s为土;u为相邻桩的中心距离;d为桩径。

图1 计算模型示意图

1.2 有限元计算结果分析

1.2.1 基坑开挖时临近桩基周边土层的水平位移

基坑开挖时临近桩基周边土层中的水平位移变化情况是分析基坑开挖对临近桩基性状影响的基本条件。图2为基坑支护墙后分别考虑和不考虑基坑附近桩基础上的载荷对地应力场的影响下，基坑开挖深度为8.00 m时基坑附近有桩基础一侧地面处土体水平位移曲线(见图2a))，以及地面下4.00 m处土体水平位移曲线(见图2b))。图中的有荷载表示计算基坑开挖时考虑桩顶载荷对土中应力场的改变;土体水平位移朝向基坑方向时为正。

图2 基坑开挖时桩基础周围土层中的水平位移

由图2可以看出，地面下4 m处基坑支护墙后土体的侧向位移随着距离的增大而减少，而在地面处由于桩顶内支撑的作用使得在基坑支护墙后土体的侧向位移在桩基础顶部附近达到最大值，此后随着距离的增大而减少，而在基坑支护墙后由于桩顶筏板的作用使得桩顶附近的水平位移几乎相同。从图2中还可以看到考虑与不考虑桩顶载荷对土中应力场的影响对基坑周边土体中的水平位移有明显的影响，考虑桩顶荷载时基坑开挖引起的基坑支护墙后土体的水平位移值和影响范围都明显增大。

1.2.2 开挖深度的影响

显然，基坑开挖深度不同时所卸除的载荷不同，对周边环境的影响也不同。

从桩身水平位移和弯矩变化图中可以看出，随着开挖深度的增大，桩身水平位移显著增大，其最大位移增长率显著大于开挖深度的增长率。前排桩、中排桩和后排桩的桩身水平位移沿深度的趋势类似，桩顶附近由于承台的作用使得水平位移几乎相同，而前排桩身最大弯矩数值则明显比中排桩和后排桩大。与不考虑桩顶载荷相比较，桩顶附近的桩身水平位移增大明显，桩底附近的桩身水平位移变化明显不同，由朝向基坑方向变为背离基坑方向。

在基坑开挖的过程中前排桩的桩身弯矩值较中桩和后桩变化幅度大。考虑桩顶载荷影响时，前后排桩桩顶弯矩符号相反，大小接近;中桩桩顶附近桩身弯矩比较小，下面部分桩身弯矩比较大;与不考虑桩顶载荷影响相比较，前后排桩的桩身弯矩变化趋势接近，只是桩顶附近桩身弯矩数值差别比较大：前后排桩弯矩数值明显偏大，中排桩弯矩数值明显偏小。

2 结语

采用二维弹塑性有限元法对多种因素影响下基坑开挖时临近桩基的性状进行了分析，得到的结论有：1)桩基础上的载荷对基坑开挖时桩基础周围土层中水平位移的变化有明显的影响。桩基础上的载荷不仅会使土层中的水平位移变大，还会使受基坑开挖影响的区域扩大。2)基坑开挖过程中，桩基础中前排桩、中排桩和后排桩的桩身水平位移沿深度的趋势类似，均随着基坑开挖深度的增大而增大。前排桩的桩身弯矩值较中桩和后桩变化幅度大。

［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］ 陈福全，杨 敏.地面堆载作用下邻近桩基性状的数值分析［J］.岩土工程学报，2005，27(11)：1286-1290.

［4］ 杨 敏，周洪波，杨 桦.基坑开挖与邻近桩基相互作用分析［J］.土木工程学报，2005，38(4)：91-96.

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