基坑开挖对周边CFG桩复合地基力学性状的影响

梁乐杰

(河北联合大学建工学院，河北唐山 063009)

0 引 言

基坑开挖引起的土体侧移对桩的影响作用不容忽视，在工程中所引起的事故经常发生，严重影响建筑物的安全。人们对此做了许多研究，但大部分是研究对单桩的影响，本文通过ANSYS有限元分析软件，对周边基坑开挖与周边CFG桩复合地基的相互作用影响进行了研究，得出基坑开挖深度对群桩的影响。

ANSYS是集结构、流体、耦合、电磁场、声场分析于一体的有限元分析软件，主要包括前处理模块、分析求解模块、后处理模块。本文采用ANSYS11.0对桩土作用进行分析。

1 桩土体系模型

1.1 基本假定

基本假定如下:

1)将土体设定为弹塑性材料，采用Drucker－Prager弹塑性模型，其材料特性包括粘聚力、内摩擦角和膨胀角;

2)建立三维模型，考虑到接触问题，在桩和土、褥垫层之间设置接触面单元。

1.2 计算参数的选取

本文有限元模型中的土体采用了Drucker－Prager材料，在此模型中，土体、桩、褥垫层均采用8节点的六面体实体单元solid45进行模拟，桩采用CFG桩，基坑开挖深度为5m，在开挖过程中采用放坡进行开挖，放坡系数为1:0.75，在数值模拟过程中，将土体单元采用大变形理论进行数值模拟，土体参数如表1。

表1 土体模型参数

表2 桩模型参数

1.3 本构关系

土体采用Drucker-Prager理想弹塑性本构模型，其屈服准则表达式为

该模型比较适合土体类材料的特性，优点在于简单考虑静水压力对屈服强度的影响，并且参数少易确定，其中材料的常熟α和K与材料的摩擦角和内聚力有关。

1.4 基本模型的建立

桩深入上层土14 m，下层土1 m，与土体接触为摩擦接触类型，单元选取TARGE170和CONTA174，摩擦系数一般取0.2［1］。不考褥垫层入土部分，将其布置在土层以上，与桩建立接触面。考虑到研究范围，土的深度为桩长的3倍，见图1。为减小计算量，考虑到模型的对称性，本文采用四分之一土体进行模拟。在求解之前，对模型中土体的边界进行约束，在边界条件处理的问题上，本文土体在自重作用下并采用了底部边界、X方向和Y方向的两侧边界为固定边界，其位移为0，模型底部实行了全部约束［2］。土体的应力主要是自重荷载，桩的应力是其自重应力和上部建筑物通过褥垫层底部和桩的刚性连接，将应力施加在桩顶。

2 数值计算结果及分析

基坑开挖采取三种不同的距离，分别为2 m，6 m，10 m，桩顶建筑物的荷载等效为均布荷载，大小为300 KPa。平行于基坑的三根桩取中间桩的变化特征，从左到右编号一次为123。各桩的水平位移，第三主应力分别如图所示。

图3 不同基坑开挖对桩水平位移的影响

从图3可以看出，随着基坑距桩距离的增加，对桩的水平位移越来越小，对单根桩来看，上部出现正位移，下部出现负位移，对桩中部的位移影响最小;当达到一定距离时，对桩底部几乎没有影响，上部出现较小的正位移;以上三张图可以看出，基坑距离一定时，距离基坑越近的桩，位移影响最大，几乎成线性变化。

不同基坑距桩的距离对桩的应力影响如图4所示，当基坑距离桩较近时，对中间桩的影响最大，是由于桩土间的相互作用，引起中间桩受力最大;当达到一定距离时，对桩的影响由距离的增加而减小，对距离最远的桩几乎没有影响。从单根桩来看，对桩中间部位的应力影响最大，分别向两端逐渐减小。

从图5可以看出，基坑开挖引起的土体侧移是土体的一种卸载作用，在邻近开挖的位置，桩的位移、应力影响很大，基坑开挖后地基土的反应还受到其他一些复杂因素的影响，例如孔隙水压力、地表压力等，它们的影响还难以准确地考虑，所以在条件许可时应尽量避免在有地上建筑物的邻近地点进行基坑开挖施工，或采取可靠有效的措施，例如基坑支护等。以上通过对基坑开挖引起临近桩的分析计算，不仅对CFG复合地基的评价有重要的意义，而且也是利用基坑开挖研究工程场地土体性质的一个重要途径，在实际工程中，还应注意实际数据的观测与积累，建立起不同土体与介质作用函数之间的对应关系，获得工程场地土体的物理力学性质与其之间本构关系［3］。

本文陈述了一种用来分析由于基坑开挖引起土的侧移对群桩的影响的有限元方法［4］。着重分析了在放坡条件下的基坑开挖对群桩的影响。影响土侧移对群桩影响大小的关键因素包括:基坑开挖的与群桩的距离，土体的特性和桩的特性。

3 结 论

本文陈述了一种用来分析由于基坑开挖引起土的侧移对群桩的影响的方法，我们可以从中得到结论:

(1)基坑开挖会对群桩产生影响;当基坑开挖距离较近时对邻近CFG桩复合地基中的桩基有破坏作用，建议安全距离为基坑开挖深度的2倍，否则要采取措施进行加固。

(2)由于CFG桩与土体的力学特性相差较大，接触界面难以实现位移协调，因此分析基坑开挖对群桩的影响过程时采用接触模型是合理的。

(3)应尽可能避免在有地上建筑物的邻近地点进行基坑开挖施工。

［1］郑兴莲，胡双全.基坑开挖对邻近建筑物地基变形的影响［J］.保定学院学报，2011，24(3):122-125.

［2］王瑞芳.ANSYS分析灌注桩的桩土共同工作机理［J］.武汉科技大学学报，2006，29(3):293-296.

［3］姜峥.基坑开挖对紧邻建筑物沉降影响的数值分析［J］.城市道桥与防洪，2011，5(5):229-231.

［4］杨敏，周洪波.承受侧向土体位移桩基的一种耦合算法［J］.岩土力学与工程学报，2005，24(24):1-4.