既有桩基受土体水平位移影响的工程应用研究

李亭战 陈伟征

摘要：本文针对基坑开挖引起土体水平位移，会使邻近已有桩基产生变形或附加内力，可能导致邻近桩基的破坏的问题，基于Winkler地基模型以及桩-土变形协调条件，建立单桩水平位移控制方程，采用两阶段方法进行求解。通过工程实例研究，分析土体水平位移和邻近桩基承载性状两者之间的关系。实践表明，控制基坑支护构件的水平位移限制对邻近桩基的安全有着非常重要的作用。

关键词：既有柱基 土体水平位移 应用研究

1 概述

土体水平位移是因为基坑开挖造成的，在这种情况下邻近建筑物的桩基可以会发生变形，可能会影响邻近建筑物的安全性。为了保证邻近建筑物的安全性，本文通过利用Winkler地基模型以及桩-土变形协调条件，建立单桩水平位移控制方程，并且采用两阶段的方法进行计算，分析土体水平位移和邻近桩基承载性状两者之间的关系。

桩基在水平位移作用下的变形和内力分析，实质就是求解被动桩问题。目前采用土位移法计算桩基的位移和内力是一种比较简单和直观的方式，因为这种方式是直接根据自由土体位移计算的。求解被动桩可以被分成两个步骤进行，第一步是计算没有桩时自由土体的位移，第二步是利用已知的自由土体位移，施加于被动桩，被动桩的受力状况就计算出来了。本工程就是采用这种方法，通过Winkler地基模型来分析受土体水平位移作用下被动单桩的受力性状，分析基坑开挖产生的土体水平位移大小和邻近已有桩基之间的关系。

2 被动单桩的分析方法

2.1 计算模型（桩-土相互作用）

如果把因为基坑开挖造成的自由土体位移看成是hs （z），并且hs（z）受到桩基的约束作用，设U（z）是桩身的最终侧向位移，按照相关原理，土体的最终侧向位移就是这个位移。所以，土体的约束位移为Δ=hs（z）-U（z），由Winkler地基模型，约束位移产生的桩侧土压力为：F=kzΔ（1）

式中：kz——桩周土体的基床反力模量，其定义为桩身某处单位长度土体抗力与桩-土相对位移的比值（kN/m2）；F——桩在单位长度上的受力大小（kN/m）。

2.2 基床反力模量kz假定

Vesic提出过一个方法来计算基床反力模量kz，这种方法是把基床反力模量与土体的变形参数土的泊松比（μ）结合起来计算的，即：kz=■■（2）

式中：E0——土体的变形模量（kPa）；μ——土的泊松比；d——桩的直径（m）。

3 工程实例分析

工程简介：开挖工程位于天津市静海某一厂房内，该厂房为桩基，桩型为预应力混凝土管桩（PHC 桩），桩长为30m，直径为400mm，壁厚为95 mm，混凝土强度等级为C80，极限弯矩为104kN·m，开裂弯矩为63kN·m，桩基持力层为粉砂层。开挖土体为均质粉质粘土，泊松比μ= 0.3，E0为土的变形模量，参考相关的资料和分析相关的实践经验，E0可近似取地质勘察报告提供的压缩模量 ES，故可假定E0=ES=6.2MPa，桩身抗弯刚度EPIP=8.8x107N·m2。基坑开挖深度3.6m，基坑距离厂房桩基3.0m。为了确保施工过程中厂房的安全性，因此，需考虑基坑开挖过程中土体位移对桩基的影响。在施工过程中采用长度为9.5m钢板桩四周支护，严格监测基坑开挖过程中周边土体的位移量。依据监测所得位移量并按照前述理论计算，得到不同开挖深度的相对位移Δ作用下的桩所受弯矩值M，计算结果详见表1。

表1

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由表1可知，当基坑开挖完成后，桩身所受的最大弯矩为51.7KN·m，完全小于桩身的开裂弯矩63KN·m，故可以满足临近桩基安全的要求。因此，当邻近既有桩基进行基坑开挖时，做好基坑支护并实时监测桩身及土体水平位移是极为重要的。根据土体水平位移对邻近既有桩基承载性状影响分析的研究可知，桩所受的最大弯矩都出现在距离地面较近的位置，本工程实例的表1的数据也可证实此结论。

4 结论

由于开挖所产生的土体水平位移作用对邻近既有桩基安全的影响，本文针对天津市静海某一基坑开挖工程，运用两阶段法分析计算土体的水平位移对单桩的影响程度。分析结果表明，支护结构的位移控制对邻近桩基的安全性有着重要影响。当开挖深度较大时，支护结构位移过大会导致邻近桩基的破坏。因此，一方面在基坑开挖之前，根据邻近桩基及地质勘察报告提供的参数计算出基坑在各个开挖深度时的水平位移预测值，并对桩身在该水平位移预测值作用下受力进行计算，校核桩身受力的安全性；另一方面，在开挖过程中，应实时监测支护及桩身的水平位移，通过理论计算出桩身实际受力大小，以便及时采取措施保护桩基的安全。总之，基坑开挖过程中，确保支护构件的稳定性和有效性，降低开挖对邻近既有桩基的影响，才能保证已有建筑的安全性。

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作者简介：李亭战（1984-），男，山西芮城人，助理工程师，主要从事结构设计。