深基坑开挖对坑内已有工程桩的影响分析

左敦南

(安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽 合肥 230011)

0 引言

基坑工程是一个古老而又常新的岩土工程课题，在人类历史文明发展中，基坑工程的各方面问题也在不断变化和发展，同时每个阶段都有着自己独特的时代特点。深基坑开挖涉及到土力学、变形与稳定性等多方面问题，在国内外的研究至今仍不成熟。20 世纪以来，国内外专家对土的相关知识进行了大量的研究，魏汝龙［1］深入研究了开挖卸载与被动土压力计算;刘国彬等［2］通过软土的室内应力路径试验，得出土的物理性质和应力路径共同影响软土的卸荷模量;A.Kullingsjö［3］提出了软粘土深基坑支护对周围环境的影响。

本文通过分析基坑开挖卸荷影响区域及相应应力路径，总结了不同区域的不同卸荷方式;通过受回弹影响的基桩受力分析和上部结构荷载作用下的基桩受力分析，研究了深基坑开挖对坑内基桩受力特性的影响;通过探讨基坑隆起和回弹作用的区别，分别研究了基坑隆起和基坑回弹对桩的性能的影响。同时也讨论了一些基坑开挖对工程桩产生的间接影响。最后根据基坑开挖对工程桩的直接和间接影响，定性分析了工程桩承载力变化以及桩身破坏原因。

1 基坑开挖对工程桩的直接影响

1.1 卸荷过程对基坑变形的影响

基坑开挖工程可简化为平面应变问题，在该问题中，根据卸荷作用的不同，可分为三个区域——基坑外侧、基坑底部、过渡区域。在基坑开挖过程中，基坑外侧水平应力释放，产生侧向卸荷作用;基坑底部竖向应力释放，发生轴向卸荷作用;过渡区域位于两者之间，水平及竖向应力均有改变，即发生主应力偏转，应力路径也介于两者之间。

1.2 深基坑开挖对坑内基桩受力特性的影响

基坑开挖对基桩的影响分析主要包含以下两个方面［4］:

1)受回弹影响的基桩受力特性。基于不考虑桩上部外荷载的作用下分析回弹影响的桩基受力特性，可将工程桩视为“悬浮”于土中的桩体。基坑开挖过程中，由于土体应力释放带来的卸荷与回弹，使得桩身上部受到向上的正摩阻力作用，桩身下部受到向下的负摩阻力作用。在正、负摩阻力的作用下，桩体在轴向上承受拉伸轴力。

2)受上部结构荷载作用的基桩受力特性。基坑开挖后，上部荷载减小引起桩周土体有效应力减小，从而导致桩侧摩阻力减小，最后降低了工程桩的承载力。同时回弹作用产生的侧摩阻力影响了桩周侧摩阻力的发展趋势，进而对桩的刚度产生了影响。

1.3 基坑隆起和回弹对坑内基桩的影响

1)基坑隆起的影响。基坑开挖过程是一个卸荷过程，随着坑内土体的挖除，坑底土体将产生不同程度的隆起。一般情况下，基坑开挖引起坑底的各土层隆起量各不相同，工程桩与土体之间将产生相对位移。在某一深度处，桩—土之间的相对位移刚好为0，该点称为中性点。桩体在中性点以上受正摩阻力，在中性点以下受负摩阻力，中性点处摩阻力为0，而轴力最大。当桩身中性点轴向荷载超过混凝土抗拉强度时，就可能会引起桩身的拉裂破坏［5］。

2)基坑土体回弹的影响。深基坑相对于浅基坑而言由于卸载量大，坑底回弹量大，对工程桩产生的危害不容忽视［6］。基坑开挖过程中，由于坑底土体突然被卸载，原先的平衡应力发生突变，使土体产生回弹，从而引起已有工程桩的上浮。另外降水也可使坑底土体荷载增大而产生压缩弹性变形，从而引起基桩上浮。坑底以下各层土体开挖前后土中应力比和压缩模量比的变化明显影响着坑底回弹量［6］。土的压缩模量越大，其回弹量越小。

2 基坑开挖对工程桩的间接影响

2.1 基坑开挖对土体力学特性的影响

基坑开挖会引起土体力学特性的变化，从而间接影响桩的承载力。

1)土体强度和应力应变特性等力学性质随着土体开挖卸荷阶段而改变。在被动区内，土体强度等指标随着开挖深度增大而减小，并且减小幅度随深度加大而加大;水泥固化土的强度指标减小幅度明显高于天然土。

2)墙体前后土压力的时间效应。在有支撑范围内，主动区土压力变化不大;在土体深层，被动区土压力稍有增大，主动区减小，这是由于墙体位移引起的，两者变化主要集中在墙体最大位移附近。墙体位移一定下，被动区土压力小于静止土压力，远未达到被动土压力。

2.2 基坑开挖卸荷对土体抗剪强度指标的影响

基坑开挖会导致土体抗剪强度指标的变化，进而影响工程桩的承载能力。

基坑开挖卸荷后，改变了原位土体的应力状态，从而改变了土体的微观结构，使得基坑外侧土体抗剪强度下降，势必对土压力的计算产生相应的影响。所以基坑开挖卸荷对土体抗剪强度指标的影响在基坑工程设计中不容忽视。

3 工程桩承载力变化以及桩身破坏原因分析

深基坑开挖会对坑内已有工程桩产生较大影响，主要包括桩基承载力的削弱和桩身破坏两个方面。产生这些影响的原因如下:1)不同区域应力路径不同，引起的卸荷作用使得土体围压减小，导致桩基承载力削弱。2)深开挖条件下所产生的土体侧向变形会引起桩身弯曲、偏位、断裂。3)深基坑开挖所引起的土体的回弹对桩重新加载时的承载力和荷载传递产生显著影响，从而影响承载力的发挥;回弹对坑底已有工程桩产生向上的摩阻力，在一定的地层条件下，易在钢筋笼底部素混凝土桩身段形成拉应力集中，进而产生受拉破坏。4)基坑开挖引起坑底土体隆起，使得桩体与土体之间产生相对位移，从而在中性点之上形成正摩阻力，中性点之下形成负摩阻力，中性点处承受最大的拉伸轴力。当轴向荷载超过土桩身抗拉强度，就可能会产生中性点的受拉破坏［5］。5)基坑开挖可以通过改变土体的力学特性等间接影响工程桩的承载特性。

4 结语

1)深基坑开挖对桩基的影响主要体现在桩基承载力变化问题和坑内桩基受力特性变化问题上。深基坑开挖往往导致桩基承载力变小，引起桩身弯曲、偏位、断裂和桩身受拉、拔断等问题。2)深基坑开挖引起的不同区域应力路径的不同变化、坑底土的回弹和隆起、桩基的受力特性的变化和间接影响土的工程特性等，都是导致承载力削弱和桩身形变甚至断裂的原因。3)目前，国内外关于深基坑对临近建筑的影响有较多研究，而对于坑内基桩的讨论较少，这方面的研究还不成熟，还可从数值模拟、室内模型试验以及原位测试等多角度进行研究分析。

［1］魏汝龙.开挖卸载与被动土压力计算［J］.岩土工程学报，1997，19(6):88-92.

［2］刘国彬，侯学渊.软土的卸荷模量［J］.岩土工程学报，1996，18(6):18-23.

［3］A.Kullingsjö.Effects of deep excavations in soft clay on the immediate surroundings［J］.Proceedings of the 17th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering，2007(2):1923-1930.

［4］胡 琦，凌道盛，陈云敏，等.深基坑开挖对坑内基桩受力特性的影响分析［J］.岩土力学，2008，29(7):1965-1970.

［5］陈孝贤.深基坑开挖坑底土体隆起对工程桩影响的探讨［J］.福建建设科技，2006(3):15-16.

［6］朱火根，孙加平.上海地区深基坑开挖坑底土体回弹对工程桩的影响［J］.岩土工程界，2005，8(3):43-46.