分析基坑开挖对扩底抗拔桩承载性能的影响

吴金齐

【摘要】当综合基坑开挖造成的影响因素时，桩身实际的轴力远远大于没有考虑该因素时大，并且出现最大的轴力点不是发生于桩顶的加载处，所以设计应注意到并配置给桩身足够的配筋量。同轴力相对应，基坑开挖之后，桩侧的表面会出现较大摩擦阻力，假如忽视对该阻力的影响，则会引起在上拔荷载的影响下桩侧处摩擦力的失误或偏差。通过对上拔荷载加以考虑之后，扩底桩端部阻力则会相应分担约37%的荷载增量，显示出扩底端于抗拔荷影响的有效性。

【关键词】深基坑开挖；扩底桩；承载性能；抗拔；数值模拟

一、前言

随着工程应用，扩底抗拔桩的范围不段延伸，相关行业的人员加大了对扩底桩的抗拔承性能的研究力度。深基坑的开挖以及卸载的过程会导致坑底土出现明显的回弹，带动桩身出现更多的轴力，进而对桩基的整个承载性能造成较大的影响，该现象越来越受到工程界的关注和研究。本文站在前人相关研究的基础上，选择数值模拟的研究方式探讨深基坑的开挖给扩底抗拔桩承载性能的直接或间接影响，以更好地实现以规律的角度对实际构造设计进行科学的指导。

二、有限元的研究分析模型

本次研究使用的限元分析的模型详见图1，工程以及维护桩选择的是梁单元的模拟形式，选择线弹性的构造关系；支撑选择线弹性类别的锚杆给予模拟[1]；土体选择高精度的15节点给予单元模拟。研究选择轴对称的基本模型：设定基坑的计算长度是1米，向下开挖的深度是20米，于基坑中心作为扩底的抗拔桩，其中桩共长28米，桩直径为0.8米，扩底端是1.6米，扩底段的总长是2米，另外计算域是高60米，宽40米 [1-2]。

图1：有限元的分析研究模型

三、基坑结束开挖后给扩底桩具备的承载性状造成的影响

根据基坑开挖完成后关于土体的位移变化云图可知：结束基坑开挖之后，处于桩身影响的土体会往上拱起，拱起值以桩端为最小值，桩顶为最大值，其变化的数值范围大概是0～380毫米，且桩的垂直方向的位移大概是31毫米，桩土的相对位移其中性点为逐渐靠向扩底端的那小部分，可见桩与土体之间的相对位移的影响表现是在桩身形成轴力。

基坑开挖产生的土体回弹会给桩直接的影响表现同一般土体出现固结沉降时对桩身表面负摩擦力变化的影响截然相反。于中性点位置以上，土体会发生固结沉降的现象，桩土的相对位移此时主要表现是土体携带桩体向下沉降，并于桩身形成压应力；但是基坑卸载时产生的土体回弹主要体现的是：土体相对于桩身向上出现为位移变化，于桩身形成拉应力。于中性点的位置以上范围，土体会相对桩身出现向上位移变化的迹象，并于桩侧发生向上的摩擦阻力；于中性点的位置以下范围，土体会相对桩身出现向下位移变化的迹象，并于桩侧发生向下的摩擦阻力。所以，于中性点该处桩身承载的拉力为最大值，向后慢慢降低。

四、在上拔荷载影响下扩底桩的承载性能变化研究

根据下图（图2、图3）的信息可知，当桩顶受到上拔荷载的影响后，假如不关注基坑开挖过程导致出现的桩身轴力影响，和通常情况下的抗拔桩含义一致，桩身的轴力会从上至下出现下降，且桩身出现的最大拉力点主要是位于桩顶，随着所加荷载的增加，桩身的轴力会不断提高[2]。但是由于基坑开挖的过程中导致桩身的轴力发生后，会引起桩身实际轴力曲线的变化。另外最大的轴力点也未出现于桩顶的加载处，这证明了针对扩底抗拔桩来说，不考虑基坑开挖过程中对桩身轴力的影响，这不利于对桩身轴力的正确预测，进而会错误地判断出轴力最大点的实际位置。

根据图4的信息可知，同轴力变化相對应，不考虑基坑开挖造成的影响因素时，受桩顶的上拔荷载直接影响下桩侧的摩擦阻力呈现出由桩顶向下的摩擦阻力，并且摩擦阻力的大小同上拔荷载的影响程度成正比关系。基坑开挖过程中土体导致的侧桩摩擦力于中性点的位置是0，在该点的范围以上呈现出向上的摩擦阻力，反之呈现出向下的摩擦阻力。当叠加基坑开挖环节导致的侧摩擦阻力之后，可知受到上拔荷载的影响后，土体内的桩侧摩擦阻力于中点性的位置范围之上呈现出的是向上的摩擦阻力，而不是一般情况下未将基坑开挖因素纳入考虑范围导致的向下的摩擦阻力；并且考虑基坑开挖因素下中性点范围以下产生的摩擦阻力于接近桩端区域较大。根据图5的云图资料可知，受到上拔荷载的影响后扩底端附近的土体会发生竖向和水平方向的应力变化，并且于底端位置应力显著提高，大约承受了37%的荷载增加量，这提示了扩底端的抗拔表现[3]。

图2：荷载500kN之后桩身轴力曲线 图3：荷载2500kN之后桩身轴力曲线

图4：桩侧的阻力受深度的影响 图5：上拔荷载的影响扩底端附近的土体的应力表现

五、结束语

综合上述内容本文得出以下结论：（1）基坑开挖过程导致的土体回弹会对扩底桩的桩身形成较大轴力，并且桩身的中性点出现的位置会趋向于扩底端附近。（2）一般情况下，假如不关注基坑开挖过程导致出现的桩身轴力影响，桩身的轴力会从上至下出现下降趋势。（3）同轴力相适应，基坑开挖结束后，桩侧的表面会发生较大的摩擦阻力，假如对其忽略不计，会引起受到上拔荷载因素影响下的桩侧摩擦阻力同预测存在较大差距。（4）受到上拔荷载的影响后扩底端桩的端部大约承受了37%的荷载增加量，这提示了扩底端抗拔的有效性。

【参考文献】

[1]上官士青.浅谈深基坑开挖周围地表沉降的预测方法[J].中国西部科技，2009，5（23）：189-195.

[2]罗小兵.浅议房屋建筑基坑开挖[J].中国高新技术企业，2010，7（04）：178-185.

[3]谢应坤，刘新荣，王鹏等.某基坑开挖对既有铁路隧道的影响分析[J].中国新技术新产品，2010，4（08）：108-124.