基坑开挖对临近建筑物CFG桩复合地基的影响分析

余　旭，邹　燕

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)



基坑开挖对临近建筑物CFG桩复合地基的影响分析

余旭，邹燕

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

摘要：随着土木工程建设的发展，建筑不断向高层或者地下发展，施工中基坑开挖对周边建筑的影响逐渐引起人们的关注。开发商为了商业营销的需要，大多先建造主体建筑再建造地下车库，这给主体建筑安全留下了隐患，类似的安全事故时有发生。本文将结合实际工程利用有限元分析软件ABAQUS进行模拟，分析了基坑开挖各阶段临近主体建筑CFG桩桩身侧位移的变化情况。根据计算结果得出基坑开挖对临近主体建筑CFG桩基的影响因素并为类似的工程施工提供一些建议。

关键词：基坑开挖；CFG桩复合地基；三维有限元分析；ABAQUS；接触面

0　引　　言

由于城市土地资源的紧张，工程中常常会遇到需要在已有建筑物附近开挖基坑的情况。特别是近来开发商出于商业营销策略，为尽快回笼资金，往往是先建造主体建筑再建造地下车库，基坑施工会给主体建筑埋下一定的安全隐患。由于许多地下车库都建造成两层，相对于主体建筑开挖较深，在刚施工完的主体建筑附近开挖地下车库基坑对主体建筑地基的影响不容小觑。

在刚建好的主体建筑附近开挖基坑，开挖所引起的坑外土体位移会使临近桩基产生附加弯矩和位移，当达到一定程度，会造成临近桩基破坏，进而影响上部结构的稳定。且基坑开挖会使坑外地表产生扰动，造成临近主体建筑的不均匀沉降，从而出现墙体开裂、结构柱失稳等破坏现象[1]。本文拟基于某实际工程案例，建立CFG桩复合地基有限元计算模型。由于ABAQUS有限元软件可解决相对简单的线性分析以及许多复杂的非线性问题[2]，本文将采用ABAQUS软件分析研究基坑开挖对临近建筑物CFG桩复合地基的影响。

1　工程概况

本文基于合肥市某剪力墙结构住宅工程，该工程楼层为35层，地下1层，地上34层。基础为筏形基础，采用小直径CFG桩复合地基加固技术；CFG桩桩径400mm，混凝土标号为C25，桩长14m，以1.6m等间距布置；褥垫层厚度为250mm。本文假定的是均质土，未考虑分层土对模拟结果的影响，具体土层地质参数见表1。

在地下车库施工前，临近主体建筑施工已经完成。该地下车库为两层，每层4m，基坑开挖深度定为8m，边缘距临近边桩中心2m。在开挖与主体建筑相邻且比楼基深的地下车库这部分土方时，需对基坑采取支护措施。本文拟运用有限元软件ABAQUS分析研究基坑开挖对临近主体建筑桩基造成的影响。该工程CFG桩实际布桩平面图及取样示意图见图1，主体建筑及地下车库基坑剖面图见图2。

表1　土层地质条件

2　桩土体系有限元模型

2.1基本假定

建立基坑开挖三维有限元模型，在模型中将利用大量有限单元来模拟基坑开挖的实际情况。为方便计算和操作，作出如下假设：

1)不考虑基坑挡土墙在施工过程中所引起的土体应力状态的变化；基坑开挖过程中不考虑地下水的影响；

2)为了保护基坑周围原有的环境，其开挖过程须严格遵守时空效应原理，控制基坑挡土墙及其周围地层的变形。土体采用Mohr-Coulomb模型，桩体、筏板、垫层都采用线弹性模型；

3) 建立三维有限元模型时采用接触面理论，在桩、土和褥垫层之间设置接触面单元。

2.2本构模型

土体采用 Mohr-Coulomb(摩尔库伦)塑性模型，其屈服面函数[3]为：

(1)

(2)

Θ是极偏角，cos(3Θ)=r3/q3，r是第三偏应力不变量J3。

该模型主要适用于在单调载荷下颗粒材料，在岩土工程中应用非常广泛。

2.3模型建立

利用ABAQUS有限元分析软件对该CFG桩复合地基进行模拟分析，土体宽度取边桩中心以外20倍桩径，深度取2倍桩长；基坑开挖的影响范围是2～3倍基坑深度，基于本工程土质条件较好，所以土体两侧(y方向)再延伸2倍开挖深度进行研究。

筏板厚度为1.5m，筏板宽取边桩中心以外600mm；垫层厚度取250mm，垫层边取筏板边以外400mm。土体本构关系采用摩尔库伦模型，采用三维八节点实体单元C3D8R；桩体、筏板、垫层、挡土墙和主体建筑都采用线弹性模型，选取三维八节点实体单元C3D8R。各模型参数取值见表2。

表2　桩、土、筏板、垫层、挡土墙模型参数

桩深入土层14m，与土体接触为摩擦接触类型，摩擦系数取值为0.3[4]。不考虑褥垫层入土部分，将其布置在土层之上，与桩建立接触面。由于软件运行所需内存较大，这里取5x5群桩作为代表进行分析，CFG桩取样编号见图3，CFG桩有限元计算模型见图4。

边界条件简化为：土体四周均设置为限制垂直方向的位移，土体底部为完全约束，限制三个方向的位移。基坑开挖前CFG桩复合地基计算模型见图5，基坑开挖后CFG桩复合地基计算模型见图6。

2.4分析步设置

ABAQUS自身带有STEP(分析步设置)功能模块，可以在此模块中创建分析步来模拟实际施工工况。

基坑开挖深度为8m，分两步开挖，第一步开挖4m，第二步再开挖4m。基坑开挖过程采用挡土墙支护结构。具体分析步设置见表3。

表3　分析步设置

2.5加载情况

2.5.1竖向荷载

竖向荷载主要考虑土体和上部主体建筑的自重荷载，该工程楼层为35层，地下1层，地上34层，在模型中为了简化，将竖向荷载折算成主体建筑的密度来进行模拟。

2.5.2水平荷载

水平向主要考虑风荷载作用，风荷载对底部桩基的影响主要以弯矩作用表现，在有限元模型中以在主体建筑侧面施加均布力来简化处理。

根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)[5]、《高层建筑结构设计》[6]和《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)[7]等现有规范及设计规程，可近似计算出作用于底部的风荷载。本计算模型实际选取25根桩(共256根)，主体建筑侧面的水平风荷载根据规范规定按照平均分配原则近似计算为180kN，在模型中以在筏板侧面施加0.8kPa的均布荷载进行简化。

模型中我们考虑风荷载最不利影响，所以施加在主体建筑背离基坑开挖侧(x方向)的面上。

3　数值计算结果分析

根据对称性原则，我们取三排桩进行计算分析，编号见上图3。模型模拟开挖过程结束后，CFG桩桩身侧位移变形云图见图7.

3.1基坑开挖前临近主体建筑CFG桩桩身侧位移分析

我们读取加载分析步r-pile结束之后(基坑开挖前)的CFG桩最大桩身侧位移和最小桩身侧位移列入表4，分析基坑开挖前各桩身侧位移变化情况。

表4　基坑开挖前CFG桩桩身侧位移

注：侧位移单位为mm，数值以x正方向为正。

从表4中数据我们可以看出基坑开挖前，各桩身侧位移都很小。由理论分析可知，基坑开挖前CFG桩桩体主要承受竖向荷载的作用，如果水平向不考虑风荷载等外力的作用，桩身侧位移应近乎为零，并且在x向对称分布，即以竖向3#、8#和13#桩为轴，两侧桩身侧位移等值反向分布。但从表4中数据我们可以看出，水平向如果考虑风荷载，风荷载会对桩基造成一定的影响。虽然影响不大，但桩身在风荷载作用下会发生微小的倾斜，并且对桩顶的影响大于桩底。所以说考虑风荷载是合理的，只是在实际施工中，风荷载对地基的影响甚微，大多数情况下仅凭经验考虑即可。

3.2基坑开挖各阶段临近主体建筑CFG桩桩身侧位移分析

为了研究基坑开挖过程对临近桩基前后排桩桩身侧位移的影响，我们先读取开挖4m(分析步r-tu-1)的最大侧位移和最小侧位移，具体数值见表5，并将结果与表4(基坑开挖前)的结果进行比较。

表5　开挖4m后的CFG桩桩身侧位移

注：侧位移单位为mm，数值以x正方向为正。

随着开挖的开始，桩身侧位移逐渐增大。桩身整体向基坑开挖侧倾斜，离基坑最近的一竖排桩(5#、10#和15#)表现最明显。因此我们可以推断，离基坑越近的桩，开挖造成的影响越大，随着桩中心距基坑间距的增大，影响逐渐减小。

我们再读取开挖8m(分析步r-tu-2)后的最大侧位移和最小侧位移，具体数值见表6，并将结果与表4～表5的结果作对比进行分析。

表6　开挖8m后的CFG桩桩身侧位移

注：侧位移单位为mm，数值以x正方向为正。

随着开挖深度的增加，侧移越明显，桩身倾斜程度也随之增加。而且离基坑越近的桩，受影响越大，这也验证了我们刚才的推断。所以说基坑开挖深度H和桩中心距基坑间距S都是基坑开挖对临近建筑物桩基造成影响的主要因素。

3.311#～15#桩桩身侧位移分析

前面通过表格的形式列出了各桩身最大侧位移和最小侧位移变化数据，为了更直观的表现结果，我们选取代表性的中间一排桩11#～15#桩，画出基坑开挖各阶段桩身侧位移变化曲线图，进一步分析验证结论。基坑开挖前CFG桩桩身侧位移图见图8。开挖4m后的桩身侧位移图见图9。开挖8m后的桩身侧位移图见图10。

由图8我们可以看出，基坑开挖前桩身侧移都很小，最大侧移发生在地面以下9～10m的位置。图中曲线显示桩底部分桩身侧移大致呈对称分布，但桩顶由于考虑了风荷载的作用，所以沿着风向向右侧发生微小倾斜，这也说明了考虑风荷载的合理性。风荷载会对桩基造成一定影响，主要是对桩顶的影响，桩底几乎不产生影响。并且顺着风向对最近的11#桩影响最大，随着距离增加影响逐渐减小。

对比图8和图9可以发现，基坑开挖后桩身侧位移变化曲线开始发生变化，桩基整体向基坑开挖侧倾斜，距基坑最近的15#桩表现特征尤为突出。随着桩中心距基坑间距的增加，影响逐渐减小。这说明桩中心距基坑间距S是基坑开挖对临近建筑物桩基造成影响的一个主要因素。

对比图9和图10可以发现，随着开挖深度的增加，开挖造成的影响也越明显。桩基整体向基坑开挖侧倾斜程度也随开挖深度增加而增加。基坑开挖对桩顶的影响大于桩底，开挖深度越深，表现的越明显。因此，除了桩中心距基坑间距S外，基坑开挖深度H也是基坑开挖对临近建筑物桩基造成影响的一个主要因素。

4　结　　论

本文通过对依托工程CFG桩复合地基的数值模拟计算，研究了基坑开挖对临近建筑物CFG桩复合地基的影响，分析可得出以下结论：

(1)经分析研究可知，基坑开挖对临近CFG桩复合地基的影响因素主要有基坑开挖深度H和桩中心距基坑间距S。当开挖深度H一定时，离基坑越近的桩受影响越大。当桩中心距基坑间距S一定时，随着开挖深度的增加，影响逐渐增加，桩基向基坑开挖侧倾斜的程度也会随之增加。因此在紧邻建筑物附近开挖基坑时应控制好安全间距并考虑基坑开挖深度的影响。

(2)CFG桩与土体的力学特性相差较大，建模时接触界面难以实现位移协调，本数值模拟的运行充分验证了在分析基坑开挖对临近CFG桩的影响过程中采用接触面理论的合理性。

(3)本模型中考虑了风荷载对地基的作用。结果显示，在风荷载作用下CFG桩会产生微小侧移，对桩顶的影响大于桩底。但是影响很小，在实际计算中仅凭经验考虑即可。

(4)在原有地上建筑物的邻近地点进行基坑开挖，应根据具体工程特点，进行周密详细的施工设计，在施工时应对开挖基坑临近的建筑物桩基进行监测，及时分析数据，降低不利影响避免事故发生。

参考文献

1郑刚, 颜志雄, 雷华阳, 等. 基坑开挖对临近桩基影响的实测及有限元数值模拟分析[J]. 岩土工程学报, 2007, 29(5): 638-643.

2张建华, 丁磊.ABAQUS基础入门与案例精通[M]. 北京: 电子工业出版社, 2012.

3费康, 张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用[M]. 北京：中国水利水电出版社, 2009.

4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.

5GB50009-2012建筑结构荷载规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012.

6史庆轩, 梁兴文. 高层建筑结构设计(第二版)[M]. 北京: 科学出版社, 2006.

7JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2011.

Influence of Adjacent CFG Pile Composite Foundation Due to Excavation

YU Xu,ZOU Yan

(School of Civil engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei ,230601, China)

Abstract:With the development of civil engineering construction, building continuously to the top or underground development, the influence of the construction of foundation pit excavation on surrounding buildings gradually aroused people's concern. Especially the developers in order to meet the demands of business marketing, are often the first to build the main body building then build the underground garage, this gave the subject construction safety hidden trouble, similar safety accidents occur frequently. In this article, combined the practical engineering, we analyzed the practical excavation near the subject construction of CFG pile lateral displacement in different stages of the change by using the finite element analysis software ABAQUS. According to the calculation results, the influence factors of foundation pit excavation on the adjacent main building CFG pile foundation are obtained, and some suggestions are provided for similar engineering construction.

Key words:excavation; CFG pile composite foundation; three dimensional finite element analysis; ABAQUS; contact surface

中图分类号：TU473.1

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)05-016-06

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150504

作者简介：余旭(1962-)，男，正高工，主要研究方向为钢筋混凝土结构、深基坑支护等。

收稿日期：2015-04-08