基坑开挖对临近桩基影响的实测及有限元数值模拟分析

韦万正

【摘 要】近几年来，地下空间的开发与利用呈现出大面积、深基坑的发展趋势。基坑开挖往往面临着周边环境复杂、围护工作量大、基坑地质条件差等困难。它不仅对既有桩基有影响，而且对相邻在建桩基也有影响。文章实测基坑开挖对临近桩基的影响，并进行有限元数值模拟分析。

【关键词】基坑开挖；临近桩基；有限元数值模拟分析

【中图分类号】TU473.1 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）09-0069-03

0 引言

基坑开挖会引起周围土体和建筑物附近的桩基础和上部结构的应力场和位移场发生变化，从而危及建筑物的安全，甚至引起工程事故。例如，城市地下停车场等地下空间的开发与利用，旧城改造对现有建筑物的桩基会产生很大的影响。本文分析了桩-土相互作用的原理，认为桩基础受力和桩土相互作用是动态平衡的，目前常使用有限元数值模拟分析方法。

北京地铁4号线建成，5号和10号线共计63.1 km的地下线路需要跨10多个桩，最近的桥桩仅0.19 m。上海、广州和深圳地铁建设的过程中，也存在类似的问题。实际工程中，地铁开挖对相邻桥梁桩基的作用范围大多在桩的底部，这对桩侧力的影响很大。由于开挖引起的桩侧移和土体的侧向位移引起的桩弯矩增大，因此增加了桩身被破坏的风险。关于基坑开挖对坑外桥桩的沉降影响和侧移、内力的影响规律的研究就显得尤为重要，可以避免基坑开挖引起桥梁的损坏。

针对基坑开挖施工对既有临近桩基的影响，海内外学者采用各种方法做了大量的研究。cfleung分析对邻近桩基的影响（试验）不支持的条件下开挖侧引起的；rjfinno分析实例，即一个平面相邻桩开挖引起的损伤有限元；hgpoulos等对邻近桩视为平面做应变分析和探讨；J. L.潘等人和H. mroueh分析土体侧向位移的影响（整体法）；A. T. Goh等人在温克勒模型中，进行被动桩分析（两步法）；郑刚分析桩身刚度对桩顶竖向附加弯矩载荷和约束桩的位移的影响。此外，杨敏等人分析了基坑开挖与邻近桩基的相互作用（三维弹塑性有限元法），就邻近桩基对基坑开挖所引起土体变形进行了比对分析。钱建固、曲文婷、李伟伟、黄茂松等人对基坑开挖、基础加固及相邻桩的桩端水平位移控制指标进行了有限元数值模拟分析，并分析了各种地基加固设计。

1 简介

某地下综合交通枢纽工程（拟建的高速铁路车站和该终端），两个紧密相邻的项目和高铁站同步建设地铁站的开挖长度为940 m，终端大跨度拱结构，为桩承台桩基础，大对角推力作用在桩顶拱。高速铁路车站和码头平行运行，部分路段的车站开挖早于终端拱施工，另一部分为终端拱施工部门。

施工单位要减少基坑开挖对施工的影响，对施工中的桩顶承台进行施工，以加固工程基础。高铁站地下基坑深度约20 m。终端为120 m的大跨度钢结构，斜拱基础平台规格为20 m×20 m×3.5 m，桩顶铺设15个人工挖孔桩（直径为2 m），承受的荷载标准值为12 160 kN。

采用有限元法对各种地基加固方案进行优化，可以最大限度地减少基坑开挖对邻近桩基的负面影响，特别是基坑开挖和桩体在近距离外的加固，也有助于提高建筑物的桩基础质量，从而减少变形。

2 有限元模型的建立

將三维问题转换为平面应变二维问题（各个构件典型剖面进行抗弯刚度和水平剪切刚度的等效代换）。

2.1 模型

模型尺寸为160 m×65 m，由高精度节点三角形单元15元组成。单一的模型桩，桩承台桩隆起和开挖模拟的数值模拟的板单元，锚杆单元。莫尔-库仑弹塑性和桩土simulate model to support，隆起，桩基础桩和斜拱are viewed as线性弹性材料。土层参数见表1。

2.2 计算方法

上覆层约7 m的土层，因此设计了土拱帽和土体开挖挡土墙之间的加固。3种情况如下。

（1）承台坑全旋喷加固，加固深度为7.0 m，采用80 MPa加固地基模量。

（2）承台坑全旋喷加固，加固深度为7.0 m，近盖半地基模量为150 MPa，接近坑边模量为20 MPa。

（3）承台坑全旋喷加固，加固深度为7.0 m，近盖半模量为20 MPa，接近坑边模为150 MPa。

计算考虑了最不利条件下的基坑（开挖，但尚未进行基础底板施工），在这种情况下，最大限度地挖掘，围护结构的最小的刚度。

建设高铁站方向相反的方向的开挖和方向的终端，存在的加固区后的第一次开挖加拱拱开挖和两种情况下的第一次增加，且在施工之前都已完成地基加固的施工。

这样，就有了6种工序的计算方案。{1}均匀加固法：加固→加载→开挖；{2}均匀加固法：加固→开挖→加载；{3}附近盖强加固方法：加强→加载→开挖；{4}附近盖强加固方法：开挖→加固荷载；{5}钢筋：钢筋→近坑强加载→开挖；{6}附近强筋：筋坑开挖→负荷。

3 有限元数值模拟分析结果

承台位最大变位——方案一：加载段位移为13.8 mm，开挖段位移为9.7 mm；方案二：加载段位移为12.4 mm；方案三：加载段位移为13.3 mm，开挖段位移为9.6 mm；方案四：加载段位移为13.0 mm；方案五：加载段位移为14.2 mm，开挖段位移为10 mm；方案六：加载段位移为12.1 mm。

我们可以看到，在第一次开挖后，再加上拱开挖过程，以及拱桩变形引起的段作业条件占主导。加拱期水平位移是一个快速发展的趋势，相对而言，由开挖引起的水平位移呈现较稳定，直到最后的规则；浅埋深基坑开挖，这可能是由于拱和桩浅埋深工程性质的相对较差的结果。

基础加固措施后的前3种方案加拱开挖，该方案的水平变形控制最有效，即在接近一半的节帽采用不均匀地基加固措施。若有强筋区附近发掘半基础（方案五），但增加不利影响。可见，采用基础加固的有效措施，以控制基坑附近的开挖对现有桩的影响，是加强近盖土、基坑附近的加固软弱。

基坑开挖至底板、施工后的第一次开挖加拱施工方案，不考虑开挖引起的近盖变形，应考虑开挖前的晚加拱群影响。比较结果，加固最有效的是方案六，最差的是方案四，这一分析结果在之前和之后加入拱的开挖方案几乎是相反的。可见，在第一次开挖后处理条件下增加的拱附近的基础坑边加固，而附近是一个薄弱的基础加固。

4 探讨

以上模拟分析是基坑开挖对于在建桩基的影响。随着基坊开挖规模越来越大，开挖工程越来越普遍，开挖影响现有桩巨大。容易犍为地铁施工对桩附近的桥的影响进行有限元模拟分析，得出以下结论和建议。

（1）施工侧坑外的大桥桩土的弹性模量值增加，桩侧土的弹性模量减小。

（2）坑外的桥梁桩和侧弯时随着开挖深度的增加，当桥附近的桩深基坑施工，特别要注意横向弯矩基础外桥桩。

（3）外桥附近的坑内的坑的范围是一个重要的因素，在桥外的桩的晃动和内力以及基坑开挖引起的桩侧、内力主要是由土体水平位移引起的。

（4）侧移地基与外部土体的支护力减小，基坑外的桥梁桩土变形产生的侧向弯矩和桩外桩侧的减小。在桥附近的一座桥上，加大了对桩的支护预轴力，可以有效地减小桩外坑内的应力。

使盛等人模拟分析发现：桩土桩基础的水平位移变化明显，当桩土荷载作用下，桩土水平位移的增大，基坑的影响范围将扩大。当基坑开挖时，桩基础在桩基础上，沿樁的桩身水平位移随深度的增加而增加，随基坑开挖深度的增加而增加。

基础与基础工程作为建筑的前期基础工作，通过理论探讨和研究，工程勘察、设计、施工和监控都达到了新的高度。城市建设和大量施工不可避免地遇到坑相邻的现有建筑，施工基坑开挖卸荷过程会引起土体变形，底部隆起，且存在不稳定的周围环境，可以使周围的建筑物受到严重影响或造成严重损害。为了确保在开挖过程中周边建筑物的安全，必须严格控制施工过程和对开挖支护计划密切监测。

参 考 文 献

[1]钱建固，曲文婷，李伟伟，等.地基加固控制开挖对附近桩基影响有限元分析[J].土木工程学报，2011，44（增刊）：69-72.

[2]马克生，梁仁旺.基坑开挖对临近桩基性状影响的有限元模拟[J].山西建筑，2012，38（26）：66-67.

[3]易建伟.地铁基坑开挖对邻近桩基的影响[J].市政技术，2015，33（3）：133-136.

[4]陈运荣，赵永献.邻近建筑基坑施工对周围环境影响的数值模拟[J].四川建筑，2015，35（2）：196-199.

[责任编辑：陈泽琦]