软黏土基坑开挖对坑内工程桩的影响分析

王良良,胡立锋,陈鹏飞,龚晓南

(1.绍兴市柯桥区建设工程安全质量监督站,浙江 绍兴 312030;2.浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心, 浙江 杭州 310058；3. 浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室,浙江 杭州 310058)

软黏土基坑开挖对坑内工程桩的影响分析

王良良1,胡立锋1,陈鹏飞2,3,龚晓南2,3

(1.绍兴市柯桥区建设工程安全质量监督站,浙江 绍兴 312030;2.浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心, 浙江 杭州 310058；3. 浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室,浙江 杭州 310058)

基坑开挖不仅使基坑的围护结构产生变形,而且会对坑内工程桩产生一定的影响。今对柯桥某基坑进行PLAXIS建模分析,并与实测结果进行了对比,说明了模型的可靠。然后分析了在基坑开挖过程中,各排工程桩的变形和受力特点,研究了第一排工程桩与基坑的距离对工程桩变形和受力的影响,发现不同桩长工程桩受基坑开挖的影响程度不同,以及坑底搅拌桩加固对工程桩变形的影响。

基坑开挖; 工程桩;剪断; 拉断

随着城市建设的蓬勃发展,人们越来越重视对地下空间的开发和利用,基坑开挖工程也向更深更大的方向发展。

在基坑开挖过程中,坑内土体不断卸荷,坑内外压力差变大,土体工程性质发生了很大变化,地基土的塑性平衡状态受到破坏,导致周围地层及土体的移动[1]。在这个过程中对工程桩的影响有两方面可考虑：一是垂直受力,坑内开挖部分土体的卸荷,使坑底地基土回弹,有些桩可能要上浮,使得工程桩受拉破坏[2]；在基坑边缘的桩,当基坑变形较大,向内侧滑移时,基坑内土体向上隆起,也会产生向上的力。二是水平受力,基坑开挖使得围护结构发生向坑内的位移,与此同时,土体也会向坑内移动,这样原本已经打好的工程桩就会受到水平方向的力,造成偏移,甚至剪断。同时,开挖降水也会对基坑变形和稳定造成很大影响[3],从而影响工程桩的性能和状态。

据报道,名古屋地铁的一个既有隧道及3层地下商场下修建新的地铁隧道[4],采用桩进行托换,在桩身下部出现了很大的拉应力,且该拉应力随开挖深度的增加而增加。

郑刚等[4]通过对天津站基坑工程施工过程的的钢管柱及地下连续墙的竖向位移监测以及进行的数值模拟,认为越靠近基坑中心,工程桩受到的拉力越大。

秦敏等[5]通过采用有限元分析方法的定量试算分析,结果表明,在同样坡角情况下,坡高越大桩顶偏移越大；在同样坡高情况下,坡角越大,桩顶偏移也越大。

龙善新[6]利用三维有限元程序,采用Mohr-Coulomb模型[7],分析了坑内设置单桩基础的一个大面积的深基坑开挖工程,来研究基坑开挖前后此桩基承载力的变化,分析结果显示基坑开挖之后坑内桩基础的承载力有较大程度的降低[8]。

胡琦等[9]考虑工程桩对水平基床系数影响,将坑内工程桩与土体均质化,得到能够同时考虑工程桩对坑内土体竖向与水平向变形影响的横观各向同性复合地基模型。该模型可以将复杂的大规模群桩问题简化,同时，又能很好地反映工程桩对坑底回弹和围护结构变形的影响。

本文对柯桥城市之星公寓基坑进行了PLAXIS建模,研究了基坑开挖对坑内工程桩的影响,分析了坑内工程桩变形特点和受力情况。

1 工程概况

城市之星公寓工程选址于柯桥区兴越路和湖西路交叉口,工程南侧为河道。本工程建设总用地面积29 664 m2,总建筑面积148 992.6 m2,主要由4幢25～32层商住楼及3～4层商业裙房与2层地下车库组成。基坑平面形状呈不规则矩形,基坑周长约660 m,基坑开挖面积约23 300 m2,基础底板垫层底标高为 -10.350 m,地下室底板面标高-9.600 m,底板厚600 mm,基础底设150 mm厚垫层,基坑大面挖深9.75 m。基坑西侧与现代大厦隔路相望,基坑南侧紧邻河道,水深约4 m。基坑北侧为兴越路及基坑西侧湖西路上埋深有较为密集的地下管线,其中Φ300供水管线(埋深1.2 m,基坑西侧围墙外)离基坑边线最近约7 m。

基坑设计方案中,通过方案比选,在综合考虑安全和成本的基础上,基坑支护采用排桩(有较大放坡空间区域,采用土钉墙)+两道钢筋混凝土内支撑、水泥土搅拌桩止水的方式。内支撑经过合理布置,选用2个大圆环支撑,与周边支撑梁形成桁架体系。

坑内工程桩采用灌注桩,桩径0.6 m,按正三角形布置,三根桩位于三角形顶点,正三角形边长1.8 m,每排三角形间距8.5 m。

2 模型的建立

基坑模型主体按照绍兴柯桥城市之星公寓的基坑工程围护设计方案建立,选取1-1剖面。基坑开挖深度10 m,围护结构采用围护桩加两道混凝土支撑,地面以下3 m内采取放坡开挖,围护桩顶在地面以下3 m处,桩底在地面以下25 m处,桩长22 m。两道支撑分别设在地面以下3 m和7 m处。距坑边6 m处往外10 m有大小为20 kPa的超载。模型建立从坑边往外50 m,往内50 m,高50 m。

为了探究基坑开挖对内部工程桩的影响,建立了如下所示的模型(图1)。在基坑内部设置8排间距为5 m的工程桩,工程桩长度分别设置了20 m和30 m两种,第一排工程桩距离坑边的距离分别设置了2,4,6 m三种情况。工程桩采用轴向刚度等效法换算为板桩[10]。

图1 考虑坑内工程桩影响的模型

为了验证建立的PLAXIS模型符合实际工程,把围护桩变形实测结果与建立的模型计算结果进行了对比，见图2。从图中可以看出模型的计算结果中,侧移的形状基本与实测值相同,变形大小有所差异。按照传统方法,不考虑止水帷幕、被动区土体加固和坑内工程桩的影响时,最大侧移达到了65 mm,远大于实测值。而考虑了止水帷幕时,最大侧移为60 mm,有所减小；当同时考虑帷幕和被动区加固时,最大侧移为50 mm,进一步减小了；当同时考虑止水帷幕、被动区加固和坑内工程桩影响时,最大侧移39 mm,比实测值42 mm稍小,但误差很小,此时两者的侧移图形也很接近。

图2 监测结果与模拟结果比较

3 模型结果分析

3.1 各排工程桩变形及受力比较

在基坑内部设置8排间距为5 m的工程桩,工程桩长度为30 m,第一排工程桩距离坑边的距离为2 m。工程桩采用轴向刚度等效法换算为板桩,坑内未进行搅拌桩加固。各排工程桩变形结果和受力情况见图3。

图3 各排工程桩变形

各排工程桩受基坑开挖的影响都发生了不同程度的变形,基本上桩顶位移最大,桩底几乎没有位移。特别是在工程桩中部以上发生了很明显的水平位移。工程桩距离坑边越远,受基坑开挖的影响越小,第一排工程桩顶的水平位移达到了40 mm,第八排工程桩顶的位移仅12 mm。

各排工程桩受基坑开挖的影响,都产生了类似“S”型的弯矩,距离坑边越远,产生的弯矩越小。第一排工程桩在桩顶往下5 m的地方和15 m的位置产生了很大的弯矩。见图4。

图4 各排工程桩弯矩

各排工程桩都产生了正负交错的剪力,距离坑边越远,产生的剪力越小。第一排工程桩在桩顶往下10 m的位置产生了很大的剪力,这个位置容易发生工程桩剪短的危险,与工程经验相符[11]。见图5。

图5 各排工程桩剪力

各工程桩都在桩的中部偏下的位置产生了最大轴力,距离坑边越远,产生的轴力越大。轴力的产生主要是由于基坑坑底回弹,产生隆起造成的。基坑围护结构有限制坑底隆起的作用[12],所以，距离坑边越近,产生的轴力反而越小。见图6。

图6 各排工程桩轴力

综上所述,工程桩距离坑边越近越容易发生剪断;距离坑边越远,越容易发生拉断。

3.2 第一排工程桩距坑壁不同距离的影响

第一排工程桩距离坑边的距离分别为2、4、6 m时,发生的变形基本相同,桩顶水平位移都达到了35 mm以上。也就是说,第一排工程桩距坑壁的距离对工程桩的变形影响不大。见图7。

图7 第一排工程桩到坑壁距离对工程桩变形影响

第一排工程桩距离坑边的距离分别为2,4,6 m时,弯矩图形状基本相同,但是从2 m到4 m的变化过程中,弯矩值减小很多,也就是说,工程桩越靠近基坑,弯矩值越大,而且增加得越来越快。因此,为了保护工程桩,建议第一排工程桩与基坑的距离要保持在适当值以上。见图8。

图8 第一排工程桩与坑壁的距离对工程桩弯矩的影响

第一排工程桩距离坑边的距离分别为2,4,6 m时,剪力图形状基本相同,但是从2 m到4 m的变化过程中,弯矩值减小很多,也就是说,工程桩越靠近基坑,剪力值越大,而且增加得越来越快。也就是说第一排工程桩距坑边距离过近,发生剪断的可能性高很多。因此,为了保护工程桩,建议第一排工程桩与基坑的距离要保持在适当值以上。见图9。

图9 第一排工程桩与坑壁的距离对工程桩剪力的影响

第一排工程桩距离坑边的距离分别为2,4,6 m时,轴力图形状基本相同,随着第一排工程桩距坑边的距离的增加,产生的轴力有很大的增量,且轴力最大点下移。因此,在远离坑壁的工程桩需要考虑轴向拉断的可能,设计时配筋方面需要考虑。见图10。

图10 第一排工程桩与坑壁的距离对工程桩轴力的影响

综上所述,第一排工程桩不能离基坑太近,虽然变形没有太大影响,但是弯矩和剪力值会急剧增加，有剪断的可能。

3.3 工程桩不同桩长对工程桩变形及受力的影响

设置20 m和30 m两种工程桩长度进行分析。选取第一排工程桩的变形和受力情况进行了对比。

工程桩桩长从30 m减小到20 m,工程桩的水平位移有明显地增加,所以,基坑开挖对较短的工程桩的影响更大。见图11。

图11 基坑开挖对不同桩长的工程桩变形的影响

工程桩桩长从30 m减小到20 m,工程桩弯矩有明显地增加,所以,基坑开挖对较短的工程桩的影响更大。见图12。

图12 基坑开挖对不同桩长的工程桩弯矩的影响

3.4 被动区加固对工程桩变形的影响

为了增加基坑稳定性,减小基坑围护结构变形,往往会在基坑底部进行搅拌桩加固,而这种加固会对坑内工程桩产生明显的影响,特别是对靠近基坑壁的工程桩有明显的影响。见图13。

图13 被动区加固对工程桩变形的影响

被动区坑底加固明显地减小了工程桩的变形,桩顶水平位移从40 mm减小到20 mm,同时减小了坑外沉降10 mm。所以,为了保护工程桩,建议采取基底加固措施。

4 结 语

通过建立PLAXIS模型,分析了基坑开挖对坑内工程桩的影响,可以得到以下的结论：

1)距离基坑壁越远,各排工程桩产生的水平位移越小,所受弯矩和剪力越小,所受轴力越大。

2)第一排工程桩需要与基坑壁保持一定的距离以上,否则被剪断的可能性会急剧增加。

3)基坑开挖对较短工程桩影响更大。

4)对基坑底部进行搅拌桩加固,可以在一定程度上减小工程桩的水平位移。

[1] 魏雪. 基坑开挖对坑底工程桩影响的数值模拟分析[D].山东：山东科技大学,2007.

[2] 鲁宏. 考虑工程桩的存在对深基坑变形性状影响的有限元分析[D].天津：天津大学,2004．

[3] 徐枫,魏建华,吴超. 基坑开挖对坑内工程桩影响的数值分析[J]. 地下空间与工程学报,2009(增刊2):1503-1506．

[4] 郑刚,张立明,王琦,等. 基坑开挖对坑内工程桩影响的实测及有限元分析[J]. 天津大学学报,2012(12):1062-1070．

[5] 秦敏,严平. 深基坑放坡挖土引起工程桩偏位数值分析[J]. 低温建筑技术,2012(3):95-97．

[6] 龙善新. 基坑开挖的变形效应对桩基承载力的影响[D].汕头：汕头大学,2011．

[7] 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(3):43-46．

[8] 秦帅. 超深基坑开挖对坑底工程桩受力及位移影响的数值分析[D].天津：天津大学,2014．

[9] 胡琦. 超深基坑水、土与围护结构相互作用及设计方法研究[D].杭州:浙江大学,2008．

[10] 郑刚,王琦,张立明. 基坑开挖对坑底工程桩性能影响参数分析[J]. 建筑结构,2015,21:63-69．

[11] 陈鹏飞,龚晓南,刘念武. 止水帷幕的挡土作用对深基坑变形的影响[J]. 岩土工程学报,2014(增刊2):254-258．

[12] 鲁宏,李小芳. 考虑工程桩存在对深基坑变形性状影响的有限元分析[J]. 昆明理工大学学报：理工版,2006(5):56-60.

Analysis on the Influence of Excavating the Mild Clay Foundation Ditch to the Engineering Piles inside Ditch

WANGLiangliang,HULifeng,CHENPengfei,GONGXiaonan

2016-07-05

王良良(1983—),男，浙江绍兴人，助理工程师，从事建筑工程管理工作。

TU473

B

1008-3707(2017)01-0026-05