桩周土开挖状态下桩基础荷载传递规律研究

贾强，黄坤，王家奇， 张鑫

(1.山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101；2.山东省土木结构防灾减灾协同创新中心，山东济南250101)

0 引言

当前，既有建筑地下增层是节约利用土地资源的有效途径。既有建筑地下增层的核心技术是土方开挖和桩基托换。在既有建筑下方建造地下室，需运用原桩基础或新增桩基础支撑上部结构，才能开挖建筑物下面土方[1-3]。随着桩周土的开挖和桩身的暴露，桩的承载力和稳定性降低，严重时影响建筑物安全[4-5]。

目前，关于土方开挖对桩的影响多集中在基坑外的支护桩，对既有建筑下方基桩的影响却研究较少。Iwasaki等[6]介绍一个地下3层建筑物因修建隧道引起桩身上浮而产生的轴力变化。郑刚等[7]研究了抗压单桩在深开挖过程中竖向荷载传递规律，认为土方开挖后桩的竖向刚度和极限承载力会明显变化。龚晓南等[8-9]研究开挖土方对桩侧阻力的影响表明，当开挖深度为0.5倍桩长时，桩侧阻力损失50%；开挖深度越大，桩侧阻力降低程度先减小后增大。伍程杰等[10-11]通过理论研究结合工程实例得知，桩身开挖比越大，桩端阻力损失比大致呈线性增长。王忠帅[12]在桩周土为中砂条件下进行了多组不同桩长、桩径的开挖模型试验，结果表明:桩顶荷载不变的桩周土开挖过程中，增大桩长和桩径，都可以减小桩顶的沉降量，增大桩径较增大桩长趋势更明显。贾强等[13-14]通过数值分析揭示了既有建筑桩周土开挖过程中沉降量、相对滑移量和桩身侧阻力的变换规律，指出随着开挖深度增大桩侧阻力明显增加，靠近开挖面桩侧阻力增加更明显。

文章通过对一座框架结构建筑物桩周土开挖过程中，桩身轴力、侧阻力和端阻力的分布和变化规律进行数值分析，揭示其上部荷载向地基土体中的传递规律和桩基沉降规律，其成果可以为既有建筑地下空间的开发和利用提供重要的理论和技术支持。

1 桩周土开挖数值模型和分析工况

1.1 数值模型建立

数值分析对象为3层框架结构建筑物，拟利用桩基础托换增设地下室。该建筑物横向2跨、纵向3跨，柱距为8 m，如图1所示。

图1 建筑物平面图/mm

采用ANSYS有限元程序进行数值分析，选用SOLID45单元对地基、基础和上部结构分别建模，然后用布尔运算将三者合成一个整体。为减少运算量，考虑模型对称性的特点选取原结构1/4建模，即选取图1中黑框中的部分，其中桩周土开挖10 m的数值模型如图2所示。地基土的计算域，从桩基础向外侧和向下均延伸了10 m，地基土和桩基接触面上设置接触单元。混凝土材料选用线弹性本构模型，土体材料选用Drucker-Prager非线性本构模型，土体弹性模量取值2.6×108Pa[15]。

图2 桩周土开挖10 m的数值模型示意图

1.2 分析工况

数值分析首先对地下增层中随着开挖深度增大，上部荷载通过桩身侧阻力和端阻力向地基土的传递和分配进行模拟，并对桩基沉降进行研究。针对增加桩长、桩径、桩数量、桩—土间摩擦系数等提高托换桩承载力的技术措施进行分析，分析工况见表1。

表1 数值分析的工况表

2 桩周土开挖时桩基础荷载传递规律研究

2.1 荷载传递和分配规律

通过定义路径的方法，由ANSYS后处理得到桩身的应力，应力与桩身截面积相乘可得桩身轴力。其中，桩周土开挖10 m时，3-B轴、4-B轴和4-C轴处桩身轴力沿深度方向变化曲线如图3所示，由桩身轴力变化，推算出桩基础通过侧阻力传入土体中的比例。其中，3-B轴桩基础在表1各工况下通过侧阻力传入土体中的比例变化曲线如图4～8所示。由图4可知，随着开挖深度的增加，既有建筑物荷载通过侧阻传入土体比例减小，更多的桩身荷载由桩侧阻力转移到桩端阻力传入到土体中。这是由于开挖一段深度的桩周土后，该段桩身侧阻力消失，荷载相应向未开挖段侧阻力和桩端阻力转移。开挖深度达到某一临界值时，端阻力和侧阻力会充分发挥，最终达到极限荷载，需采取措施保证建筑物安全。

图3 桩开挖10 m桩身轴力变化曲线图

图4 桩周土不同开挖深度时荷载通过桩身侧阻力传入土体中的比例变化曲线图

图5 桩身长度改变时荷载通过桩身侧阻力传入土体中的比例变化曲线图

图6 桩径改变时荷载通过桩身侧阻力传入土体中的比例变化曲线图

图7 桩数量改变时荷载通过桩身侧阻力传入土体中的比例变化曲线图

图8 桩土间摩擦系数改变时荷载通过桩身侧阻力传入土体中的比例变化曲线图

由图5～8可知，随着桩身长度、桩径、桩数量和桩—土摩擦系数的增加，荷载通过桩侧阻力传递到土体中的比例明显增大，端阻力相应减小。这是由于随着桩身长度、桩径和桩数量增加，桩侧外表面积增大，分担了大部分桩身荷载。而桩—土摩擦系数的增加，在相同桩侧外表面积的情况下，增大了桩侧摩擦力。

2.2 桩基沉降规律

通过数值计算，得到不同工况沉降云图，其中桩周土开挖10 m时，沉降云图如图9所示。通过定义路径的方法，计算得到表1中各工况3-B轴桩柱脚处沉降值的变化情况，见表2。随着桩周土开挖深度的增大，桩基沉降会明显增加。而增加桩长、桩径、桩的数量以及桩土摩擦系数都能有效减少桩的沉降量。

图9 桩周土开挖10 m时沉降变化云图

根据上述数值分析结果，计算得到各工况参数与桩基沉降变化的对应关系以及桩侧阻传递荷载比例的对应关系见表3。增加桩长对于增大桩侧阻力所占比例，提高桩基承载力效果最好；增加桩径、桩数量和摩擦系数效果相近；增加桩径和桩数量对减少桩基沉降效果更明显。

表2 各工况3-B轴桩柱脚处沉降值表

表3 不同工况桩侧阻力传递荷载比例变化率和桩基沉降变化率表

3 结论

(1)既有建筑地下增层过程中，随着托换桩桩周土开挖深度的增大，建筑物荷载通过侧阻传入土体比例减小，端阻力和侧阻力会充分发挥，最终桩基承载力达到极限状态。同时，随着开挖深度增大，桩基沉降也会明显增加。

(2)通过增大桩长、桩径、桩数量和桩—土间摩擦系数等措施，可以提高荷载通过侧阻传入土体比例，增加桩身承载力。同时，也可以有效减少桩基沉降量。在增加桩的承载力方面，增大桩长度效果最好；在减少桩基沉降方面，增大桩径和桩数量效果最好。