桩基开挖对邻近桩基受力性状的敏感性分析

黄武英

摘要：基坑开挖的卸荷会对周边的土体产生影响，其中尤其需要关注的问题是土体侧向移动对邻近桩基的不利影响。伴随着基坑的开挖，邻近桩基将会产生侧向位移以及附加应力和弯矩，严重的将使上层建筑产生破坏而无法使用。文章采用有限元软件PLAXIS8.5模拟内支撑排桩支护的基坑开挖过程，分析基坑开挖时对临近双排桩基可能产生影响的因素，主要包括支护结构刚度、工程桩刚度以及桩基距离基坑开挖面距离，并利用正交试验设计分析其影响大小。

关键词：基坑开挖;数值模拟;桩基;相互作用

中图分类号：U445.551 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.038

文章编号：1673-4874（2019）09-0133-04

0引言

随着我国城市建设的发展，地下空间开发日益普遍，基坑工程逐渐朝着大、深、多的方向发展。基坑开挖使工体产生侧向的移动对邻近桩基影响较为显著，基坑开挖使周边土体产生水平向的位移，可能使邻近桩基产生侧向位移、附加应力和弯矩等，对桩基产生较大的危害，所以需要对基坑开挖时邻近桩基的受力性状进行分析。

目前，各国学者在基坑开挖对邻近桩基的影响方面进行了许多研究。张陈蓉等采用简化的两阶段方法对邻近桩基进行了分析。杜金龙等基于弹塑性理论法和P-y曲线法，求出了基坑开挖对邻近桩基的弹塑性解。梁发云等对被动单桩受轴向荷载作用进行了简化，并对其耦合效应进行了分析。张爱军等运用两阶段分析方法分析了基坑开挖对于临近桩基的影响，但该简化方法仅仅是对基坑开挖对邻近桩基的影响机理和规律进行简单的分析，没有很好地解决复杂的工程地质条件下的问题.由于能考虑复杂地层情况、开挖工况以及支护结构的影响，数值分析已经成为基坑工程中较为可靠、有效的方法。

本文采用岩土工程有限元软件PLAXIS 8.5对内支撑基坑开挖对邻近桩基的形状进行了二维模拟，并分析支护结构刚度、工程桩刚度以及桩基距离开挖面距离在不同程度下的影响，并利用正交试验设计分析它们影响的显著性。

1基坑概况与有限元模型

为将工程情况简化，我们忽略纵向边界的影响，在有限元当中将桩基设为板，并按下式换算桩的弹性模量：

式中：P——工;

s——桩;

u——相邻桩中心距离;

d——桩径。

在有限元中，土体采用15节点三角形单元，支护结构采用3节点梁单元模拟。基坑长为12m，开挖深度为8m，上层为软黏土（厚4m），下层为中密砂（厚26m）。两工程桩桩长为18m，桩径为0.8m，两桩中心之间距离为2m，邻近桩距离开挖面L。由于基坑剖面左右对称，故仅取左半部分进行建模分析。分析模型示意图如图1所示。

图2为利用PLAXIS所建立的有限元模型和划分的网格。全局采用细的网格划分，并对支护结构和工程桩的周边进行局部加密网格划分.将左右两边界采用水平向约束，底边界采用固定约束。支护结构、工程桩以及内支撑均采用线弹性模型，工体采用摩尔-库仑模型。支护结构两侧与工体之间的相互作用通过界面单元考虑对土体摩擦角的折减来实现。

2基本算例

本文在基坑外围设置双排桩，桩顶无附加应力，分析不同开挖深度对临近桩的影响。表1为土体参数。

通过式（1）可得支护结构弹性模量刚度EI=200.0MN·m/m，邻近工程桩的弹性模量刚度EI=1000.0MN·m/m，泊松比均为0.15，内支撑轴向刚度EA=2000MN/m，L=2.0m。开挖总共分为四个阶段，每个阶段开挖2m，内支撑在开挖2m时浇筑完成。图3、图4为双排桩在4个不同的开挖阶段桩身的水平位移和弯矩变化图。图3（α）、图4（α）纵坐标为桩身位置，横坐标为桩身水平位移，负值代表桩身向基坑方向运动，下同。图3（b）、图4（b）纵坐标为桩身位置，横坐标为桩身弯矩，正值代表背离基坑一侧的桩身受拉，下同。

从图3中可以看出，两工程桩的水平位移和弯矩随着开挖深度的增大而增大。水平位移由于顶部内支撑的缘故，呈现中间大、上下部分较小的现象，水平位移最大值也随开挖深度的增大而增大;弯矩变化呈现双曲线变化的趋势，最大弯矩出现的位置幾乎不随开挖深度的改变而改变。

从图4中可看出，在不同开挖深度的情况下，左右工程桩的水平位移大小和变化趋势基本一致，弯矩变化趋势与左工程桩基本一致，但是弯矩值却相对减小很多。另外，桩身弯矩最大值出现的位置也不一样，左工程桩最大弯矩出现的位置要比右工程桩高一些。

3正交试验设计

3.1正交试验设计理论

正交试验设计就是从全面试验中挑选出部分具有“均匀、整齐”特点的代表性点进行试验。正交试验的工具是正交表，因素所处的不同状态为水平。正交表记为L（r× r×…×r），n为行数，表示试验次数;m为列数，即试验最多的因素个数。当r=r=…=r=r时，通常将正交表记为L（r）。

采用极差分析方法计算极差R（j=1，2，…，m）。假设X为第i个因素的第i水平值;Y为X对应的试验值，在X下做n次试验得到的n个结果，记为Q（k=1，2，…，n），则有：

通过对极差R的排序，确定影响桩基受力性状的主导影响因素。

3.2 试验设计

本文主要分析支护结构刚度、工程桩刚度以及工程桩距基坑开挖面距离的影响。以这3个因素，每个因素取3个水平，制作正交表，计算3个因素的极差。参数取值范围和因素水平见表2。

由上文的因素个数及其水平数，选定最接近的正交表L（3），设计如表3的表头和试验安排，其中A为支护结构刚度，B为工程桩刚度，C为工程桩距离基坑开挖面距离，下文的桩基最大位移将分为工程桩左排桩和右排桩最大位移。

根据上述正交试验设计，将三个影响因素的不同水平按照试验设计进行模拟，并得出工程桩左、右排桩的最大水平位移和桩身位移曲线。见图5-6。

4试验结果分析

4.1试验结果分析

从所得工程桩水平位移分布图可看出，两工程桩的水平位移变化很接近，左工程桩的水平位移稍大一些。

将试验1-3、试验4-6、试验7-9进行对比，分析工程桩刚度变化对桩的性状的影响，可发现工程桩刚度不同时，基坑开挖时邻近土体的变形场是不同的。两工程桩的桩身水平位移曲线刚开始呈中上部鼓胀型曲线，随着工程桩刚度的增加，慢慢变成底部鼓胀型。在试验1中，就最大位移而言，开挖8m时左工程桩最大位移达到33.7mm，右工程桩达30.6mm。工程桩刚度达到200。（MN·m/m）后，在试验7-9中，左工程桩的最大位移达到10.1mm，右工程桩达到7.9mm。由此可得出，工程桩刚度越大，工程桩的水平位移越小，当工程桩刚度达到某一程度时，对工程桩的影响可忽略不计，但如果工程桩的刚度过小，将使邻近工程桩产生较大的位移。可见，工程桩的刚度是一个非常重要的影响因素。

将试验1、4、7和试验2、5、8以及试验3、6、9进行对比，分析支护结构刚度变化对工程桩性状的影响，可发现在工程桩刚度一定，支护结构刚度不同时，两工程桩从中部鼓胀型的曲线变成上部鼓胀型，且两工程桩的最大位移越来越小。桩身弹性模量相对较小时，形状类似于柔性柱，最大的位移并不是出现在桩头处，而是出现在桩的中上部。桩的弹性模量相对较大时，桩身位移基本呈线性变化。支护结构的刚度越大，工程桩的最大位移越接近桩底，且桩底的最大位移基本都在10mm左右.

将试验1、6、8和试验2、4、9以及试验3、5、7进行对比分析，桩身水平位移在工程桩刚度增大，而工程桩距基坑开挖面距离减小时，工程桩中上部水平位移减小，可见工程桩刚度对工程桩水平位移的影响比工程桩距基坑开挖面距离的影响要小。在工程桩刚度一定时，当支护结构刚度增大而工程桩距基坑开挖面距离减小时，工程桩水平位移减小，可见支护结构刚度对工程桩水平位移的影响比工程桩距基坑开挖面距离的影响要大。

4.2 正交试验极差分析

根据表4-5，极差A>C>8，因此可得出支护结构刚度增加对工程桩水平位移的影响要大于工程桩距基坑开挖面的距离;而基坑距离开挖面的距离对工程桩水平位移的影响又要大于工程桩刚度的影响。此外，从以上两表还可以看出，工程桩水平位移随着支护结构刚度、工程桩刚度以及工程桩距基坑开挖面距离的增大而减小，三者都起着积极作用。空列的極差要大于工程桩刚度的极差，可见另有其他未考虑的因素要比工程桩刚度的影响更大。

5 结语

本文采用有限元软件Ploxis 8.5分析了内支撑基坑开挖对邻近工程桩的影响，分别研究双排桩在不同影响因素下水平位移的情况，可得到以下结论：

（1）随着开挖深度的增加，邻近工程桩产生的水平位移和弯矩增大。在基本算例的情况下，邻近工程桩的最大水平位移和最大弯矩出现在中上部。两工程桩水平位移相差不大，但弯矩相差很大。

（2）当支护结构刚度、工程桩刚度以及工程桩距基坑开挖面距离变化时，工程桩所产生的水平位移将发生变化。工程桩水平位移随三者的增大均呈现减小的趋势，可见三个因素的增大都起着积极作用.

（3）由正交试验结果可得出，在影响的显著性方面，支护结构刚度的影响要大干工程桩距基坑开挖面距离的影响;而工程桩距基坑开挖面距离的影响要大于工程桩刚度的影响。

（4）由于空列的极差大干工程桩刚度的极差，因此有其他本文未考虑的因素对工程桩水平位移的影响要比工程桩刚度的影响大。