深基坑开挖对邻近桩基侧向变形规律分析

许小龙 张舵 潘自强

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2311-5042-3083

作者简介：

许小龙（1983—），男，本科，工程师，研究方向为土木工程。通信作者：许小龙（1983—），男，本科，工程师，研究方向为土木工程。E-mail：1181501806@qq.com。

普通作者：张舵（1986—），男，本科，工程师，研究方向为土木工程。

潘自强（1985—），男，本科，工程师，研究方向为土木工程。

摘  要：为研究基坑开挖施工过程中邻近桩基的力学特性及变形特征，采用Midas有限元软件，通过对不同开挖深度、不同桩径、与相邻挡土结构距离不同的深基坑开挖进行模拟分析。研究表明，开挖时支护结构侧向变形是将影响基坑桩基的水平和竖向承载性的主要原因。基坑开挖深度对桩基位移有一定影响，桩径增大或与挡土结构距离增大都会对位移和变形产生影响。

关键词：深基坑  围护结构  力学性质  数值模拟

中图分类号：TU758.11

随着改革开放，我国经济飞速发展，各大城市对地铁的需求不断增长，地铁的兴建大多数建设于国内的城市中心，导致地面空间资源紧缺，如何开发利用建筑物地下空间，提高土地资源利用率成为解决该问题的必然选择。因此大量地下工程相继建成，但伴随的基坑施工安全问题也日益增多，基坑开挖引起的工程事故层出不穷。特别是坑内既有桩基开挖引起的桩侧水平和垂直位移，不仅影响坑内桩基的摩阻力，而且影响桩基础的受力特性。所以，探讨围护结构侧向变化产生的基坑外混凝土体位移场，对于确定基坑施工对坑内钢筋混凝土结构受力性状影响，以及探讨基坑施工变形的指标等有着非常重大的研究价值。

目前，已有许多工程案例[1-2]，针对基坑开挖引起侧向结构位移分析。在实际施工中，围护结构侧向变形是衡量整体结构变形最直观的指标，但围护结构侧向变形也会影响基坑内土体和支护体系的应力分布和稳定性[3-6]。范怡飞等人[7]通过采用增量有限差分法求解非线性基础梁的控制方程，相邻桩体在开挖时的响应结果与实测结果基本一致；杨宝珠等人[8]通过工程实例采用有限元分析方法对基坑开挖引起的斜桩竖向承载力进行了研究；许莉等人[9]提出由于工程的不确定因素过多，利用反距离加权插值法确定变形分析。黄展军等人[10]通过室内试验并使用数值模拟验证，确定出围护结构合理的加固范围。

本文以武汉地铁12号线工程为基础，主要分析围护结构侧向位移对坑内土体和临近桩基的沉降程度。以深基坑开挖对邻近桩基础的影响为研究对象，本研究聚焦于开挖时导致邻近桩基础与围护结构发生侧向变形的影响规律。通过深入分析这些因素的相互作用，旨在为今后类似工程提供有价值的参考。

工程实例

本工程是武汉地铁12号线，汉钢站的起止里程为左DK52+677.75～DK52+877.75，车站外包长度为200.00 m，宽度为50.7 m，开挖深度为30.6 m，采用盖挖逆作法进行施工。汉钢站主要有粉质黏土、淤泥质黏土层等不良地层，车站位于长江Ⅰ级阶地。围护结构由1 000 mm的地连墙防水结构和超深钢管桩定位组成，如图1所示，对其稳定性进行分析。

2 有限元模型

本文利用有限元软件Midas GTS NX对基坑开挖过程进行数值模拟分析，由于工程具有对称性，为简便计算步骤，选取实际工程的1/4为有限元分析的研究对象。如图2所示。

3  影响因素分析

3.1 开挖深度的影响分析

为了探究不规则基坑开挖深度对临近桩的变形规律，故选试验桩Q8。通过有限元分析不同开挖深度，研究桩基侧向变形。具体如图3所示。

从图3可以看出，在基坑开挖过程中，开挖深度对桩基侧向变形规律趋势是相似的。随着开挖深度的增加，桩基会增大，周围土体的卸载和隆起反应会导致桩基发生线弹性桩基变形。从图中可以看出，最大偏移量（8mm）出现在开挖5处。

3.2 桩径的影响分析

桩基础的变形特性受其桩径大小的影响，桩径越大，桩基础的变形越明显。不同桩径对邻近桩基的变形规律不同，选定桩径为0.6 m、0.8 m、1 m、1.2 m、1.4 m进行分析，如图4所示。

由图4可知，桩基的侧移与桩径呈递进关系，随着桩径的继续增加，其桩基偏移愈见缓慢。由此可以推断，在一定范围内，其增长幅度呈衰减趋势，当超过一定限值时，桩基侧移量提升并不明显，因此在使用时要合理选取桩径。

3.3桩基与围护结构距离影响分析

在基坑开挖施工的工程中，不同的桩基与围护结构的距离是不同的，通过分析不同桩基与围护结构相邻近的桩基变形特征，分别取离围护结构为10 m、15 m、23 m、34 m、50 m进行研究分析，如图5所示。

由图5可知，桩基与围护结构的距离呈递进关系，随着桩基与围护结构越远，其桩基偏移量愈大。因为土体会产生“土拱效应”，使得桩基间距选取影响着桩身受力情况，合理的间距可以节省材料，降低成本。

4 结论

本文以武汉市地铁12号线深基坑开挖工程为例，探讨了盖挖逆作法施工过程中深基坑开挖对周边桩基的影响因素，并得出以下结论。

（1）坑开挖深度是影响邻近桩基侧向位移的重要因素，桩基础的侧向位移随着基坑开挖深度的增加而呈现增加的趋势。

（2）过对基坑开挖模拟结果的分析，发现桩径的大小对邻近桩基的位移变形有影响，桩径越大，位移变形越大，但是当桩径超过一定范围时，位移变化不明显。

（3）基坑邻近桩基的侧向位移与围护结构的距离有着呈反比增长的趋势。但随着距离的增加，可以推断出，当超过一定范围，桩基的侧移变化量并不明显。

通过对邻近桩基不同开挖深度、不同桩径、不同与围护结构距离的深基坑开挖进行有限元分析模拟结果分析可知，开挖深度对桩基位移具有一定的影响，增大桩径或增大与围护结构的距离都会产生位移变形影响，但是具有一定的影响范围。而这种方法并非适用于所有情况，为了兼顾安全和经济，我们需要寻找更优化的支护组合方式，以降低工程成本，为同类基坑工程的支护设计提供借鉴。

参考文献

[1]刘国锋，徐杨青，吴西臣.连续墙埋置深度对超深基坑降水效果的影响研究[J].工程勘察，2014，42（1）：51-58.

[2]徐杨青，朱小敏.长江中下游一级阶地地层结构特征及深基坑变形破坏模式分析[J].岩土工程学报，2006（S1）：1794-1798.

[3]李芳宝，龙喜安.佛山地区深厚软土地层地铁深基坑支护结构变形特性与适用性分析[J].隧道建设（中英文），2022，42（S2）： 294-304.

[4]侯明锋.地铁车站深基坑开挖对邻近高架桥桩基的影响[D].淮南安徽理工大学，2023

[5]刘维正，葛孟源，万家乐，等.考虑空间效应的桩锚支护深大基坑变形特性及影响因素数值分析[J].铁道科学与工程学报， 2021，18（12）：3188-3200.

[6]房师军，付拥军，姚爱军.某地铁工程深基坑排桩围护结构变形规律分析[J].岩土工程学报，2011，33（S1）：223-226.

[7]范怡飞，王建华，戴笑如.基于土体的大变形分析钻井船插桩对邻近桩的影响[J].岩土工程学报，2018，40（1）：91-99.

[8]杨宝珠，王丽，郑刚.基坑开挖引起邻近桩倾斜时竖向承载性状有限元分析[J].岩土工程学报，2008，30（S1）：144-150..

[9]许莉，林鑫，徐杨，等.深基坑地下连续墙支护结构侧向变形的改进指数平滑法预测[J/OL].应用基础与工程科学学报：1-20[2024-04-01].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.3242.TB.20231025.1610.002.html.

[10]黄展军，熊伟，管凌霄，等.基坑底部土体墩式加固模型试验与数值模拟[J].地下空间与工程学报，2023，19（S1）：219-225，253