基坑开挖对邻近单桩性状影响的数值模拟分析

摘要: 城市地下空间的开发利用对周围环境的影响，越来越被人们所重视。本文基于有限差分理论，利用三维数值模拟软件模拟基坑开挖对邻近桩基的影响,研究桩基在基坑分步开挖不同深度下的位移、附加弯矩等性状，并考虑桩土之间的接触，分析桩―土接触面上土压力分布规律。研究表明邻近基坑桩基产生的位移、附加弯矩和土压力与基坑开挖深度有很大关系。

关键词: 基坑开挖被动单桩附加弯矩 土压力

Abstract:the effect of city underground space development and utilizationof the surrounding environment, more and more attention by the people. In this paper, based on the finite difference theory, simulation software to simulate the influence of excavation on adjacent pile foundation by using 3D numerical study of pile in foundation pit excavation, displacement, different depth under the additional bending moment of characters, considering the pile soil contact, analysis of soil pressure on the pile soil contact surface distribution rule. Research shows that the displacement of adjacent pile foundation, the foundation of the additional bending moment has the very big relations with the depth of soil pressure and foundation pit excavation.

Keywords: passive pile additional moment of earth pressure of foundation pit excavation

中图分类号：TU473 文献标识码:A

0引言

在城市建筑密集地区进行基坑开挖，导致周边建筑破坏的事故时常发生。09年6月上海闵行区一在建13层住宅楼由于附近地下车库施工，导致所有桩基断裂，楼房连根拔起，整体倒塌。

基坑开挖对既有桩基的影响问题是典型的被动桩问题，国内外学者对此做过相关研究。

严人觉[1]等在上海宝钢进行了试验，测定了在大面积堆载下相邻桩的挠度和土的侧移。陈福全[2]采用有限元软件Plaxis对撑式基坑开挖对邻近桩基的性状影响进行二维分析，研究不同工况下桩基的附加弯矩、侧向位移，基坑开挖具有三维空间效应，二维很难准确模拟实际情况，并且无法考虑桩土相对位移。郑刚[3]采用三维有限元法进行了计算并与实测工程进行了对比。仅仅分析了桩基和基坑间距、桩基刚度、和桩基顶部约束条件等对桩基附加弯矩、位移的影响，没有分析桩侧土压力分布情况。

邻近基坑桩基产生侧向位移是由于桩周围土体移动造成的，而附加弯矩的产生则是因为桩和周围土体发生相对位移，使桩基承受较大土压力引起的。目前，国内外学者对此研究较少。本文采用三维有限差分FLAC3D软件建立计算模型，考虑桩土相互作用，研究分析基坑分步开挖中每一步开挖对邻近桩基的位移、附加弯矩和土压力分布的影响。

1计算模型与本构参数选取

1.1计算模型

计算模型选取方形基坑为研究对象，平面尺寸为60m×60m，考虑模型对称性取1/4模型进行计算。最大开挖深度Hmax=12m，地连墙高度H=24m，厚度B=0.8m，为减小边界效应的影响，模型三维尺寸取为90.8m×90.8m×50m。坑边x=30m和y=30m处分别设一道地连墙，既有桩基距基坑维护墙外侧5m，直径1m，桩长30m。模型外边界采用侧向约束，中心对称面采用对称边界，模型底部全约束，

1.2本构参数选取

计算时土体本构关系采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，土层简化为三层土，上层为黏土，中层为粉砂土，下层为粗砂土,土体参数见表1。

表1.土层计算参数

土层 密度ρ（g/cm3） ν 粘聚力c（kpa） 内摩擦角φ（。） 弹性模量E（Mpa）

黏土 2.05 0.35 24.7 23.2 8.7

粉砂 1.9 0.25 5 38 20

粗砂 1.9 0.25 0 38 40

围护地连墙变形和坑外桩基变形处于弹性范围，采用均质各向同性弹性模型模拟，强度按C30混凝土取值，考虑80%强度折减后弹性模量Ec=24 GPa，μc=0.2，ρ=2500kg/m3。基坑内设9根支护立柱桩，采用Pile单元模拟，直径0.8m，间距10m，桩长36m。共设3道支撑，采用Beam单元模拟，间距也是10m，第一道支撑截面为600mm×600mm，设在深度为0m处，其余两道为400mm×400mm分别设在深度为4m和8m处。

1.3 桩―土接触面的确定

在数值模拟时，不考虑接触作用往往导致计算结果与实际结果不符[4]。FLAC3D中接触面采用的是无厚度的接触面单元，接触面本构模型采用的是库伦剪切模型。本文采用“硬”接触面，即相对于材料接触面是刚性的，在荷载作用下可以产生滑移和分离的真实接触面。其中，法向刚度kn和剪切刚度ks按下面公式确定。

K为体积模量，G为剪切模量，Zmin为接触面法向连接区域的最小尺寸。

2地连墙的侧向变形

基坑开挖引起的土体卸荷，首先导致围护结构变形，因此围护结构的安全与否，直接关系周边环境安全。本文模拟基坑分三步开挖，每次开挖4m，均为先支后挖。

随着开挖深度增加，地连墙侧向位移明显增大，产生最大位移的位置也不断下移，但总在开挖面附近，开挖结束后最大侧向位移为δ=44.2mm，位置在深度为11.5m处。

3桩基性状分析

基坑开挖导致土体产生较大的水平位移而使邻近桩受到侧向土体压力的作用，从而使桩基产生位移和附加弯矩。

3.1桩基位移

基坑在分步开挖下，桩基的位移曲线与地连墙位移曲线相似，随开挖深度的增加，桩基侧向位移不断增大，且最大位移的位置也逐渐下移，和基坑开挖深度保持一致。开挖结束后，桩基最大侧向位移达到30.3mm，位置在桩基深度12.5m处，较地连墙产生最大侧移的位置深一些。

3.2桩基弯矩

桩基的弯矩亦随开挖深度的增加而增大，且呈非线性增长，桩基产生最大弯矩的位置逐渐下移，但总在开挖面以下，这对有些下部配筋少的灌注桩比较危险。

3.3桩基土压力分布

基坑开挖卸荷导致坑外土体移动，势必对影响范围内的桩基产生一定的压力。通过模型计算得到自由场的土移，然后与桩基位移相减得到桩土相对位移可知，3m以内桩土相对位移较小，且随开挖深度增大，由负值变为正值，3m―20m桩土相对位移较大且随开挖深度增大而增大，20―30m桩土相对位移最小，随开挖深度增大变化不明显，但桩端桩土相对位移为正值。桩上部分布较小土压力为的抗力，桩中部分布较大的土压力，为指向坑内的推力，下部土压力随深度增加抗力和推力交替出现，桩端分布较大的抗力这与桩土相对位移是吻合的。随基坑开挖深度增大，土压力分布变化较大，上部抗力逐渐变大，中部推力数值和范围均增大，且最大推力位置逐渐下移，下部抗力范围逐渐减小，数值却增大，桩端抗力明显增大。

4结语

本文采用三维土工软件FLAC3D模拟分析基坑开挖对既有桩基的性状影响，发现：

（1）基坑开挖使临近桩基既发生整体平移，又产生弯曲变形，桩基侧向位移随基坑开挖深度增大而增大，最大侧移点的位置发生在桩基中部且随开挖深度增大逐渐下移。桩身附加弯矩也随开挖深度的增大而呈非线性增加。

（2）基坑开挖使临近桩基产生很大的附加桩侧土压力，桩身上部和下部分布为指向坑外的抗力，中部分布很大的指向坑内的推力。

参考文献：

[1] 严人觉.被动桩群的足尺试验[A].第四届土力学及基础工程会议论文集[C].北京:中国建筑工业出版社，1986，22一227.

[2] 陈福全，汪金卫，刘毓氚.基坑开挖时邻近桩基性状的数值分析[J].岩土力学,29(7),2008.7,1972―1976.

[3] 郑 刚，颜志雄，雷华阳，雷扬.基坑开挖对临近桩基影响的实测及有限元数值模拟分析[J].岩 土工程学报.

[4] 范巍,王建华,陈锦剑.连续墙与土体接触特性对深基坑变形分析的影响[J].上海交通大学学报,2006, 40(12): 2118-2121.