基坑开挖对坑内工程桩的影响及保护措施研究

上海中环投资开发（集团）有限公司 上海 200060

1 研究背景

基坑工程在施工过程中，对坑底土是一个卸载的过程，因而会造成坑底土体回弹隆起，而且基坑开挖深度越大，坑底土体的回弹隆起也就越明显。由于土体的隆起，对桩体产生了向上的摩阻力，从而导致工程桩上浮，桩身受拉（图1）[1-3]。这种效应不可忽视，严重时工程桩可能会被拉断。如上海某基坑开挖深度13 m，基桩采用长30～37 m钻孔灌注桩，基坑开挖完成后，基桩检测结果表明，约30%工程桩在桩身中部发生断裂，造成了严重的质量缺陷[4]；广东东莞市某基坑开挖深度5.0 m，采用长12～20 m PHC管桩，基坑开挖完成后经高应变测试，40%的桩基承载力达不到设计要求，使工程一度陷入瘫痪[5]。

图1 受回弹影响的基桩受力情况

为了研究工程桩在基坑开挖过程中受到的影响，笔者采用有限差分软件FLAC对这一过程进行了模拟。相比于一般的有限元分析软件，FLAC能够更合理地模拟材料的塑形破坏和塑形流动，并且对于大变形的情况也有较好的计算效果，因而对岩土工程较为适用[6]。

在民用建筑的基坑施工中，涉及得较多的是1层或2 层地下室，其开挖深度一般为5～10 m，故本文选取开挖深度为10 m的基坑工程作为本文的研究对象。

2 数值模型的建立

所研究的基坑工程地处上海，其开挖深度为10 m，围护桩长度22 m，插入比为1∶1.2。工程桩先于围护桩进行施工，长度为30 m。工程桩距围护桩的水平距离为4 m。选取基坑的一个断面进行研究，并利用对称性，选取基坑断面的1/2作为分析对象，开挖宽度为15 m。基坑采用2 道钢筋混凝土支撑。

为减小计算中边界效应的影响，模型宽度取为3 倍的基坑开挖宽度，模型底部距工程桩桩底20 m。模型尺寸为45 m×60 m。土体网格尺寸1 m×1 m。模型约束条件为底边界固定约束，左右边界水平方向约束，上边界自由，如图2所示。

围护桩和工程桩采用beam单元模拟，并通过接触面单元与两边土体进行连接。支撑同样采用beam单元模拟，支撑的左节点同围护桩的节点进行固结，右节点约束水平方向位移。土体本构模型采用 Mohr-Coulomb模型。

3 算例参数的确定

土层为上海典型土层，场地土层从上到下依次为：①填土、②黏土、③淤泥质粉质黏土、④淤泥质黏土、⑤1黏土、⑤2粉质黏土、⑥暗绿色粉质黏土、⑦粉砂、⑧黏土。土的本构模型采用Mohr-Coulomb模型，其计算参数见表1。

图2 FLAC模型及网格

表 1 土体参数

围护桩采用Φ700 mm@1 000 mm的钻孔灌注桩，桩长22 m，混凝土强度等级为C30，工程桩采用Φ700 mm的钻孔灌注桩，送桩至坑底，有效桩长30 m，混凝土强度等级为C30。基坑采用2 道钢筋混凝土支撑，混凝土强度等级C30，第1道支撑距坑顶1 m，第2道支撑距第1道支撑4 m且距离坑底5 m，2 道支撑的截面均为800 mm×800 mm。考虑坑边6 m范围内有施工超载10 kN/m2。

4 数值计算结果与分析

本基坑工程可以划分为3 个开挖工况：

工况1：开挖至地表以下1 m，并设第1道支撑；

工况2：开挖至地表以下5 m，并设第2道支撑；

工况3：开挖至地表以下10 m，基坑开挖完成。

通过对各个工况的模拟计算，可以得出工程桩的位移及受力情况。

4.1 桩顶竖向位移

不同开挖工况下，工程桩的桩顶竖向位移见表2（向上为正）。可以看出，随着基坑开挖深度的增加，坑底土体卸载回弹，工程桩的桩顶竖向位移逐渐增加 ，最大时达到17.48 mm。

4.2 桩身轴力

表2 各工况时的桩顶竖向位移

不同开挖工况下，工程桩的桩身轴力见图3（受拉为正）。因工况1对桩身轴力的影响较小，故图中只标明了工况2和工况3下的桩身轴力。由图3可以看出，当基坑开挖卸载时，工程桩桩身受到了较大的拉力作用，且随着开挖深度的逐渐增大，桩身所受到的拉力不断增大，当开挖到10 m时，桩身最大轴力达到了313.5 kN。此桩身所受上拔力，基本达到了桩身抗拉强度（仅考虑预应力承受拉力）。因此，对地下2层的地下室来说，当采用PHC管桩作为抗拔桩时，管桩的直径应采用500 mm及以上的桩型。

图3 各工况下的桩身轴力

4.3 桩侧摩阻力

不同开挖工况下，工程桩的桩侧摩阻力见图4（向上为正）。由图4可知，基坑开挖时，桩身上部受到向上的正摩阻力，桩身下部受到向下的负摩阻力，在桩身中间位置出现中性点。且与图3比较可知，中性点的位置对应于桩身最大轴力的位置，此位置位于坑底以下12.5 m处。

5 对工程桩的保护措施

根据上海地区的基坑工程施工经验，在基坑施工中，对工程桩的抗隆起保护，主要要注意以下2 点：

（a）保证工程桩足够的插入深度。工程桩的施打必须满足设计要求，桩底需插入持力层足够的深度，保证工程桩在基坑挖土卸载时不会发生较大的位移。

（b）对坑底土体进行加固。基坑工程中常见的坑底土体加固措施主要包括双轴/三轴水泥土搅拌桩法、注浆法、高压旋喷法[7,8]。通过对坑底土体的加固，可以增强土体的强度，减少坑底土体的回弹，从而起到了保护工程桩的作用。

其中，双轴/三轴水泥土搅拌桩法由于其造价经济，且适宜于软土，因而在上海地区得到了广泛的应用。

6 水泥土搅拌桩加固效果分析

对于本工程案例，拟采用水泥土搅拌桩法进行坑底土体加固。为对比研究，采用了2 种加固方式。一种方式是加固宽度取8 m，加固深度取4 m；另一种方式是加固宽度取4 m，加固深度取8 m（图5）。

图5 水泥土搅拌桩的2 种加固方式

6.1 水泥土搅拌桩计算参数

采用双轴水泥土搅拌桩，水泥掺入量为13%，水泥土的设计计算参数如表3所示，各参数表示同表1。

表3 水泥土计算参数

6.2 桩顶位移计算结果

以开挖10 m为参照标准，将各种加固方式下工程桩的竖向位移加以比较，见表4。由表4可知，采用8 mm×4 mm的加固方式，其控制效果要略好于采用4 mm×8 mm的加固方式。

表4 各种加固方式后的桩顶竖向位移

6.3 桩身轴力计算结果

以开挖10 m为参考标准，将2 种加固方式下工程桩的桩身轴力加以比较，如图6所示。从图6可看出，坑底采用8 m×4 m（宽×深）的加固方式，工程桩所受上最大拔力为260.7 kN，而采用4 m×8 m的加固方式，工程桩所受上最大拔力为273.0 kN。这也进一步证明，采用宽度较大型式的加固效果优于采用深度较大型式的加固效果。

图6 各种加固方式下的桩身轴力

7 结语

（a）基坑开挖的回弹隆起会对工程桩产生上拔的侧摩阻力，从而导致预先施工的工程桩上浮，并且使桩身受拉。随着开挖的不断加深，工程桩的位移和桩身所受拉力也不断增大。因此，在工程桩的抗拔或抗压设计时，应充分考虑卸土导致坑底土的回弹而引起工程桩承受上拔力的不利工况，适当加大工程桩的桩身配筋。

（b）在保证工程桩足够的插入深度的情况下，并在基坑施工时对坑底土体进行一定的加固，可以起到保护工程桩的作用，从而减小基坑施工过程中坑底土体回弹对工程桩的不利影响。

（c）水泥土搅拌桩是一种软土地区常用的坑底加固形式。通过计算的对比，表明在同样的水泥土方量下，采用宽8 m、深4 m的加固方式，比采用宽4 m 、深8 m的加固方式能更有效地保护工程桩的安全。