既有工程桩对深基坑力学变形特性影响分析

2018-08-06李承超周爱兆张静玉

江苏科技大学学报(自然科学版) 2018年3期

李承超,周爱兆,张静玉

(江苏科技大学土木工程与建筑学院, 镇江 212003)

基坑开挖前一般要先在预定位置施加工程桩,大深度开挖引起的土体回弹必然对工程桩产生上拔力,由于桩土摩擦作用,坑底分布的工程桩抑制了坑底土体的变形,降低了隆起量．局部密布的工程桩是对坑底土体的一种加固,可以有效地减少围护结构的水平位移．因而,探讨坑底工程桩影响下的深基坑力学变形特性,对基坑工程建设具有重要意义．

近年来国内外对坑底工程桩力学特性与基坑变形的相互作用研究已取得了较为丰硕的成果,并积累了大量的工程经验．文献[1]最早提出了坑底土体竖向回弹引起坑底桩基上拔的问题．文献[2]通过有限元分析指出深基坑开挖由于土体回弹作用,降低了工程桩的承载力和轴向刚度．文献[3]在不考虑桩身自重的前提下,通过桩体回弹量和桩侧摩阻力的分布,提出了立柱桩在均质土开挖情况下回弹的计算方法．文献[4]通过分析不同开挖深度下基桩力学特性,得到了基坑开挖对桩周侧摩阻力、基桩刚度与承载力的影响规律．文献[5]分析了坑底隆起将工程桩桩身拉裂的原因．文献[6]利用FLAC软件,针对软土超深基坑,分析了坑内工程桩对抗隆起稳定的影响规律以及作用机理．文献[7]利用ABAQUS软件分析了存在工程桩和不存在工程桩基坑开挖和降水下的三维模型,通过对比分析了基坑开挖降水过程中基坑隆起的基本规律．文献[8]设置了坑底无桩和坑底有桩两种情况,利用强度折减法分析了软土深基坑变形和隆起的变化规律．以上研究大多是分析工程桩的力学特性以及基坑的变形,对既有工程桩下基坑支护结构的应力变化分析不够系统,缺乏深开挖卸载不同工况下基坑应力和变形特性的统一认识．

文中利用有限元软件MIDAS NX,通过建立坑底无桩、坑底群桩两种有限元模型，计算不同施工工况下的围护桩变形受力、桩身侧向土压力变化、坑后地表位移以及不同工况卸土后土体隆起量,并对比了两种模型的计算结果．

表1 土层参数Table 1 Geotechnical parameters of soils

1 模型和参数

文中利用MIDAS NX软件建立平面有限元模型，模型尺寸为104 m×60 m,开挖深度H=10 m．基坑整体采用灌注桩+两道混凝土内支撑的支护体系,灌注桩桩长24 m,桩径800 mm．第一道内支撑截面为700 mm×800 mm,第二道内支撑为800 mm×800 mm．工程桩桩长40 m,直径1 000 mm,间距4 m．

考虑桩土相互作用,在桩土界面上设置接触面,接触面采用理想弹塑性库伦摩擦模型,即通过接触面上的切向应力和法向应力来描述接触[10]．为了充分模拟基坑开挖施工过程的实际情况,需将模型分成若干工况进行计算,具体步骤见表2．图1为无工程桩时基坑有限元计算模型,图2为坑底群桩时基坑有限元计算模型,两者取相同的计算条件,便于对比分析工程桩对基坑开挖受力变形的影响．

表2 基坑开挖施工工况Table 2 Construction conditions during excavation

图1无工程桩时基坑及有限元计算模型

Fig.1Modeloffiniteelementwithnofoundationpiles

图2 坑底群桩时基坑及有限元计算模型Fig.2 Model of finite element with foundation piles groups

2 计算结果对比

2.1 围护桩变形及受力

(1) 围护桩桩身变形

不同工况下的围护桩水平位移随深度变化曲线如图3．位移变化曲线总体自上而下逐渐减小;当进行第一次开挖时,工程桩对围护桩的影响不大;当开挖到坑底时,工程桩加固了坑底土体,增加了对围护桩的侧向约束,从而减小了桩身位移;坑底无桩时围护桩的最大水平位移为19.9 mm,坑底群桩的最大位移为15.2 mm,位移减少了24%,约束效果明显．

图3 不同工况下围护桩水平位移随深度的变化曲线Fig.3 Variation of horizontal displacement with depth of retaining piles in different conditions

(2) 围护桩桩身弯矩

规定基坑外侧(受拉侧)弯矩为正值,围护桩的桩身弯矩随深度变化曲线如图4．第一步开挖时,桩身最大弯矩出现在卸土完成-4.0 m处,工程桩对桩身悬臂部分弯矩没有影响,增加了嵌固段的正弯矩;第二步开挖至坑底时,由于第二道内支撑的约束作用,同样在-4.0 m处桩身弯矩出现最大负弯矩,桩身最大正弯矩出现在坑底附近．工程桩加强了对桩底部的约束作用,致使围护桩嵌固段出现了锚固弯矩,从而桩身最大弯矩比无工程桩时的弯矩大．

图4 不同工况下桩身弯矩随深度的变化曲线Fig.4 Variation of moment distraction with depth of piles shaft in different condition

2.2 侧向土压力变化

(1) 桩后主动土压力

图5、图6分别为工况3和工况5下的桩后主动土压力随深度变化的曲线．无论是第一步开挖还是第二步开挖,工程桩都导致围护桩承受的主动土压力变大,且随深度的增加效果越来越明显．

图5 工况3开挖下桩后主动土压力随深度的变化曲线Fig.5 Variation of active earth pressure with depth of piles for the 3th excavation condition

图6 工况5开挖下桩后主动土压力随深度的变化曲线Fig.6 Variation of active earth pressure with depth of piles for the 5th excavation condition

(2) 桩前被动土压力

不同开挖工况下的桩前被动土压力如图7、图8．当第一步开挖时,桩前被动土压力区别不大;当开挖至坑底时,由于坑底工程桩的存在,加桩时的被动土压力明显比不加桩的大,坑底群桩时的最大被动土压力为397.9 kPa,而坑底无桩时的最大被动土压力为292 kPa,增加了36%,工程桩加固了被动区土体,从而增大了桩前被动土压力．

图7 工况3开挖下桩前被动土压力随深度的变化曲线Fig.7 Variation of passive earth pressure with depth of piles for the 3th excavation condition

图8 工况5开挖下桩前被动土压力随深度的变化曲线Fig.8 Variation of passive earth pressure with depth of piles for the 5th excavation condition

2.3 坑后地表位移

不同开挖段坑后地表位移变化曲线如图9．基坑周边地表以沉降为主,离坑边距离越远,沉降量越小并逐渐趋向于0．坑底加桩情况下的地表沉降量明显比坑底无桩时的小,出现最大沉降量的位置也比坑底无桩时滞后．坑底加桩时,距离基坑边地表被上抬,这是因为加桩时坑底土体加固成整体往上隆起,由于围护桩与桩周土的摩擦带动围护桩以及桩后土体往上运动,从而导致基坑边土体隆起的现象．

图9 坑后地表位移变化曲线Fig.9 Variation of displacement of ground surface behind foundation pit

2.4 土体隆起量

以基坑最左侧为起点,不同施工工况下土体隆起量如图10．第一步开挖时,坑底加桩对土体隆起影响不大,两者都是坑底中心隆起量最大,越往坑边隆起量逐渐减小,坑底加桩总体上减少了土体隆起量;当施工至坑底时,工程桩对坑底隆起量抑制效果明显,隆起曲线在工程桩的位置急剧下降,最大位移由原来的坑底中心位置变成了工程桩桩间位置．