邻近水平推力斜拱桩基对深基坑围护结构变形影响研究

缪昊，刘成禹，2

(1.福州大学 环境与资源学院， 福建 福州 350116；2.福州大学 地质工程福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350116)

随着基础设施的大规模建设，城市中出现了越来越多深基坑工程，这样容易造成深基坑与城市中其他建(构)筑物桩基础同时施工的现象。在深基坑开挖过程中，不仅要有效控制基坑开挖引起的周围地层移动以保护周围建(构)筑桩基，而且要保证基坑邻近建(构)筑物桩基施工不能影响基坑自身的安全与稳定[1-2]。

邻近建(构)筑物桩基在施工过程中不仅要承受上部结构产生的竖向荷载，同时可能要承受较大的水平荷载，例如机场航站楼斜拱桩基就要承受上部斜拱产生的巨大水平推力。斜拱桩基产生较大的水平推力会使上层土体产生横向运动，使土体产生一定的附加应力场[3-5]。因此当深基坑施工时，如果附近存在机场航站楼斜拱桩基同时施工，斜拱桩基产生的大水平推力会对深基坑围护结构的变形产生一定的影响。

目前，国内外对于基坑开挖与邻近桩基施工的相互影响问题的研究主要集中在基坑开挖对邻近桩基的影响，如Polous等[6-7]运用有限元和边界元耦合方法研究不同支护形式基坑开挖引起的土体侧向移动对邻近桩基的影响。Finno等[8]采用数值分析和监测资料相结合的方法研究基坑开挖对邻近群桩基础的影响。Leung等[9]和Ong等[10]利用离心模型试验分别研究了不同土层中悬臂支护基坑开挖对邻近群桩的影响。郑刚等[11]用数值计算并结合现场基坑监测数据的方法分析了不同影响因素下基坑开挖对桩基的影响。周勇[12]采用PLAXIS-3D有限元软件分析了明挖地铁车站深基坑对邻近建筑物桩基变形和轴力的影响。黄茂松[13]和张爱军[14]采用两阶段分析法分析基坑开挖对邻近桩基的影响。魏丽敏等[15]采用现场原型试验和数值模拟相结合的方法研究了基坑深度、宽度和间距对邻近桥梁桩基变形与内力的影响。也有学者研究邻近桩基对基坑开挖的影响，如杨敏等[16]运用三维弹塑性有限元法研究了邻近桩基对无支撑基坑开挖所引起的变形场的影响，但是并未研究由于桩基施工产生的较大的水平推力对深基坑开挖的影响。

从已有的研究成果看，对深基坑开挖与邻近建筑物桩基的研究主要集中在基坑开挖对邻近建筑物桩基的影响，很少涉及到深大基坑附近存在斜拱桩基产生较大的水平推力对深基坑开挖的影响。因此，有必要研究邻近斜拱桩基施工产生的水平推力对深基坑开挖的影响。

本文以成绵乐客运专线双流机场站基坑工程开挖过程中，邻近机场在建的T2航站楼斜拱桩基施工产生指向基坑的巨大水平推力为工程背景，采用MIDAS/GTS岩土有限元软件分析邻近大水平推力斜拱桩基加载对宽大深基坑围护桩变形的影响，重点分析了基坑与斜拱桩基承台边缘净距和斜拱加载时基坑开挖深度对基坑围护桩桩身变形的影响规律。

1 工程概况

双流机场车站为某城际客运专线中间站，车站总长943 m，有效站台长450 m，标准段宽55.2 m，有效站台中心里程处基坑深20.2 m。有效站台与T2航站楼斜拱桩基承台边缘净距为15 m左右。双流机场站与T2航站楼平面位置如图1所示。

图1双流机场站与T2航站楼平面位置示意图

双流国际机场新建T2航站楼由16个跨度120 m的钢结构斜拱组成。斜拱基础承台的尺寸为20 m×20 m×3.5 m，承台下设15根直径2 m、长8 m的人工挖孔桩，承台承受斜拱结构传来的荷载标准值为：水平推力12 160 kN(指向基坑)，竖向力11 200 kN，弯矩23 980 kN·m。航站楼所对应基坑部分的围护桩采用C40钢筋混凝土灌注桩，桩径为1.5 m，间距为1.8 m，桩长为25 m。基坑采用四道内支撑，第一和第二道内支撑为C40钢筋混凝土支撑，截面尺寸b×h=0.8 m×1.0 m，纵向间距为9 m；第三和第四道内支撑采用直径为609 mm的钢管支撑，纵向间距为3 m。基坑横向设置4排格构柱。斜拱桩基与基坑剖面如图2所示。

2 数值模型

采用MIDAS/GTS岩土有限元软件进行基坑岩土体与斜拱桩基数值模型的建立。考虑到基坑长度较大，为了兼顾计算效率，在长度方向上考虑为平面应变问题，由于斜拱承台中心正对的围护结构受斜拱加载的影响最大，故模型在长度方向上取中间承台群桩基础范围内的基坑长作为模型长度，约32 m；基坑开挖的影响范围大致为基坑开挖深度的2～3倍[17]，故在基坑宽度方向取200 m；在模型深度方向上，深度取2倍围护桩桩长，即为50 m。三维模型具体如图3所示。

图2斜拱桩基与基坑剖面图(单位：mm)

图3基坑与斜拱桩基平面应变三维模型

模型采用的边界条件为：竖向边界施加水平方向的约束，以此约束水平向位移，模型底部边界施加三个方向的位移约束，模型上表面边界不施加约束。由于基坑开挖前已把基坑的地下水位降低至开挖面下一定的深度，故模型不考虑地下水渗流的影响，按总应力法进行分析。

模型岩土体采用实体单元，采用修正摩尔-库仑本构模型，岩土体的物理力学参数依据本工程勘察报告提供的参数选取，如表1所示。

基坑围护结构采用的是钻孔灌注桩，由于本工程中围护桩间距较小，则考虑土拱效应，可将非连续的钻孔灌注桩根据抗弯刚度原则等效为连续性的地下连续墙结构，地下连续墙采用板单元模拟；支撑、立柱采用梁单元，斜拱桩基采用桩单元；围护桩、内支撑、立柱和斜拱桩基采用线弹性本构模型。基坑开挖的主要工况如表2所示。

表1 岩土材料参数表

表2 基坑主要工况

3 斜拱桩基对深基坑围护结构变形影响的因素分析

为了得出不同因素下邻近水平推力斜拱桩基对深基坑围护结构变形的影响规律，先计算基坑单独施工条件下基坑围护桩的水平位移，再计算深基坑在其他因素下斜拱桩基对深基坑围护桩产生的最大水平位移。图4和图5分别是基坑单独施工条件下基坑土体塑性应变云图和围护桩桩身的最大水平位移分布图。

图4 基坑单独施工土体塑性应变云图

图5基坑单独施工围护桩桩身最大水平位移分布图

3.1 基坑与斜拱桩基承台边缘净距L的影响

基坑与斜拱桩基承台边缘净距不同时，斜拱桩基产生的水平推力对深基坑的影响是不同的。分析边缘净距L对邻近深基坑围护桩的影响时，斜拱桩基先于深基坑施工，即基坑开挖前斜拱已经对承台施加荷载。边缘净距L分别取为5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m。图6和图7分别为不同边缘净距下围护桩桩身最大水平位移分布图和围护桩最大水平位移变化曲线图。

图6 不同边缘净距下围护桩桩身最大水平位移分布图

图7不同边缘净距下围护桩最大水平位移变化曲线

由图6和图7可知，随着基坑与斜拱桩基承台边缘净距L逐渐增大，围护桩的水平位移逐渐减小且趋于稳定，当边缘净距L从25 m变化到30 m时，围护桩水平位移基本不发生变化，最大水平位移变化只有0.15 mm。因此，当边缘净距L达到25 m(此时L/H=1.25，H为基坑开挖深度)时，大水平推力斜拱桩基对基坑围护桩的变形影响比较小，即边缘净距超过一倍基坑开挖深度时，水平推力斜拱桩基对深基坑围护桩的变形影响较小。

从图6中提取不同边缘净距下围护桩水平位移最大值所在的深度。图8是不同边缘净距下围护桩水平位移最大值深度图，从中可以看出随着基坑与斜拱桩基承台边缘净距L的增加，围护桩水平位移最大值所在的深度hL逐渐增大；当边缘净距L达到25 m时，围护桩水平位移最大值的深度hL基本保持不变，大致为基坑开挖面以下16.5 m左右，此时hL/H=0.825。对图8的数据进行曲线拟合发现，围护桩水平位移最大值深度hL与边缘净距L之间的关系式如(1)所示：

hL=6.25634e-0.10993L-16.67062

(1)

式中：hL为不同边缘净距下围护桩水平位移最大值的深度，m；L为基坑与斜拱桩基承台边缘净距，m。

图8不同边缘净距下围护桩水平位移最大值深度图

为研究不同边缘净距下，斜拱桩基产生的水平推力对基坑围护桩变形的影响规律，本文把图6中边缘净距为5 m、10 m、15 m、20 m和25 m时，围护桩桩身不同深度处的水平位移减去对应深度处基坑单独开挖最终产生的围护桩桩身水平位移，得到围护桩桩身不同深度处的水平位移增量，并对该水平位移增量进行归一化，即把不同深度处的围护桩桩身水平位移增量除以相对应深度处基坑单独开挖最终产生的围护桩桩身的水平位移，归一化后的数值称为围护桩水平位移影响值。图9是不同边缘净距下斜拱桩基加载引起的围护桩水平位移影响值，从中可以看出随着基坑与斜拱桩基承台边缘净距L的增加，斜拱桩基产生的水平推力对基坑围护桩水平位移的影响深度逐渐减小，当边缘净距L从5 m变化到20 m时，围护桩水平位移影响较大的深度分别为10 m、5 m、2.5 m和1 m，当边缘净距L为25 m时，影响深度基本为0。因此，随着边缘净距L逐渐增大，斜拱桩基对围护桩变形的影响深度逐渐变浅，影响较大的范围基本都是在围护桩中上部。

图9不同边缘净距下围护桩水平位移影响值

图10是基坑与斜拱桩基承台边缘净距从5 m变化到20 m时，水平推力斜拱桩基对基坑围护桩水平位移影响深度图，对图10的数据进行线性拟合，拟合曲线满足式(2)的线性关系：

hΔ=0.59L-12

(2)

式中：hΔ为围护桩水平位移影响深度，m；L为基坑与斜拱桩基承台边缘净距，m。

图10不同边缘净距下围护桩水平位移影响深度图

3.2 斜拱加载时基坑开挖深度Z的影响

由于有效站台中心里程处的基坑位于正在修建的T2航站楼正对面，基坑开挖时斜拱桩基有的已经施工完成，有的还未施工，因此有必要研究斜拱不同加载时机对基坑开挖的影响。根据现场基坑施工的主要工况，取斜拱加载时基坑开挖深度Z分别为0 m(即基坑未开挖)、7 m、11.5 m、16 m和20.2 m，分析斜拱桩基在基坑不同开挖深度加载时对基坑围护桩的影响。图11和图12分别为基坑与斜拱桩基承台边缘净距为5 m时，不同开挖深度Z加载围护桩桩身最大水平位移分布图和围护桩最大水平位变化移曲线图。

图11不同开挖深度加载围护桩桩身最大水平位移分布图(L=5 m)

由图11和图12可以发现，不同开挖深度加载对围护桩的水平位移影响较大。随着基坑开挖深度增大而进行加载，围护桩最大位移逐渐减小，且加载时的开挖深度越大，围护桩最大水平位移减小量越大，基坑未开挖之前进行加载围护桩产生的水平位移最大。因此，在实际工程中，基坑应尽早施工并开挖至坑底，减少斜拱桩基施工产生的大水平推力对深基坑围护桩变形的影响。

图12不同开挖深度加载围护桩最大水平位移变化曲线(L=5 m)

将图11中斜拱在基坑不同开挖深度加载围护桩桩身不同深度处的水平位移减去对应深度处基坑单独开挖最终产生的围护桩桩身水平位移，得到不同开挖深度斜拱加载引起的围护桩桩身水平位移增量。图13是基坑开挖至不同深度斜拱加载引起的围护桩桩身水平位移增量分布图。

图13不同开挖深度加载引起的围护桩桩身水平位移增量分布图(L=5 m)

从图13可以看出，由斜拱加载引起的围护桩桩身水平位移增量随斜拱加载时基坑开挖深度Z的增大而减小。斜拱加载引起的围护桩桩身水平位移增量最大值出现部位随斜拱加载时基坑开挖深度的增大逐渐下移，最大值出现部位集中在围护桩中上部，所以当基坑开挖较浅时要及时架设支撑，防止围护桩变形过大。

从图13提取不同开挖深度加载引起的围护桩水平位移增量最大值深度。图14是不同开挖深度加载引起的围护桩水平位移增量最大值深度图，从图14可以发现，随着斜拱加载时基坑开挖深度的增大，围护桩水平位移增量最大值所在的深度 逐渐下移，当基坑开挖至16 m之后进行斜拱的加载，围护桩水平位移增量最大值的深度hz基本保持不变，大约为9 m的深度(此时hz/H=0.45)。对图14的数据进行拟合发现，不同开挖深度加载引起的围护桩水平位移增量最大值的深度与斜拱加载时基坑开挖深度Z之间的关系式如式(3)所示：

hz=2.80137e-0.10884Z-9.3024

(3)

式中：hz为不同开挖深度斜拱加载引起的围护桩水平位移增量最大值深度，m；Z为斜拱加载时基坑开挖深度，m。

图14不同开挖深度加载引起的围护桩水平位移增量最大值深度图(L=5 m)

4 结 论

(1) 斜拱桩基产生较大的水平推力会使上层土体产生横向运动，使土体产生一定的附加应力场，影响较大的范围基本都是在中上部土层，对下部范围的土体影响较小。

(2) 基坑与斜拱桩基承台边缘净距L对基坑围护桩变形的影响规律为： 随着边缘净距逐渐增大，基坑围护桩的水平位移逐渐减小且趋于稳定，当边缘净距达到25 m(此时L/H=1.25)时，即边缘净距超过一倍基坑开挖深度时，大水平推力斜拱桩基对基坑围护桩的变形影响比较小； 随着边缘净距逐渐增大，围护桩水平位移最大值出现的位置深度hL逐渐增大，斜拱桩基产生的水平推力对基坑围护桩水平位移的影响深度也逐渐减小，当边缘净距达到25 m时，影响深度基本为0。

(3) 斜拱加载时基坑开挖深度Z对基坑围护桩变形的影响规律为： 随着斜拱加载时基坑开挖深度的增大，围护桩最大位移逐渐减小，当开挖至基坑底部进行加载时围护桩产生的位移最小； 斜拱加载引起的围护桩水平位移增量最大值和最大值出现的深度，随斜拱加载时基坑开挖深度的增大而减小。因此，在实际工程中基坑应尽早施工并开挖至坑底，以减少斜拱桩基施工产生的大水平推力对深基坑围护桩变形的影响。