基坑开挖时桩身参数对坑内工程桩的影响研究

陈武云

（昭通市建筑工程质量监督站，云南昭通 657000）

0 引言

在土方开挖量较大的深基坑工程中，开挖深度大，土体卸荷作用将引起土体流动，此时基坑底部土体必然发现不同程度的隆起[1]。在基坑开挖的过程中，基坑底部的隆起将使已设施完成的工程桩产生上浮受拉和偏移，影响工程桩的承载性能，特别是在软土地层基坑开挖的情况下，对工程桩的影响将更为严重。对于基坑隆起，尤其在软弱地基中现行的基坑隆起计算方法存在不合理性，黄茂松等[2]对常规的圆弧滑动进行了改进，提出圆弧机构上限分析方法，对比分析发现起该计算方法更为可靠。同时，宋二祥等[3]基于国内现行技术标准提出可用于界定不同嵌深的计算公式，进而得到可适用于任何嵌深的隆起稳定性简化验算。同时，林志月基于有限元研究方法，探讨基坑开挖对基坑底部工程桩与及基坑底部隆起影响机理。现阶段的基坑开挖研究中，对于基坑周边支护桩桩身参数对坑底工程桩的影响研究相对较少。本文依托具体工程实例，基于有限元分析软件Midas/GTS，探讨基坑开挖时桩身参数对坑底工程桩的影响。

1 工程案例及数值模拟概述

1.1 工程案例简介

处于软弱地基基坑底部的桩基，随基坑开挖会导致基桩产生侧向偏位，甚至发生折断。以某软土地区基坑工程为依托，具体土层参数如表1 所示。由于施工现场未进行合理的开挖，实际工程中开挖后A10 栋位置处工程桩有倾斜现象。本文以该软土地区实际基坑工程为研究背景，采用有限元分析软件MADIS/GTS建立三维有限元模型，模拟土方开挖后工程桩产生过大偏移情况。以此研究背景为依托，进行相应研究。

表1 土体物理力学指标

1.2 数值模拟概述

本文所建立基坑开挖模型中，基坑的开挖深度为4.9m，其中杂填土层厚1.9m，黏土层厚1.9m，淤泥质黏土层厚1.1m。平面尺寸约等于82m×34m。Peck.R.B 教授在对基坑工程问题的研究中认为，对于软土地层上的基坑开挖，开挖的影响范围大致为开挖深度的2.5～5 倍。综上所述本文计算模型取距基坑开挖边界处25m 为模型的平面边界，并保证模型中边界约束对基坑周围土体模型几乎没有影响。为保证模型的深度尺寸合理，在桩底处向下扩展10m 为模型底边，模型尺寸为133m×84m×40m。

1.3 监测数据对比

表2 桩顶水平位移监测值与计算值对比

由表2 工程监测数据与数值模拟计算值的对比结果可知，相差最小的桩号为A10-3，两者相差0.85cm，误差为1.9%。相差最大的桩号为A10-1，两者相差13.27cm，误差为36.8%。结合最大最小误差来看，桩顶水平位移的监测值与数值模拟计算值对比结果吻合度较高，二者均超过《建筑桩基技术规范（JGJ 94—2008）》中，预制桩基础施工后垂直度小于0.5%和打入桩桩桩位小于1/3D 的要求，故而模型可靠性满足分析要求。

2 桩身参数对坑内工程桩的影响

2.1 桩径尺寸对坑内工程桩的影响

本文所依托的工程案例中，工程桩桩径为500mm。为研究桩径尺寸对开挖完成后工程桩桩顶位移的影响，建立（a）桩径600mm、（b）桩径700mm、（c）桩径800mm 三种坑内存在工程桩的三维开挖模型，与原模型进行对比。对比结果见图1 不同桩径的桩身水平位移图。由图1 可知，在相同开挖工况下，桩径尺寸与桩顶水平位移成反比。相同开挖工况下，桩径为500mm、600mm、700mm、800mm 时，土方开挖完成后工程桩桩顶水平位移分别为27.25cm、17.98m、13.51cm、10.52cm。在桩径增大过程中，桩顶水平位移减小的幅度逐渐降低，分别为9.27cm，4.47cm，2.99cm。故可以认为，当桩径无限大时，桩顶水平位移减小的幅度为0，即为没有效果。在设计桩基础时，可考虑土质软弱的程度，适当增加桩径，以此减小开挖卸载后工程桩的桩顶水平位移，减少废桩率，提高工程经济性。

图1 不同桩径的桩身水平位移

2.2 桩长对坑内工程桩的影响

本文所依托的工程案例中，工程桩桩长为24m。为研究桩径尺寸对开挖完成后工程桩桩顶位移的影响，建立（a）桩长25m、（b）桩长26m、（c）桩长27m、（d）桩长28m 四种坑内存在工程桩的三维开挖模型，与原模型进行对比。对比结果见图1 不同桩径的桩身水平位移图。由图2、图3 可知，在相同开挖工况下，桩径尺寸与桩顶水平位移成反比。相同开挖工况下，桩径为24m、25m、26m、27m、28m 时，土方开挖完成后工程桩桩顶水平位移分别为27.25cm、21.34cm、18.97cm、18.01cm、17.65cm。在桩径增大过程中，桩顶水平位移减小的幅度逐渐降低，分别为5.91cm、2.37cm、0.96cm、0.36cm。故可以认为，当桩长无限大时，桩顶水平位移减小的幅度为0，即为没有效果。在设计桩基础时，可考虑土质软弱的程度，适当增加桩长，以此减小开挖卸载后工程桩的桩顶水平位移，减少废桩率，提高工程经济性。但增加桩径相对于增加桩长，减小工程桩桩顶水平位移的效果更佳。

3 结论

图2 不同桩长的工程桩水平位移

图3 不同桩长的工程桩桩顶水平位移

本文以某软土地区基坑工程事故为依托，采用有限元分析软件MADIS/GTS 建立三维开挖模型，探究基坑开挖条件下桩身参数的改变对坑内工程桩桩顶水平位移的影响，得出以下结论：

（1）桩径尺寸与桩顶水平位移成反比，且桩径在增大过程中，桩顶水平位移减小的幅度逐渐降低，设计中可适当增大坑内工程桩桩径，以减小桩身偏移。

（2）桩长与桩顶水平位移成反比，且桩长在增大过程中，桩顶水平位移减小的幅度逐渐降低，增加桩长可降低基坑开挖卸载引起的桩身偏移，但增大桩径效果更明显。