基坑开挖影响范围内临近群桩基础承载性能研究

耿博光 GENG Bo-guang；何烈民 HE Lie-min；殷伟平 YIN Wei-ping

（①山东省路桥集团有限公司，济南 250014；②山东大学土建与水利学院，济南 250061）

0 引言

城市建筑多采用桩基作为基础，然而既有建筑附近进行基坑开挖作业时对既有桩基必定产生一定影响[1-2]。基坑开挖产生的影响大致有三个方面：地下连续墙的变形、坑底隆起和基坑附近地表沉降[3-4]。基坑外土体位移将会引起桩基承载特性的变化，若桩基发生失稳，将引发上部结构破坏，故需要慎重考虑基坑开挖对桩基承载能力的影响[5]。本文针对不同基坑开挖深度开展数值模拟研究，得出不同基坑开挖深度下群桩承载特性的一般规律，对实际工程有一定指导价值。

1 数值模拟过程

1.1 模型简介

本章研究基坑开挖深度对群桩承载特性的影响，选取研究对象为一5m*5m的承台，承台下方设置五个桩体，桩体的长度为20m，直径为1m。承台厚度为1m。

四周桩体距离承台边缘1m，桩间距为3m。中间桩位于承台的正中心位置。设置基坑规模为30m*30m，承台与基坑之间的距离保持为3m，开挖共计分为四次，每次开挖2m，共计开挖8m。具体位置分布见图1。

图1 群桩平面布置图

1.2 参数选取

土体采用Mohr-Coulomb本构模型，泊松比取0.35，重度取18kN/m3，初始孔隙比取0.8，单位压力下土体孔隙比取1.5，回弹指数取0.008，压缩指数取0.037，临界状态应力比取1。地下连续墙，桩体，承台采用线弹性本构模型，重度统一取25kN/m3，弹性模量统一取30GPa，泊松比统一取0.30。

1.3 接触面设置

1.3.1 桩土、桩与承台接触

在本次数值模拟中，桩底与土体的接触采用tie绑定，桩体的侧身与土体采用Penalty函数模型，摩擦系数设置为0.35。

1.3.2 地下连续墙与土体、承台与土接触

地下连续墙、承台与土体之间采用tie绑定，保证土体与地下连续墙之间在开挖之前已经绑定在一起。

1.4 边界条件及荷载

土体模型上方模型左右方向受到X方向的约束。模型前后方向受到Y方向的约束，模型下方受到XYZ三个方向的约束（见图2）。土体模型上方与承台上方为自由表面，不设置约束。在地应力平衡步对整个模型施加大小为19kN/m3的体力。在桩基的顶部承台上方施加的荷载为1MPa较为合适。

图2 边界条件施加

1.5 分析步简介

Step1平衡地应力，通过施加19kN/m3的体力，得到重力作用与施加边界条件后的模型，以此来模拟出真实工况；

Step2桩顶施加1MPa的荷载，以此模拟单桩工作下的受力状况；

Step3通过单元生死功能，移除掉基坑范围内0-2m的土体，基坑深度为2m；

Step4在上一步的基础上移除掉基坑范围内2-4m的土体，基坑深度为4m；

Step5在上一步的基础上移除掉基坑范围内4-6m的土体，基坑深度为6m；

Step6在上一步的基础上移除掉基坑范围内6-8m的土体，基坑深度为8m。

1.6 网格划分

网格划分采用六面体单元，控制属性为Structure。具体网格划分见图3。

图3 土体网格划分

2 数值模拟结果与分析

2.1 基坑及群桩模拟

图4为土体竖向应力云图。

图4 模型竖向应力图

由图4可知，竖向应力数量级在104左右，竖向位移数量级在10-5左右。竖向应力与竖向位移均比较小，说明图地应力平衡合理，大体符合实际情况。

本文采用的模型在承台上方施加了1MPa的荷载，五个桩体的沉降量基本相同约在32mm（见图5），因此桩顶施加的荷载合理。

图5 群桩沉降云图

2.2 基坑开挖深度对各个桩水平位移的影响

由图6～图8可知，随着开挖深度的进行，桩体的侧移不断增大，且最大侧移量均出现在桩顶部位。但三个桩体之间的侧移有明显差距。1号桩为最靠近基坑的桩体，受到基坑开挖的影响最大，3号桩与5号桩距离基坑较远，因此产生的侧移量较小。

图6 不同开挖深度1号桩的侧移

图7 不同开挖深度3号桩的侧移

图8 不同开挖深度5号桩的侧移

2.3 基坑开挖深度对各个桩侧摩阻力的影响

为研究基坑开挖对桩体侧摩阻力影响，现提取每次开挖后的桩的侧摩阻力，见图9～图11。

图9 不同开挖深度1号桩的侧阻力

图10 不同开挖深度3号桩的侧阻力

图11 不同开挖深度5号桩的侧阻力

由图9～图11可知，随着基坑开挖，基坑周围土体变形逐渐变大，对桩的侧摩阻力影响也就增大。其中5号桩的侧摩阻力略大于1号桩和3号桩。由于群桩成桩的挤土效应，使群桩中间的土体被挤压致密，导致了5桩的侧摩阻力有所增大。当基坑开挖之后，每一个桩的侧摩阻力都有所下降，在同等开挖深度下，三个桩体的侧摩阻力基本相同，但距离基坑最近的1号桩的侧摩阻力的损失略大于3号桩和5号桩，即基坑开挖对1号桩的影响略大于3号桩和5号桩。

2.4 基坑开挖深度对各个桩轴力的影响

当开挖开始进行的时候，在开挖到2m和4m处时，由于开挖较浅，对桩的侧摩阻力影响十分微小，因此桩的轴力变化量不大，基本与未开挖时桩的轴力相同。当开挖到6m以及8m时，桩的轴力发生明显变化。3号桩距离基坑较远，1号桩距离较近，因此1号桩受到的基坑开挖的影响更大，而五号桩处于群桩中间位置，由于群桩成桩的挤土效应[6]，使群桩中间的土体被挤压致密，导致了桩的侧摩阻力有所增大，因此5号桩的轴力相比之下略微变小。

3 结论

本文通过建立基坑与群桩模型，研究了基坑开挖对群桩下各个桩体的影响，揭示了承台下各个桩体的承载性能和变形性能规律。本文通过数值模拟得到以下结论：当群桩与基坑的距离固定时开挖深度变大，将会导致每一个桩体的侧移增大，轴力增大，侧摩阻力减小。从以上数据分析得，开挖深度越深，对群桩各个桩体的影响越大。

在同一开挖深度时，群桩中处于不同位置的桩体，受到基坑开挖的影响略有不同。相比之下，1号桩更加靠近基坑，因此基坑的开挖对1号桩的影响略大于3号桩和5号桩。因此可得出距离基坑约近的桩受基坑开挖影响也就越大。