软土深基坑开挖桩基力学效应三维有限元分析

李舒玉

(天津市勘察设计院集团有限公司，天津 300191)

随着城市综合体项目的开发建设，地下空间开发面积也越来越大，深基坑工程项目数呈现快速增长趋势，部分基坑土方量超过了100万 m2，有的甚至超过了300万 m2。软土地基是沿海港口城市常见的土质类型之一，在软土地区开挖深基坑，开挖过程产生的土体应力变化将直接影响支护结构的稳定和坑底土体的变形[1]。因此，研究软土深基坑开挖时，桩基力学效应具有重要意义[2-3]。王龙等[4]针对深圳某填土区线型深基坑开展有限元模拟,分析了不同围护桩插入比以及加固条件下坑底回弹变形和地表沉降的分布规律；程雪松等[5]采用不连续布局优化法对不同围护结构插入比条件下的基坑坑底隆起失稳滑动面进行分析;通过大量计算得到可用于判断滑动面是否通过围护结构底端的不同基坑开挖深度下土体强度和围护结构临界插入比的幂函数关系表达式；李煜峰等[6]以上海竹园2-16-1地块项目深基坑工程为背景,介绍了邻近地铁的软土深基坑变形控制方法及其效果；刘刚等[7]以妈湾跨海通道大铲湾段综合管廊基坑工程为背景,基于MIDAS GTS NX对使用地下连续墙以及内支撑支护的深基坑开挖全过程进行模拟,计算分析了不同开挖阶段下周围地层和支护结构的变形特性。此外还有部分学者基坑开挖结构施工方法进行了细致研究[8]。本文以天津某软土地基深基坑为例，采用PLAXIS分析了不同开挖深度下，桩基的沉降与弯矩变化规律，同时也对比分析了挡墙加固后桩基的水平位移变化情况，研究结果可为相关工程提供参考。

1 数值模型及计算参数

本次基坑开挖项目位于天津市区内，地表和地下水位之间的距离为1.5 m，模型宽45 m，长56 m，高48 m，根据现场勘察地基土可分为六个工程地质层：(1)人工填土层(Qml)，主要由素填土组成，大堤上素填土厚度2.1 m，呈褐黄～灰黄色，可塑状态为主，无层理，粉质黏土、黏质土为主，局部夹粉土薄层，表层含植物根茎等，属中压缩性土为主。填垫年限大于十年；(2)粉质黏土层，呈褐黄～灰黄色，软塑～可塑状态，无层理，含铁质、有机质，属中压缩性土，局部夹黏土透镜体，厚度12.3 m；(3)淤泥质黏土层，呈灰色，流塑状态，有层理，含贝壳，属高压缩性土。局部为淤泥质粉质黏土、黏土，厚度4.6 m；(4)粉质黏土层，呈灰色，软塑状态为主，有层理，含贝壳，属中压缩性土。局部夹淤泥质土、黏土透镜体，厚度5.8 m；(5)上更新统第四组滨海潮汐带沉积层(Q3dmc)，主要由黏土组成，呈灰～黄灰色，可塑状态，有层理，含贝壳，属中(偏高)压缩性土。局部夹粉质黏土透镜体，厚度5.6 m。 图1为本次建立的数值模型，施工机械和附近建筑物荷载取10 kN/m，位于天然地面上。此外，在施工期间开挖土壤被移动和收集到距离开挖约1 m的地方，因此取70 kN/m。桩基布置方式如图中加密处所示。本研究采用三维有限元程序PLAXIS，土的变形采用摩尔库伦硬化土模型，网格划分为三角形划分技术。计算时开挖深度为1.8和3.8 m。

图1 数值计算模型

2 数值结果分析

2.1 桩基沉降与弯矩

图2为不同开挖深度下，桩基最大沉降位移。由图可知，当开挖深度为1.8 m时，第121号桩的沉降最大，为13.8 cm，而154号桩沉降最小仅为9.4 cm。而当开挖深度为3.8 m时，同样也为第121号桩的沉降最大，达到了61.2 cm，而154号桩沉降最小仅为31.6 cm，二者相差近50%。总体上随着开挖深度的增加，桩体沉降位移出现了明显增长，开挖深度相差2 m，但最大位移相差51.8 cm。图3为不同开挖深度下，桩基最大弯矩。由图可知，当开挖深度为1.8 m时，最大弯矩发生在151号桩，为64.67 kN·m，而最小弯矩发生在153号桩，为47.79 kN·m。当继续开挖至3.6 m时，最大弯矩则发生在121号桩，达到了389.2 kN·m，而最小弯矩发生在154号桩，为108.05 kN·m。由此可见，随着开挖深度的增加，不仅桩基沉降发生较大的增长，弯矩也同样发生了较大增长，两种开挖深度下弯矩的最大最小值相差341.41 kN·m。出现这一现象是由于地基土在开挖卸荷后，会减小土的侧向压力，而桩基沉降与土的侧向压力成正相关，因此随着开挖进行，桩基会发生较大的沉降，尤其是软土这种流变性较大的土质。因此本文建议开挖过程中，应采用止水帷幕和挡墙对地基进行加固来控制桩基沉降。

图2 不同开挖深度下桩基最大沉降位移

图3 不同开挖深度下桩基最大弯矩

2.2 挡墙加固后桩基水平位移分析

图4为不同开挖深度下，挡墙加固后桩基水平位移变化规律，其中选取的典型桩基为155号-158号桩基。由图可知，总体上来看，4根桩基在地基深度为26 m时，开挖深度对桩基的水平位移无影响，两种开挖深度下均维持在2 cm左右，但当地基深度小于26 m时，开挖深度越大，桩基的水平位移最大。开挖深度为1.8 m时，155、156、157、158号桩的最大水平位移分别为10 cm、9 cm、8.8 cm、9.1 cm，当开挖深度为3.8 m时，4跟桩的最大水平位移分别为25 cm、25.1 cm、25.2 cm、25.4 cm。从图也可得出，挡墙加固后的地基可大大减小桩基的位移，是处理软弱地基的有效方法之一。其原理是当地基承受较大荷载而发生变形时，墙体与土体界面上的摩擦阻力将增大并增强对土体侧向变形的限制，从而减小了地基的竖向和水平变形，增大了地基承载力和地基的稳定性，从而减小了桩基的侧向位移。

图4 不同开挖深度下挡墙加固后桩基水平位移

3 结语

软土地基强度低，压缩性较高，沉降量大，往往给深基坑开挖工程带来很大的危害，如处理不当，会给基坑施工和使用造成很大影响。本文以天津某软土地基深基坑为例，采用PLAXIS分析了不同开挖深度下，桩基的沉降与弯矩变化规律，同时也对比分析了挡墙加固后桩基的水平位移变化情况，结果表明：(1)随着开挖深度的增加，桩体沉降位移出现了明显增长；(2)随着开挖深度的增加，不仅桩基沉降发生较大的增长，弯矩也同样发生了较大增长；(3)在地基深度为26 m时，开挖深度对桩基的水平位移无影响，两种开挖深度下均维持在2 cm左右，但当地基深度小于26 m时，开挖深度越大，桩基的水平位移最大。