钻孔灌注桩和沉井施工顺序相互影响的有限元分析

张雪琦

（南京市市政设计研究院有限责任公司，江苏 南京 210000）

随着我国经济建设的发展，市政工程用地往往比较紧张，大量采用沉井结构的泵房周围其他新建建构筑物需要紧邻沉井结构采用钻孔灌注桩基础建设。该文研究了钻孔灌注桩先施工后沉井下沉对桩基受力的影响及沉井下沉完成后钻孔灌注桩施工对沉井壁板受力的影响，对该类工程的设计及施工方案的选取具有一定的指导意义。

关于桩基和沉井水平相关的研究较少，但关于基坑开挖与对周边建构筑物桩基影响的研究也具有一定的参考意义。杨敏[1]等人采用三维弹塑性有限元法分析得出临近桩基所产生的附加侧移量、弯矩值与桩基、基坑边缘的距离关系很大；越靠近基坑，所受的影响越大。当桩基和基坑边缘的距离大于等于一倍的基坑开挖深度时，桩基所受影响可以不计。陈福全[2]等人用有限元软件对内支撑排桩支护基坑开挖过程进行数值模拟分析发现，随着开挖深度的增加，邻近桩基产生的水平位移和弯矩增加。梁发云[3]等人研究发现基坑开挖深度较大时，围护结构失效产生的水平位移作用可能导致邻近桩基的破坏。

该文主要的研究对象是某地表水厂及配套管网项目——水源厂工程的取水泵房沉井结构、其周围设置的高压旋喷桩围护结构及紧邻泵房的其他厂区建构筑物的钻孔灌注桩基础结构。通过MIDAS-GTS NX 建立包括取水泵房周边建构筑物桩基的数值分析模型，分别对2 种施工工况进行模拟，一个是先进行钻孔灌注桩先施工，后进行沉井下沉；另一个是先进行沉井下沉，后进行钻孔灌注桩施工，并研究2 种施工顺序的经济合理性。

1 工程基本条件

根据业主及工艺条件，结合工程实际情况，确定取水泵房及周围建构筑物桩基平面结构布置图，如图1 所示[4-5]。

图1 取水泵房结构平面布置示意图

根据地勘资料可知取水泵房壁板剖面及其相应标高所对应的地层情况，如图2 所示。

图2 沉井壁板剖面地层分布情况示意图

2 施工数值模拟

该文采用MIDAS-GTS NX 软件建模，鉴于研究需要，对沉井内土体及周围土体采用3D 单元建模。对沉井结构须研究其弯矩受力情况，因此采用2D 板单元建立沉井结构的壁板、隔墙及底板模型，采用1D 梁单元建立沉井结构的框架梁及扶壁柱模型。在沉井下沉对桩基受力的影响研究中，采用1D 梁单元对沉井周边的钻孔灌注桩进行模拟。在研究桩基施工对沉井受力的影响中，采用3D 实体单元对钻孔灌注桩进行建模。

对本模型中的钢筋混凝土结构单元，根据钢筋混凝土的特性应采用线弹性模型，并勾选程序界面中的结构选项。土体选用修正-莫尔库伦模型进行模拟分析。建模时将沉井分6 段进行下沉。数值模拟中的施工阶段设置见表1。

对先下沉沉井、后施工钻孔灌注桩的工况进行数值分析时，施工阶段与表1 基本一致，仅将表1 中的钻孔灌注桩施工阶段移至沉井底板施工完成后进行。

3 数值模拟计算结果分析

3.1 钻孔灌注桩先施工、后进行沉井下沉工况数值计算结果分析

根据该工况分析结果，提取沉井下沉施工过程中桩基轴力最大值所在桩及沉井周围不同位置处7 根桩在不同施工阶段的桩身轴力值进行进一步对比分析，所选取的桩基编号及平面布置如图3 所示。

图3 桩基编号及平面布置图

分别提取第4~15 施工阶段1 号桩~8 号桩的桩身最大竖向压力值，如图4 所示（施工阶段的编号见表1）。

表1 施工阶段设置表

从图4 可以看出，和沉井距离越近的桩基，在沉井下沉过程中桩身产生的最大轴压力值越大且和沉井距离较近的桩基的最大轴压力随沉井下沉施工的进行有显著的增大趋势。和沉井距离较远的桩基的最大轴压力随沉井下沉施工的进行的增大趋势不明显，桩身的最大轴压力值在施工过程中变化不大。

图4 1~8 号桩桩身最大轴压力值随施工阶段变化图

为进一步分析同一桩基桩身轴力随沉井下沉施工过程中的变化，提取1~2 号桩基自上而下深度0m、-3.53m、-7.73m、-12.3m、-16.8m、-20.6m、-24.3m、-28m 处即桩身节点编号1~8 处各施工阶段中的桩身轴力值，如图5、图6 所示（施工阶段的编号见表1，图中轴力值压为正，拉为负）。

由图5、图6 可以看出，和沉井距离较近、桩身轴力较大的1~2 号桩基，桩身轴力自桩顶向下普遍为先增大、后减小的变化趋势，桩身轴力极值位置随施工阶段的进行有下移的趋势，和沉井下沉的趋势一致且同一深度处的桩身轴力随施工阶段的进行有明显的增大趋势。进一步分析可以看出，施工阶段7 到施工阶段8，即第3 段沉井下沉到第4 段沉井下沉这一阶段，桩身各点均轴力有显著增大，可见桩身轴力在沉井下沉到某一标高后会有显著增大。

图5 1 号桩各施工阶段桩身轴力图

图6 2 号桩各施工阶段桩身轴力图

同时，在第1 段沉井到第3 段沉井下沉施工中，1~4号桩基桩身均出现轴拉力值，最大值出现在第3 段沉井下沉施工阶段，为383.38kN。后续沉井下沉施工阶段中1~4号桩基轴力均为压力值，最大值出现在底板施工阶段，为2720.62kN。

此外，根据数值分析模型还可以得出，沉井下沉过程中桩身梁单元产生的最大剪力值为37.65kN。

对比可知，在钻孔灌注桩先施工工况中，桩基施工完成后，随着沉井的下沉，沉井周围土体产生沉降，钻孔灌注桩桩身产生竖向压力荷载。在相同工况下，距离沉井越近，桩身所承受的竖向压力荷载越大且随着沉井下沉，其增大趋势越明显；距离沉井较远的桩基受沉井下沉影响较小，桩身产生的轴压力值较小且随着沉井下沉，其增大趋势不明显；钻孔灌注桩桩身轴力随距离沉井远近的变化趋势与沉井下沉时周边土体沉降的变化趋势一致。根据数值分析计算结果，在沉井下沉过程中，井周钻孔灌注桩最终所承受的最大竖向压力荷载为2720.62kN，大于根据规范计算所得的单桩竖向承载力特征值Ra=2530.54kN[6]，桩基在沉井下沉过程中承载力已超过规范限值。

同时，距离沉井较近、桩身轴力值较大的钻孔灌注桩，在沉井下沉初期，由于沉井周边土体存在一定的隆起效应，因此桩身产生一定的竖向拉力荷载。根据数值分析计算结果，井周钻孔灌注桩最大竖向拉力荷载产生于第3 段沉井下沉施工阶段，最大值为383.38kN，小于根据规范计算所得的桩抗拔极限承载力标准值的一半，即Tuk/2=2434.96/2=1217.48kN[6]，桩基不会被拔出。

此外，该工程数值分析中所得的沉井下沉过程中桩身梁单元产生的最大剪力值为37.65kN，小于根据规范计算所得的桩基水平承载力特征值Rha=83.64kN，本工程中沉井下沉过程中桩基水平承载力没有超过限制。但也可以看出，如果沉井周围土质条件较差，沉井下沉过程中的土体水平位移可能会导致临近沉井的桩基产生较大的水平力，也可能会造成桩基的破坏。

3.2 先进行沉井下沉、后施工钻孔灌注桩工况数值计算结果分析

根据该工况数值分析结果，提取底板施工阶段与钻孔灌注桩施工阶段的壁板壳单元X、Y单元坐标轴方向的节点与跨中弯矩最大值，及壁板壳单元顶部（TOP）、中部（MID）、底部（BOT）的最大、最小主应力极值，见表2 和表3。

从表2、表3 可以看出，从沉井底板施工完成后到钻孔灌注桩桩基施工完成这一施工过程中，壁板壳单元X、Y单元坐标轴方向的节点与跨中弯矩最大值变化均很小。同时，根据表2、表3 可以看出，沉井下沉施工完成后，钻孔灌注桩施工对沉井壁板应力的改变也很小，对沉井壁板受力的安全性无影响。

表2 壁板壳单元X、Y 单元坐标轴方向节点与跨中最大弯矩值

表3 壁板壳单元最大及最小主应力极值

钻孔灌注桩施工过程挤土效应较小且对周边土体的影响很小，桩基施工对沉井壁板的受力影响不大。

4 结语

综上所述，沉井周边建构筑物在沉井下沉完成后进行钻孔灌注桩基础施工时，钻孔灌注桩成桩过程对沉井壁板的受力影响可以忽略不计，但是沉井下沉会对泵房周边一定范围内已施工完成的钻孔灌注桩产生较大的竖向下拉荷载，削弱了桩基的承载能力，在土质较差的地基中很有可能会超过桩基的承载能力，破坏桩基。在类似的实际工程中，临近沉井的桩基仍应按照先下沉沉井、后施工桩基的施工顺序进行施工，保障结构安全。