深基坑桩基承载力影响因素分析

2023-09-12杨烨勋李杰明

水利规划与设计 2023年9期

杨烨勋，李杰明

(云南送变电工程有限公司，云南昆明 650051)

0 引言

随着城市化进程的加快，城市地下空间的运用也越来越频繁，由此产生了大量的深基坑工程，目的是为了提高施工效率，节约建设成本。但是对于深基坑工程的桩，由于诸多因素的影响，进行检测的结果与在地面检测的结果差异比较大[1-3]，所以不能有效判断出桩的实际内力情况。部分学者对此进行了一定程度的研究，宋利文等[4]依据冗余度理论，对深基坑工程中水平支护体系进行分析，研究施工工况情况下支护结构中内支撑杆件的局部损坏对基坑的影响。英国的British Standard、欧洲的Eurocode I及美国的GSA2003、DOD2010均较为详细的阐述了结构抗连续倒塌的设计方法及流程[5-8]。夏建中[9]采用有限元软件分析了多道支撑在桩撑支护的基坑中的作用。阮祎萌[10]采用FRWS和Visual MODFLOW进行基坑支护结构和降水分析，张飞等[11]运用有限元法得到不同桩的桩长、桩径和桩距与土质渠坡稳定安全系数的关系，李友元[12]利用数值模拟分析了高铁群桩受堆载作用的变形特性。基于上述研究，本文采用FRWS分析了一道水平支撑灌注桩、两道水平支撑灌注桩、SMW工法的桩径、支撑位置和嵌固深度等因素对桩身内力的影响。

1 工程概况

以昆明市某深基坑为研究对象，主要实验场地为电力工程基坑基础。基坑宽度约120m，最大断面长度超过260m，最大开挖深度达15m。拟建建筑地下部分为水池及设备结构。图1为基坑的周边环境。周围的环境很复杂。靠近基坑的建筑(结构)包括北部22m的住宅，西部20m的在建轻轨站，以及55m的专科医院。

图1 基坑周边环境

2 有限元模型

2.1 模型建立

根据已有设计资料建立有限元数值模型，主要参考了基坑的平面图，图2为基坑桩基受力平面图，H为开挖深度，q为均布荷载，hw为地下水位。采用FRWS建立基坑中桩基-土体模型，进行计算分析。在数值建模时，根据勘察资料确定土层分布和地下水位；根据设计数据确定基坑的平面形状和开挖深度，并考虑不同支撑位置、桩径、不同嵌固深度以及水平支撑数量和工法对桩基承载力的影响。

图2 桩基受力平面示意图

2.2 参数信息

用实体单元模拟土体和桩基，本构模型为莫尔-库仑模型，用结构单元模拟围护桩(C30混凝土)，其抗弯刚度根据直径求出；内支撑及土钉等构件采用杆件单元模拟(混凝土C30)。拟定混凝土强度等级均为C30，地面超载取为20kPa。土质条件及参数取值见表1。

表1 土质参数信息

2.3 计算工况

为探究基坑中各因素对桩基承载力的影响大小，拟定各因素的计算工况，见表2。

表2 各因素计算工况表

3 有限元分析结果

3.1 一道水平支撑灌注桩

3.1.1支撑位置对桩身变形及内力影响研究

(1)水平位移

图3为深基坑桩基嵌固深度为12m、桩径为1m时，一道水平支撑灌注桩中桩身水平位移随支撑位置的变化趋势。由图3可知，桩身水平位移随着深度的增加先增大后减小，最大水平位移处于开挖面下部约1m位置处。

图3 一道水平支撑灌注桩水平位移随支撑位置的变化趋势(H=7m，d=1.0m，D=12m)

桩顶水平位移：当支撑位置2m时，为2mm；当支撑位置2.5m时，为8.5mm；当支撑位置3m时，为15.9mm，即桩顶水平位移随着支撑位置的增加而逐渐增加。

桩身最大水平位移：当支撑位置2m时，为22.7mm；当支撑位置2.5m时，为23.5mm；当支撑位置3m时，为24.9mm，即桩身最大水平位移随着支撑位置的增加而增加，且变化量显著小于桩顶水平位移的变化量。

桩底水平位移：当支撑位置2m时，为1mm；当支撑位置2.5m时，为0.9mm；当支撑位置3m时，为0.7mm，即桩底水平位移随着支撑位置的增加而减小，但是变化量较桩身水平位移小。

(2)弯矩

图4为嵌固深度为12m、桩直径为1m时，一道水平支撑灌注桩中桩身弯矩随支撑位置的变化趋势。由图4可知，桩顶较小范围内桩身弯矩为0kN·m，随后桩身弯矩随森度的增加先增加后减小。当支撑位置分别为2、2.5、3m时，最大桩身弯矩出现在7.5m处，且最大桩身弯矩分别为1191.9、1069.7、935.8kN·m，即桩身最大弯矩随支撑位置的下移而逐渐下降。

图4 一道水平支撑灌注桩中弯矩随支撑位置的变化趋势(H=7m，d=1.0m，D=12m)

3.1.2桩直径对桩身变形及内力的影响研究

(1)水平位移

图5为嵌固深度为12m，支撑位置为2.5m时，一道水平支撑灌注桩中桩身水平位移随桩直径的变化趋势。由图5可知，桩身水平位移随着深度的增加先增大后减小；当桩直径为0.6m时，桩顶水平位移为-13mm，当桩直径为0.8m时，桩顶水平位移为3mm，当桩直径为1m时，桩顶水平位移为8.5mm，即桩顶水平位移随桩直径的增大而增大。而当桩直径为0.6m时，桩身最大位移为61.1mm，当桩直径为0.8m时，桩身最大位移为34.9mm，当桩直径为1m时，桩身最大位移为23.5mm，桩身最大位移随桩直径的增大而减小，且变化量显著大于桩顶水平位移的变化量。桩直径为0.6m时，桩底水平位移为0.9mm，桩直径为0.8m时，桩底水平位移为0.3mm，桩直径为1m时，桩底水平位移为0.9mm，即桩底水平位移变化不大。

图5 一道水平支撑灌注桩中水平位移随桩直径的变化趋势(H=7m，h=2.5m，D=12m)

(2)弯矩

图6为嵌固深度12m、支撑位置2.5m时，一道水平支撑灌注桩中桩身弯矩随桩直径的变化趋势。由图6可知，桩顶较小范围内桩身弯矩为0kN·m，随后随着深度的增加桩身弯矩先增大后减小。当桩直径分别为0.6、0.8、1.0m时，最大弯矩出现在7m左右，且最大弯矩分别为732.4、906.3、1069.7kN·m，即桩身最大弯矩随桩直径的增大而增大。

图6 一道水平支撑灌注桩中弯矩随桩直径的变化趋势(H=7m，h=2.5m，D=12m)

3.1.3嵌固深度对桩身变形及内力影响研究

(1)水平位移

桩直径1m，支撑位置2.5m时，一道水平支撑灌注桩中桩身水平位移随嵌固深度的变化趋势。桩身水平位移随深度的增加先增大后减小。当嵌固深度变化时，桩身水平位移基本没变化，即当开挖深度为7m，桩直径为1m，支撑位置为2.5m时，一道水平支撑灌注桩中嵌固深度对桩身水平位移无影响。

(2)弯矩

图7为桩直径1m，支撑位置2.5m时，一道水平支撑灌注桩中桩身弯矩随嵌固深度的变化趋势。由图7可知桩顶较小范围内桩身弯矩为0kN·m，随后随着深度的增加桩身弯矩先增大后减小。但当桩直径变化时，桩身弯矩基本没变化，即当开挖深度为7m，桩直径为1m，支撑位置为2.5m时，一道水平支撑灌注桩中嵌固深度对弯矩无影响。

图7 一道水平支撑灌注桩中弯矩随嵌固深度的变化趋势(H=7m，h=2.5m，d=1.0m)

3.2 两道水平支撑灌注桩

3.2.1支承位置对桩身变形及内力影响研究

(1)水平位移

图8为桩直径1m，嵌固深度12m时，两道水平支撑灌注桩中水平位移随支撑位置(h1、h2)的变化趋势。由图8可知桩身水平位移随深度的增加先增大后减小。当支撑位置变化时，桩身水平位移基本没变化，即当开挖深度为7m，桩直径为1m，嵌固深度为12m时，两道水平支撑灌注桩中不同支撑位置对水平位移无影响。

图8 两道水平支撑灌注桩中水平位移随支撑位置的变化趋势(H=7m、D=12m)

(2)弯矩

图9为桩直径1m，嵌固深度12m时，两道水平支撑灌注桩中弯矩随支撑位置(h1、h2)的变化趋势。由图9可知，桩顶较小范围内弯矩为0kN·m，随后随着深度的增加桩身弯矩先增加后减小。但当支撑位置变化时，桩身弯矩基本没变化，即当开挖深度为7m，桩直径为1m，嵌固深度为12m时，两道水平支撑灌注桩中支撑位置对弯矩基本无影响。

图9 两道水平支撑灌注桩中弯矩随支撑位置的变化趋势(H=7m、D=12m)

3.2.2桩直径对桩身变形及内力的影响研究

(1)水平位移

当嵌固深度12m，第一道支撑位置h1为2m和第二道支撑位置h2为4m时，两道水平支撑灌注桩中水平位移随桩直径的变化趋势。经计算，水平位移随深度的增加先增加后减小。当桩直径为0.6m时，桩顶水平位移为-14mm；当桩直径为0.8m时，桩顶水平位移为-5.8mm；当桩直径为1m时，桩顶水平位移为-0.5mm，即当桩顶水平位移随桩直径的增加而减小。而当桩直径为0.6m时，桩身最大水平位移在8.25m处为46.6mm；当桩直径为0.8m时，桩身最大水平位移在8.5m处为28.5mm；当桩直径为1m时，桩身最大水平位移在8.5m处为19.4mm，即桩身最大水平位移位置变化不大，最大水平位移值随桩直径的增加而减小，且变化量相对于桩顶位移较大。而当桩直径为0.6m时，桩底水平位移为1.4mm；当桩直径为0.8m时，桩底水平位移为0.9mm；当桩直径为1m时，桩底水平位移为1.5mm，即桩底水平位移随桩直径的增加而增加，但变化量相对于桩顶位移较小。

(2)弯矩

图10为开嵌固深度12m，第一道支撑位置h1为2m和第二道支撑位置h2为4m时，两道水平支撑灌注桩中弯矩随桩直径的变化趋势。由图10可知，桩顶较小范围内桩身弯矩为0kN·m，随后随着深度的增加桩身弯矩先增加后减小。当桩直径分别为0.6、0.8、1.0m时，最大弯矩在7.75m左右，且桩身最大弯矩分别为562.2、821.2、1061.8kN·m，即桩身最大弯矩随桩直径的增大而增大。

图10 两道水平支撑灌注桩中弯矩随桩直径的变化趋势(H=7m、D=12m、h1=2 m，h2=4m)

3.2.3嵌固深度对桩身变形及内力影响研究

(1)水平位移

当嵌固深度12m，支撑位置2m和4m时，两道水平支撑灌注桩中水平位移随嵌固深度的变化趋势，经计算可知水平位移随深度的增加先增加后减小。而当嵌固深度变化时，桩身水平位移基本无变化，即当开挖深度为7m，嵌固深度为12m，支撑位置为2m和4m时，两道水平支撑灌注桩中嵌固深度对桩是水平位移无影响。

(2)弯矩

当嵌固深度12m，支撑位置2m和4m时，两道水平支撑灌注桩中桩身弯矩随嵌固深度的变化趋势，经计算，桩顶较小范围内弯矩为0kN·m，当嵌固深度分别为11、12、13m时，桩身最大弯矩均在7.75m处，且桩身最大弯矩分别为1073.9、1061.8、1048.8kN·m，即随着嵌固深度的增加桩身最大弯矩减小。

3.3 SMW工法

3.3.1支撑位置对桩身变形及内力影响研究

(1)水平位移

图11为嵌固深度12m，桩直径为1m时，SMW工法中水平位移随支承位置的变化趋势。由图11可知，水平位移随深度的增加先增大后减小。当支撑位置分别为1m和5m、2m和5m、3m和5m时，桩顶水平位移分别为3、4.3、17mm，即当第二道支撑位置不变时，第一道支撑位置较浅时，桩顶水平位移不变，第一道支撑较深，桩顶水平位移变化显著。而当支撑位置为1m和5m时，桩身最大水平位移在8.5m处为17.5mm，当支撑位置为2m和5m时，桩身最大水平位移在8.25m处为16.9mm，当支撑位置为3m和5m时，桩身最大水平位移在6.25m处为20.4mm，及桩身最大水平位移变化不大。

图11 SMW中水平位移随支承位置的变化趋势(H=7m，D=12m，B=1m)

(2)弯矩

图12为嵌固深度12m，桩直径1m时，SMW工法中桩身弯矩随支承位置的变化趋势，由图12可知，桩顶较小范围内弯矩为0kN·m，随后随着深度的增加先增加后减小。当支撑位置分别为1m和5m、2m和5m、3m和5m时，桩身最大弯矩在8m左右，且桩身最大弯矩分别为1420.1、1317.6、1024.1kN·m，即当第二道支撑不变，第一道支撑位置下降时，桩身最大弯矩减小。

图12 SMW中弯矩随支承位置的变化趋势(H=7m，D=12m，B=1m)

3.3.2桩直径对桩身变形及内力的影响研究

(1)水平位移

图13为嵌固深度12m，支撑位置2m和5m时，SMW工法中水平位移随桩直径的变化趋势，由图13可知，水平位移随深度的增加先增加后减小。当桩直径为0.6m时，桩顶水平位移为-2.8mm，当桩直径为0.8m时，桩顶水平位移为1.1mm；当桩直径为1m时，桩顶水平位移为4.3mm，即桩顶水平位移随桩直径的增加而增加。当桩直径为0.6m时，桩身最大水平位移在8m处为24.9mm；当桩直径为0.8m时，桩身最大水平位移在8.25m处为20.4mm；当桩直径为1m时，桩身最大水平位移在8.25m处为16.9mm，即桩身最大水平位移位置变化不大，桩身水平位移随桩直径的增加而减小。当桩直径为0.6m时，桩底水平位移为0.5mm；当桩直径为0.8m时，桩底水平位移为1.3mm；当桩直径为1m时，桩底水平位移为2.6mm，即桩底水平位移随桩直径对的增加而增加，但变化量不大。

图13 SMW中水平位移随桩直径的变化趋势(H=7m、D=12m、h1=2m，h2=5m)

(2)弯矩

当嵌固深度12m，支撑位置2m和5m时，SMW工法中桩身弯矩随桩直径的变化趋势，经计算，在桩顶较小范围内桩身弯矩为0kN·m，随后随着深度的增加先增加后减小。当桩直径分别为0.6、0.8、1.0m时，桩身最大弯矩在7.75m左右，且桩身最大弯矩分别为823.9、1061、1317.6kN·m，即桩身最大弯矩随桩直径的增大而增大。

3.3.3嵌固深对桩身变形及内力的影响研究

(1)水平位移

图14为桩直径1m，支撑位置2m和5m时，SMW工法中水平位移随嵌固深度的变化趋势，由图14可知，水平位移随着深度的增加先增加后减小。而当嵌固深度变化时，桩身水平位移基本没变化，即当开挖深度为7m，桩直径为1m，支撑位置为2m和5m时，SMW工法中嵌固深度对水平位移无影响。