基坑开挖对相邻桩基础的影响

浅议基坑开挖对相邻桩基础的影响摘要：当基坑开挖时，临近建筑物的桩基础受到基坑开挖引起土体位移的作用，导致桩身产生附加弯矩、应力和位移。采用三维有限元法分析了进行桩基和基坑间距、桩基刚度、桩顶竖向荷载和桩基顶部约束条件等对桩基附加弯矩、位移的影响，得出了一些有意义的结论。关键词：基坑开挖；基础；影响abstract:whentheexcavation,adjacentbuildingpilefoundationsubjectedtoexcavationinducedsoildisplacementsrole,leadingtoadditionalbendingmomentofpile,stressanddisplacement.finiteelementanalysisforpileandfoundationpitspacing,pilerigidity,verticalloadonpiletopandpiletopofconstraintconditionsonadditionalbendingmomentofpilefoundation,thedisplacementeffect,andsomesignificantconclusionsaredrawn.keywords:excavation;foundation;effectof中图分类号；tv551.4文献标识码；a文章编号引言相邻建筑物可能会因基坑开挖引起土体位移的作用而产生不利影响：一方面，土体沉降会对桩产生负摩阻力，引起桩下沉；另一方面，土体的水平位移导致桩身产生附加弯矩、应力和位移，严重时将引起临近桩基过量变形甚至破坏，进而引起桩所支撑的建筑物或构筑物失稳或破坏。因此，研究基坑开挖对临近桩基的影响具有重要的现实意义。1研究背景为了分析基坑开挖对临近桩基影响，各国学者进行了一些研究。①pou2los等人[1，2]则将基坑开挖对临近桩基的影响按平面应变问题考虑，利于有限差分法对桩基进行了分析和讨论，并编制了相应的设计表格。其在缺乏详细的现场工程资料时有很好的参考价值。②leung等[3]利用离心模型试验研究了密砂中悬臂式排桩支护基坑开挖对邻近单桩的影响，本文采用三维有限元法分析了桩基和基坑间距、桩基刚度、桩顶竖向荷载和桩基顶部约束条件等对桩基附加弯矩、位移的影响，可供设计时参考。分析思路由于涉及到基坑、土体和桩基3个系统间的相互作用，因此使问题变得相对复杂，求解相对困难。就力学机理而言，首先涉及到基坑开挖与周围土体的相互作用问题，即开挖引起围护结构变形和坑底隆起导致坑外土体发生沉降和水平位移；其次是土体和桩基之间相互作用问题，即土体位移作用在桩身上使桩基产生附加位移和弯矩。综上分析，应将三者结合起来才能得到正确的解答。目前可用于求解基坑，土体和临近桩基相互作用的方法主要有以下3种：①基于winkler模型的地基反力法，包括线性和非线性荷载传递法（p–y曲线法）；②有限单元法或有限差分法；③基于连续介质理论的弹性理论分析方法。地基反力法的优点是简单易用，力学关系明确，建立合理的荷载–位移关系即p–y曲线后，可分析桩–土非线性相互作用。不足在于将土体简化为独立的土弹簧，彼此互不影响，因此不能考虑土体的连续介质特性，属于局部化分析方法。另外，地基反力法仅考虑了桩土间的相互作用，使用时需要预先得到开挖引起的土体位移分布或土压力分布，这需要借助于其它分析手段。有限单元法等数值方法的优点在于不仅能够充分考虑桩–土–基坑开挖间的相互作用从而进行整体建模分析，而且可以考虑土的本构关系，同时易于对各种影响因素做参数研究进行机理性分析。为了正确再现基坑开挖引起的坑外土体位移场及其对桩基的影响，需要选择能够反映基坑开挖条件下土体复杂特性的本构模型。但模型越复杂，参数越多且越难以确定，这限制了有限单元法等数值计算方法在工程设计中的应用。基于连续介质理论的弹性理论分析方法的求解思路和地基反力法相同。该方法的优点是将桩周土体视为连续介质体，基于弹性半空间mindlin解考虑了不同土体单元间的相互作用。其不足是，仅考虑了土体弹性特性，不能分析桩土相互作用的非线性关系，计算过程中沿桩身各土层土体的弹性模量保持不变，这使同一桩基在不同分布形式的土体位移作用下计算得到的结果有一定的局限性。3有限元模拟分析以有限元模型为基础，从数值分析的角度进一步研究桩基和基坑间距、桩基刚度、桩顶竖向荷载（即上部结构传来的荷载）和桩基顶部约束条件（即桩顶承台约束条件）等对桩附加弯矩、位移的影响。表1土层物理力学参数图1有限元计算模型以滨州高新区龙禧佳苑会所为例,基坑开挖平面13.0m×25.0m，最大开挖深度为8.0m，由于对称，取1/4进行分析。该基坑为规则矩形，后排工程桩桩距均匀，为3.6m，因此可按局部空间问题考虑：依对称性取1倍工程桩间距s作为基坑纵向计算域，纵向边界铰支约束；横向计算宽度，基坑部分b1取开挖宽度的一半，坑外土体部分b2按基坑开挖深度的3倍取为30m，横向边界铰支约束；竖向土体计算深度按基坑开挖深度的3倍取为31m，底部边界竖向铰支约束。3.1桩基和基坑不同间距的影响分析基坑开挖引起的坑周不同距离处土体的侧向变形是不同的，因此对处在不同距离处邻近桩基的影响也不相同。分别取桩基与基坑边缘间距为2.4，3.6，4.8，7.2，9.6，13.65，18.2m七种情况进行对比分析，基坑开挖深度、土层参数等条件均与前述基坑工程实例一致。基坑临近桩基的桩身侧移和弯矩变化见图2，3。图2围护结构与桩基不同距离时桩身位移变化图图3不同围护结构、桩基距离时桩身弯矩变化图从图2中可以看出，随着围护结构与桩基距离的增大，桩身侧移有明显减小的趋势，这与坑外土体变形场符合。图3反映出桩基弯矩变化趋势，随着距离离增大桩身弯矩逐渐变小,可见在距离桩基约1倍开挖深度的地方进行基坑开挖对桩基的影响已经很小，当两者距离超过2倍基坑开挖深度后，基坑开挖对桩基的影响甚微，施工中可不考虑。3.2不同桩基刚度影响分析由于基坑临近桩基在受到土体位移的作用后，产生了桩身附加弯矩、应力和位移，而这种作用的效果又和桩基本身刚度关。分别取桩身弹性模量3.0×105kpa（相当于水泥土搅拌桩）、3.0×106kpa(相当于低标号素混凝土桩）、3.0×107kpa（相当于钢筋混凝土桩）、3.0×108kpa（相当于钢桩）四种情况进行对比分析，基坑开挖深度、土层参数等条件均与前述基坑工程实例一致。基坑临近桩基的桩身侧移和弯矩变化情况如图4，5所示。图4不同桩基刚度时桩身位移变化图由桩身侧移和弯矩图看出，随着桩基刚度的减小，