深基坑開挖對鄰近樁基側(cè)向變形規(guī)律分析

許小龍 張舵 潘自強

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2311-5042-3083

作者簡介：

許小龍（1983—），男，本科，工程師，研究方向為土木工程。通信作者：許小龍（1983—），男，本科，工程師，研究方向為土木工程。E-mail：1181501806@qq.com。

普通作者：張舵（1986—），男，本科，工程師，研究方向為土木工程。

潘自強（1985—），男，本科，工程師，研究方向為土木工程。

摘 ?要：為研究基坑開挖施工過程中鄰近樁基的力學(xué)特性及變形特征，采用Midas有限元軟件，通過對不同開挖深度、不同樁徑、與相鄰擋土結(jié)構(gòu)距離不同的深基坑開挖進行模擬分析。研究表明，開挖時支護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形是將影響基坑樁基的水平和豎向承載性的主要原因?；娱_挖深度對樁基位移有一定影響，樁徑增大或與擋土結(jié)構(gòu)距離增大都會對位移和變形產(chǎn)生影響。

關(guān)鍵詞：深基坑 ?圍護結(jié)構(gòu) ?力學(xué)性質(zhì) ?數(shù)值模擬

中圖分類號：TU758.11

隨著改革開放，我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，各大城市對地鐵的需求不斷增長，地鐵的興建大多數(shù)建設(shè)于國內(nèi)的城市中心，導(dǎo)致地面空間資源緊缺，如何開發(fā)利用建筑物地下空間，提高土地資源利用率成為解決該問題的必然選擇。因此大量地下工程相繼建成，但伴隨的基坑施工安全問題也日益增多，基坑開挖引起的工程事故層出不窮。特別是坑內(nèi)既有樁基開挖引起的樁側(cè)水平和垂直位移，不僅影響坑內(nèi)樁基的摩阻力，而且影響樁基礎(chǔ)的受力特性。所以，探討圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變化產(chǎn)生的基坑外混凝土體位移場，對于確定基坑施工對坑內(nèi)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受力性狀影響，以及探討基坑施工變形的指標(biāo)等有著非常重大的研究價值。

目前，已有許多工程案例[1-2]，針對基坑開挖引起側(cè)向結(jié)構(gòu)位移分析。在實際施工中，圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形是衡量整體結(jié)構(gòu)變形最直觀的指標(biāo)，但圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形也會影響基坑內(nèi)土體和支護體系的應(yīng)力分布和穩(wěn)定性[3-6]。范怡飛等人[7]通過采用增量有限差分法求解非線性基礎(chǔ)梁的控制方程，相鄰樁體在開挖時的響應(yīng)結(jié)果與實測結(jié)果基本一致；楊寶珠等人[8]通過工程實例采用有限元分析方法對基坑開挖引起的斜樁豎向承載力進行了研究；許莉等人[9]提出由于工程的不確定因素過多，利用反距離加權(quán)插值法確定變形分析。黃展軍等人[10]通過室內(nèi)試驗并使用數(shù)值模擬驗證，確定出圍護結(jié)構(gòu)合理的加固范圍。

本文以武漢地鐵12號線工程為基礎(chǔ)，主要分析圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移對坑內(nèi)土體和臨近樁基的沉降程度。以深基坑開挖對鄰近樁基礎(chǔ)的影響為研究對象，本研究聚焦于開挖時導(dǎo)致鄰近樁基礎(chǔ)與圍護結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)向變形的影響規(guī)律。通過深入分析這些因素的相互作用，旨在為今后類似工程提供有價值的參考。

工程實例

本工程是武漢地鐵12號線，漢鋼站的起止里程為左DK52+677.75～DK52+877.75，車站外包長度為200.00?m，寬度為50.7?m，開挖深度為30.6?m，采用蓋挖逆作法進行施工。漢鋼站主要有粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土層等不良地層，車站位于長江Ⅰ級階地。圍護結(jié)構(gòu)由1?000?mm的地連墻防水結(jié)構(gòu)和超深鋼管樁定位組成，如圖1所示，對其穩(wěn)定性進行分析。

2 有限元模型

本文利用有限元軟件Midas GTS NX對基坑開挖過程進行數(shù)值模擬分析，由于工程具有對稱性，為簡便計算步驟，選取實際工程的1/4為有限元分析的研究對象。如圖2所示。

3 ?影響因素分析

3.1?開挖深度的影響分析

為了探究不規(guī)則基坑開挖深度對臨近樁的變形規(guī)律，故選試驗樁Q8。通過有限元分析不同開挖深度，研究樁基側(cè)向變形。具體如圖3所示。

從圖3可以看出，在基坑開挖過程中，開挖深度對樁基側(cè)向變形規(guī)律趨勢是相似的。隨著開挖深度的增加，樁基會增大，周圍土體的卸載和隆起反應(yīng)會導(dǎo)致樁基發(fā)生線彈性樁基變形。從圖中可以看出，最大偏移量（8mm）出現(xiàn)在開挖5處。

3.2 樁徑的影響分析

樁基礎(chǔ)的變形特性受其樁徑大小的影響，樁徑越大，樁基礎(chǔ)的變形越明顯。不同樁徑對鄰近樁基的變形規(guī)律不同，選定樁徑為0.6?m、0.8?m、1?m、1.2?m、1.4?m進行分析，如圖4所示。

由圖4可知，樁基的側(cè)移與樁徑呈遞進關(guān)系，隨著樁徑的繼續(xù)增加，其樁基偏移愈見緩慢。由此可以推斷，在一定范圍內(nèi)，其增長幅度呈衰減趨勢，當(dāng)超過一定限值時，樁基側(cè)移量提升并不明顯，因此在使用時要合理選取樁徑。

3.3樁基與圍護結(jié)構(gòu)距離影響分析

在基坑開挖施工的工程中，不同的樁基與圍護結(jié)構(gòu)的距離是不同的，通過分析不同樁基與圍護結(jié)構(gòu)相鄰近的樁基變形特征，分別取離圍護結(jié)構(gòu)為10 m、15 m、23 m、34 m、50 m進行研究分析，如圖5所示。

由圖5可知，樁基與圍護結(jié)構(gòu)的距離呈遞進關(guān)系，隨著樁基與圍護結(jié)構(gòu)越遠，其樁基偏移量愈大。因為土體會產(chǎn)生“土拱效應(yīng)”，使得樁基間距選取影響著樁身受力情況，合理的間距可以節(jié)省材料，降低成本。

4?結(jié)論

本文以武漢市地鐵12號線深基坑開挖工程為例，探討了蓋挖逆作法施工過程中深基坑開挖對周邊樁基的影響因素，并得出以下結(jié)論。

（1）坑開挖深度是影響鄰近樁基側(cè)向位移的重要因素，樁基礎(chǔ)的側(cè)向位移隨著基坑開挖深度的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢。

（2）過對基坑開挖模擬結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)樁徑的大小對鄰近樁基的位移變形有影響，樁徑越大，位移變形越大，但是當(dāng)樁徑超過一定范圍時，位移變化不明顯。

（3）基坑鄰近樁基的側(cè)向位移與圍護結(jié)構(gòu)的距離有著呈反比增長的趨勢。但隨著距離的增加，可以推斷出，當(dāng)超過一定范圍，樁基的側(cè)移變化量并不明顯。

通過對鄰近樁基不同開挖深度、不同樁徑、不同與圍護結(jié)構(gòu)距離的深基坑開挖進行有限元分析模擬結(jié)果分析可知，開挖深度對樁基位移具有一定的影響，增大樁徑或增大與圍護結(jié)構(gòu)的距離都會產(chǎn)生位移變形影響，但是具有一定的影響范圍。而這種方法并非適用于所有情況，為了兼顧安全和經(jīng)濟，我們需要尋找更優(yōu)化的支護組合方式，以降低工程成本，為同類基坑工程的支護設(shè)計提供借鑒。

參考文獻

[1]劉國鋒，徐楊青，吳西臣.連續(xù)墻埋置深度對超深基坑降水效果的影響研究[J].工程勘察，2014，42（1）：51-58.

[2]徐楊青，朱小敏.長江中下游一級階地地層結(jié)構(gòu)特征及深基坑變形破壞模式分析[J].巖土工程學(xué)報，2006（S1）：1794-1798.

[3]李芳寶，龍喜安.佛山地區(qū)深厚軟土地層地鐵深基坑支護結(jié)構(gòu)變形特性與適用性分析[J].隧道建設(shè)（中英文），2022，42（S2）： 294-304.

[4]侯明鋒.地鐵車站深基坑開挖對鄰近高架橋樁基的影響[D].淮南安徽理工大學(xué)，2023

[5]劉維正，葛孟源，萬家樂，等.考慮空間效應(yīng)的樁錨支護深大基坑變形特性及影響因素數(shù)值分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報， 2021，18（12）：3188-3200.

[6]房師軍，付擁軍，姚愛軍.某地鐵工程深基坑排樁圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律分析[J].巖土工程學(xué)報，2011，33（S1）：223-226.

[7]范怡飛，王建華，戴笑如.基于土體的大變形分析鉆井船插樁對鄰近樁的影響[J].巖土工程學(xué)報，2018，40（1）：91-99.

[8]楊寶珠，王麗，鄭剛.基坑開挖引起鄰近樁傾斜時豎向承載性狀有限元分析[J].巖土工程學(xué)報，2008，30（S1）：144-150..

[9]許莉，林鑫，徐楊，等.深基坑地下連續(xù)墻支護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的改進指數(shù)平滑法預(yù)測[J/OL].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報：1-20[2024-04-01].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.3242.TB.20231025.1610.002.html.

[10]黃展軍，熊偉，管凌霄，等.基坑底部土體墩式加固模型試驗與數(shù)值模擬[J].地下空間與工程學(xué)報，2023，19（S1）：219-225，253