浅谈基坑开挖时邻近桩基性状的数值分析

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摘 要：土体侧向移动对邻近桩的不利影响是基坑开挖的一个重要问题，因为它极有可能给邻近桩造成侧向位移和附加应力、弯矩等不利效果，严重者甚至给上部建筑物带来功能的损失。利用土工有限元软件Plaxis8.2对内支撑排桩支护基坑开挖进行有效的数值分析，可以充分了解基坑开挖时影响邻近桩基的各种因素，从而确保基坑开挖的质量。

关键词：基坑开挖；邻近桩基；形状；数值分析

基坑开挖引起的土体侧向移动会对邻近桩基产生一定的影响，这是一个典型的被动桩问题，目前城市里的即可开挖一般是在已有建筑物旁进行的，因而对邻近桩基的影响很大。本文通过利用采土工有限元软件Plaxis8.2对内支撑基坑开挖时对邻近桩基的性状进行了有效分析，研究了单双排桩的各种工况，例如支护桩的刚度、桩基和支护的距离、桩基的刚度、桩基的长短、桩长的条件对桩基的附加弯矩和侧向位移的影响、桩头的约束等等。

1 问题的简化和有限元模型

忽略一些纵向边界条件的影响，采用二维有限元的分析手段，将桩基作为板状来进行考虑，并通过以下计算公式来计算板状的弹性模量。

其中：p代表的是桩，s代表土，u指的是相邻桩之间的中心距离，d是桩径。通过将桩体看做桩版，就可以将桩间的绕流在最大程度上进行忽视，从而可以使基坑开挖土层水平位移产生的水平作用力可以均匀地施加在桩的身上。结果的测量一般是土层水平位移会比实际位移小，而桩身的水平位移则比实际大。通过被动桩的土拱效应分析可以看到，如果不同桩之间的中心距离小于3d桩径时，被动桩承担着90%以上的土层侧向位移对被动桩产生的侧压力，也就是说排桩完全可以等效为板桩来看，所以完全可以用二维分析来进行机制研究和形态分析评估。

图1是建立的有限元模型和剖分的网络。对左右边界进行水平约束，对对底边界进行固定约束。用线弹性梁单元对支护桩、邻近工程桩、内支撑进行分析，利用Plaxis8.2的一种弹塑性模式来模拟接触面性状，同时并不考虑打桩对土体可能造成的影响。

2 基本算例

基本算例主要是分成两种情况，即单排和双排，并且在计算时不考虑桩顶的约束，主要是为了有效分析不同开挖深度对邻近桩形状的影响。计算参数如表1所示。

典型分析时，一般支护桩弹性模量等效后的刚度EI=210.0MN・m2/m，而邻近工程桩的刚度EI=1100.0MN・m2/m，他们二者的泊松比都是0.16，内支撑轴的刚度EA=2.0×103MN/m，L=3.0m。如图2所示，它代表了单排桩的桩身水平位移情况和弯矩变化情况受不同开挖深度的影响结果，一共开挖了4个阶段，每个阶段进行2m的挖掘，总共达到8m的深度。图2（a）纵坐标代表了桩所处的不同位置，横坐标代表的是桩身的位移情况，正值代表向基坑的一侧发生的位移值。图2（b）纵坐标同样代表桩的不同位置，而横坐标代表桩身的弯矩值，正值则代表桩身背离基坑一侧受拉而产生的弯矩值。从图中可以看出随着开挖深度的增加，桩身的位移和弯矩也随之增大，两者与开挖深度呈现线性相关趋势。

3 各种因素对邻近桩性状的影响

3.1 支护桩刚度的影响

支护桩所用到刚度EI设定为21.0、210.0、100.0MN・m2/m，其他与算例的设定基本一样。如果支护桩的刚度不同，那么在基坑开挖时对邻近土地造成的变形场效果是不一样的，由此引发的邻近桩位移距离和弯矩程度也是不一样。如图5所示，在最大开挖深度的情况下，支护桩在不同的刚度条件下对邻近桩产生的位移变化和弯矩程度。从图中的变化曲线可以看到，如果支护桩的刚度越大，那么邻近桩的位移变化和弯矩程度就会越小，当刚度增加到某个定值时，这些变化就可以忽略不计。如果支护桩的刚度很小，那么邻近桩的位移变化和弯矩程度就会很大。

如图6所示，它的曲线变化代表的是双排桩下邻近桩的位移情况和弯矩变化。从计算的结果来看，如果支护桩的刚度产生变化，前后桩的位移变化相对比较接近，而前桩的变化程度则更大一些，但是前后桩的弯矩程度则相差较大，相差了2倍之多。支护桩的刚度变化最然对后排桩的影响不大，最大值变化也不明显，但是出现的方向确实相反的。

3.2 工程刚度的影响

将邻近工程桩的刚度EI设定为11.0、110.0、1100.0MN・m2/m，其他设定的条件与基本算例一样。如图7所示，它的曲线代表的是单排桩桩身在开挖深度达到8.0m时所产生的的位移变化和弯矩程度。如果桩身的弹性模量相对较小，则邻近桩展现出柔性桩的性质，会发生较大的变形，最大的唯一地点会出现在桩的中上部，而变化趋势没有明显的线性相关趋势，产生的弯矩程度也相对较小。反之，如果桩身弹性模量较大，则桩身位移会呈现出线性相关的趋势，最大位移会出现桩头处，但是最大值相对来水依旧很小，而弯矩程度则会变得很大。

图8所示的是不同刚度的双排桩对邻近工程桩造成的位移变化和弯矩程度图。如果双排桩的刚度很大，位移与其呈现出明显的线性相关，不同刚度情况下前后桩的桩身位移变化类似，但是后排装的弯矩程度很小，变化也小。

3.3 桩基距离基坑开挖面L的影响

桩基距基坑开挖面的直线距离L取数值2.0、5.0、8.0、10.0m进行数据分析。图9和图10都是在开挖深度为8.0m的情况下邻近桩的位移变化和弯矩程度图。从图中的曲线变化可以明显看出随着与开挖面距离的不断增大，桩身的位移变化和弯矩程度在不断地减小，直线距离2m和直线距离5m的情况下进行比较，桩身的附加弯矩值在L=2m时明显更大。

3.4 桩顶承台的影响

桩顶约束会对被动桩的性状产生一定的影响，因此在分析时采用梁单元进行承台的模拟，一般选用宽4.0m、等效厚度2.0m的承台进行，其EA=4.0×104MN/m，EI=13340.0MN・m2/m，与开挖面的距离选择为3m，其他的设定与基本算例基本一致。

如图11所示，在开挖深度为4.0、6.0、8.0的情况下，单排桩如果受承台约束，其位移变化和弯矩程度的变化曲线如下图。在有承台时，桩身产生的文艺变化和弯矩程度都变得较小，最大弯矩也有了减小，桩头处也发生了弯矩变化，这主要是承台约束了桩的变形。

如图12所示，双排桩如果受承台约束，其位移变化和弯矩程度的变化曲线如下图。双排桩的桩头位移水平差别基本不大，在有承台的情况下桩头处会出现较大的弯矩变化，这主要是承台约束的作用下后排桩将前排桩向后拖，前排桩则会将后排装向前拉。

图13则是双排桩在有无承台情况下桩基受到的影响程度对比。从图中可以看出桩身的位移变化并不明显，但是弯矩程度的变化却很大，后排装在没有承台时弯矩程度几乎为0，而有承台时弯矩的最大值会出现桩头。

3.5 桩长的影响

邻近桩基的长度也是影响桩基性状的一个重要因素。将桩基长度设定为6、8、12、18n来进行比较。图14是不同桩长条件下单排桩的位移和玩具分布图，桩长和最大水平位移呈现负相关，桩顶水平位移则是先增后减，桩底水平位移一直减小，最大弯矩在桩中间。

图15是双排桩的变化情况，与单排桩基本相似，但后排桩的最大水平位移则在桩头处。

4 结束语

从上文选取的相关数据分析可以看到，影响邻近桩基性状的因素有很多，处理好这些因素的影响，才能有效的提高建筑的质量。

参考文献

[1]陈福全，汪金卫，刘毓氚.基坑开挖时邻近桩基性状的数值分析[J].岩土力学，2008，07：1971～1976.

[2]李龙剑，杨宏伟，李政林，蔡永昌.基坑开挖对邻近桥梁桩基的影响分析[J].地下空间与工程学报，2011，S2：1697～1701.

[3]孙岳.基坑开挖对既有桩基础影响的数值分析[D].大连理工大学，2007.

作者简介：王小明（1979-），男，本科，工程师，主要从事岩土工程地质勘察工作。