大面積深基坑工程中樁基受力特點分析論文

摘 要：隨着建築工程的開展，以及對建築工程的研究分析更加科學化 ，能發現大面積深基坑開挖過程中 ，挖掘的土石方以及其他作用力，都會對開挖好的底坑造成壓力，根據筆者查閱現有的文獻資料，縱觀國內外的建築方面的內容，建築工程中由於樁基受力過載或者受力不均衡的原因，造成的樁基破壞垮塌事故屢見不鮮。 然而在這一問題背後，相關研究與觀點卻不足以改變當前這種情況。 本文采用基於大面積深基坑開挖過程中單樁和樁身應力特性進行了非線性有限元法的數值分析方法，重點研究透過樁特性的垂直力引起的基坑土體負荷回彈過程的變化。

關鍵詞：深基坑開挖；樁基受力特性；土體負荷回彈

現代建築技術逐步發展，但是很多細節問題仍然有待相關工作者研究論證，比如大面積深基坑開挖過程中的樁基受力問題，就有待解決。本文根據某一實際工程資料，對大面積深基坑開挖中樁基的作用力特點進行探討。對於基坑中的樁基，由於基坑深度大、基坑開挖面積大，會產生土體的回彈，這種不可避免的受力因素在一定程度上影響了基坑開挖的效果。在大面積深基坑開挖過程中，有必要對大面積深基坑開挖過程中樁基的特點進行分析，並採取合理而有效的規避手段來確樁基的穩定性。

1、受力分析類型

1.1、單樁受力分析

單樁分析表明，在整個開挖過程中，樁身部分由兩個力進行了平衡，一是向上的摩擦力，另一個是下半部分向下的力，這就使得樁拉摩阻力均勻。隨着土體應力的變化以及樁土在開挖過程中的變化，會造成樁側摩阻力的改變，樁身軸向力隨開挖深度的增加先增大後減小。由於樁長的改變，最終滑動摩擦和土層對樁的軸力的彈性模量較大，對深樁的摩擦係數和基坑開挖對樁的軸力半徑的影響較小。基坑降水引起的土體固結會導致樁身預緊力略有下降。

1.2、羣樁有限元受力分析

在羣樁分析中，採用了有限元模擬方法，這種方法的優勢之處在與避免了高成本、大規模的 3D 接觸，以及其他一些問題，從而可以對受力分析進行精準化分析。分析表明，羣樁的軸向力接近基坑的中心距，樁的軸向力遠離基坑中心。隨着開挖深度的增加，差異逐漸減小。

2、工程案例概述

我們的案例引用了一個50萬V的二線城市地下變電站，綜述這一變電站的概況，它位於地下，整體五層高度，呈現圓柱形結構，採用連續牆的受力結構，深度、基坑直徑、土方數量、整個底部面積的參數都符合本文的建模需求。透過對這一案例的資料收集，勘測資料的歸整如下，整個變電站的自重爲280萬餘kN，上限不超過430萬kN，基底承重高爲36m。爲了平衡水的浮力，需要密封降水井，還要進行後澆底板以保證阻力增加到173萬kN。在這個項目中，抗拔樁作爲抗浮設施。在施工設計中，樁基的高度是 1.2m，擴大頭那部分的半徑是32cm，長度＞25m。

3、單樁分析模型

3.1、有限元模型

爲了研究大面積開挖卸荷條件下的單樁的力學行爲，利用專業的有限元軟件對本工程建立了軸對稱有限元模型。對稱軸是圓坑模型的中心，深度爲120m，半徑爲260m模型。軸對稱的四節點的使用，在主環的三節點等參元支援擴底樁，採用地下連續牆，主要的柱和地下室的地板上使用。在充分約束條件下，採用底部邊界分析法，採用側向邊界分析。上拔力對深基坑中的樁影響最大，會造成其最大的卸載回彈變形。樁牆之間的距離爲 5m，爲了獲得等效效應，最簡單的調整的兩個環樁牆。根據體積等效原理，地下結構的主次樑和底板厚度相同。

3.2、對參數進行計算

先是對樁牆的厚度等參數進行模擬，以基坑的中心點作爲模型圖的圓心，然後以不同半徑作圓，並將每個樁基都作爲樁牆，根據等效原則進行折算。然後是對材料的模型量進行參數化顯示，所建模的實際工程採用的基護結構爲線性彈性材料，具有均質、同等厚度和同樣性質的情況，對其土質的泊松比進行定量爲1：5。

然後就是對樁土接觸面進行計算。在這次建模中，圍護樁牆的作用僅是模擬羣樁的剛度，而樁周土的表面與樁壁周圍不分層。的接觸面參數的平均值和摩擦阻力小於 0.3，而摩擦係數取值60kPa。土與樁的接觸面應劃分爲土層，其摩擦係數與樁壁與周圍土體的接觸面一致。

3.3、受力特性分析

在開挖過程中，由於埋在土體中的回彈驅動埋在地基的樁基，樁身部分由摩擦力向上而下半部分爲向下力，自重和摩擦力與樁的摩擦力向下平衡。透過對淺層樁側摩阻力減小基坑開挖過程中基坑開挖深度的增加，樁側摩阻力逐漸中性點向下，與樁位的`最大軸向力也下降，樁的軸力最大值先增大後減小。

在建模的情況下，樁的軸向力小於軸向力的理想條件下，主要的影響因素有兩種。第一個可能就是，一定範圍內的土壓力深度在樁頂附近很小，導致樁土接觸面正壓力是不夠的，因此這部分的側摩阻力會產生損失；第二個原因是，樁土相對位移的中性點附近的樁較小，導致側摩阻力的充分發揮，使這部分的側摩阻力產生了一些損失；在大面積深基坑開挖過程中，樁頂上覆壓力減小，且隨着開挖深度的增加，樁側土體回彈增大，樁土相對位移增加。

因此，在整個開挖過程中，樁身軸向力的最大值先增大後減小。建模中，爲確定受力分析的影響因素，分別對樁土接觸本構關係、深層土彈性模量、樁長、基坑的實際半徑、樁土不同深度的摩擦係數和摩擦力，以及相對位移進行了差異化建模，分析其受力特性，獲得準確的影響因素。樁長對樁側摩阻力和樁身軸向力分佈有明顯影響。

樁長的增加會使樁側摩阻力減小，樁身最大軸力增大。中性點位移和樁身最大軸向力的增大與樁長的增大成正比。基坑半徑R的變化對樁的摩阻力和樁的軸向力影響不大，且半徑變化的結果相差小於10%。考慮到單樁基坑降水模型分析樁的軸向力和不考慮基坑降水模型的結果表明：考慮到有利的軸向力分佈和變化的兩個，但前者的軸向力比後者的結果。開挖深度較大時，樁身受到明顯的預拉軸向力。連續牆厚度雖然對於應力大小的改變不是很強，但牆體的厚度會導致回彈力的傳導有不同，進而影響了彎矩力的大小，當然，連續牆的厚度越厚，側向變形的受力也就越小，變形的可能也越小。連續側牆和土體變形是引起樁身彎矩的主要原因，樁的變形會導致彎矩的減小而不斷減小側向牆和土體，這種效應隨着基坑深度的增加而逐漸增大。在同一荷載臺階和同一開挖深度下，樁的位置更接近地下連續牆，效果更爲明顯。樁土接觸面摩阻係數對樁身軸向力有明顯影響。當摩擦係數增大時，樁身附加應力增大，樁側摩阻力增大。在深基坑開挖過程中樁，垂直反彈，側向變形和樁底土體的應力狀態是從單樁明顯不同，它是基於對深基坑開挖應力特性研究羣樁的單樁分析的必要。

事實上，在土層條件相同的情況下進行大面積的深坑挖掘，會因爲樁基與基坑中心點的距離而導致軸力不同，距離中心點遠的樁基有較大的回彈力，這是因爲樁基的相對位移比較大，這時候其產生的摩擦力和阻力也就比較大了，然而隨着深度的增大，這種受力差異就會呈現變小的趨勢，這是由於開挖樁側土體回彈初期較小，大面積深基坑開挖的軸力變化對樁側土體回彈量的影響較大，側摩阻力接近充分發揮，對軸向力的影響。樁身彎矩隨開挖深度和樁側位移的增大而增大，彎矩越接近基坑的中心距越小，中心樁彎矩爲0。在基坑開挖到一定深度時，力矩分配是中間段爲正彎矩和負彎矩的兩端，連續牆厚度和樁體材料的影響彈性模量對樁的軸力不明顯，因爲側向變形的控制較好。

4、結束語

本文的建模實際上是在理想條件下的一種理想化分析，整個建模的受力分析只能大體反應開挖基坑的受力狀況，而且對一些參數的忽略或者擴大，無疑會影響結果的可信度，而且由於各個工程的實際地形土層。以及採用材料的不同，會對基坑的受力、開裂等情況造成不同程度的影響。現如今還沒有一個完整的適合實際操作的普適性深基坑大面積開挖的方案，研究這一課題，對實際操作的意義是十分重大的。