大面積深基坑工程中樁基受力特點(diǎn)分析論文
摘 要：隨著建筑工程的開展，以及對(duì)建筑工程的研究分析更加科學(xué)化 ，能發(fā)現(xiàn)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(huì)對(duì)開挖好的底坑造成壓力，根據(jù)筆者查閱現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料，縱觀國內(nèi)外的建筑方面的內(nèi)容，建筑工程中由于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。 然而在這一問題背后，相關(guān)研究與觀點(diǎn)卻不足以改變當(dāng)前這種情況。 本文采用基于大面積深基坑開挖過程中單樁和樁身應(yīng)力特性進(jìn)行了非線性有限元法的數(shù)值分析方法，重點(diǎn)研究通過樁特性的垂直力引起的基坑土體負(fù)荷回彈過程的變化。
關(guān)鍵詞：深基坑開挖；樁基受力特性；土體負(fù)荷回彈
現(xiàn)代建筑技術(shù)逐步發(fā)展，但是很多細(xì)節(jié)問題仍然有待相關(guān)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(jù)某一實(shí)際工程資料，對(duì)大面積深基坑開挖中樁基的作用力特點(diǎn)進(jìn)行探討。對(duì)于基坑中的樁基，由于基坑深度大、基坑開挖面積大，會(huì)產(chǎn)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(duì)大面積深基坑開挖過程中樁基的特點(diǎn)進(jìn)行分析，并采取合理而有效的規(guī)避手段來確樁基的穩(wěn)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(gè)開挖過程中，樁身部分由兩個(gè)力進(jìn)行了平衡，一是向上的摩擦力，另一個(gè)是下半部分向下的力，這就使得樁拉摩阻力均勻。隨著土體應(yīng)力的變化以及樁土在開挖過程中的變化，會(huì)造成樁側(cè)摩阻力的改變，樁身軸向力隨開挖深度的增加先增大后減小。由于樁長的改變，最終滑動(dòng)摩擦和土層對(duì)樁的軸力的彈性模量較大，對(duì)深樁的摩擦系數(shù)和基坑開挖對(duì)樁的軸力半徑的影響較小�；咏邓鸬耐馏w固結(jié)會(huì)導(dǎo)致樁身預(yù)緊力略有下降。
1.2、群樁有限元受力分析
在群樁分析中，采用了有限元模擬方法，這種方法的優(yōu)勢(shì)之處在與避免了高成本、大規(guī)模的 3D 接觸，以及其他一些問題，從而可以對(duì)受力分析進(jìn)行精準(zhǔn)化分析。分析表明，群樁的軸向力接近基坑的中心距，樁的軸向力遠(yuǎn)離基坑中心。隨著開挖深度的增加，差異逐漸減小。
2、工程案例概述
我們的案例引用了一個(gè)50萬V的二線城市地下變電站，綜述這一變電站的概況，它位于地下，整體五層高度，呈現(xiàn)圓柱形結(jié)構(gòu)，采用連續(xù)墻的受力結(jié)構(gòu)，深度、基坑直徑、土方數(shù)量、整個(gè)底部面積的參數(shù)都符合本文的建模需求。通過對(duì)這一案例的資料收集，勘測(cè)資料的歸整如下，整個(gè)變電站的自重為280萬余kN，上限不超過430萬kN，基底承重高為36m。為了平衡水的浮力，需要密封降水井，還要進(jìn)行后澆底板以保證阻力增加到173萬kN。在這個(gè)項(xiàng)目中，抗拔樁作為抗浮設(shè)施。在施工設(shè)計(jì)中，樁基的高度是 1.2m，擴(kuò)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
為了研究大面積開挖卸荷條件下的單樁的力學(xué)行為，利用專業(yè)的有限元軟件對(duì)本工程建立了軸對(duì)稱有限元模型。對(duì)稱軸是圓坑模型的中心，深度為120m，半徑為260m模型。軸對(duì)稱的四節(jié)點(diǎn)的使用，在主環(huán)的三節(jié)點(diǎn)等參元支持?jǐn)U底樁，采用地下連續(xù)墻，主要的柱和地下室的地板上使用。在充分約束條件下，采用底部邊界分析法，采用側(cè)向邊界分析。上拔力對(duì)深基坑中的樁影響最大，會(huì)造成其最大的卸載回彈變形。樁墻之間的距離為 5m，為了獲得等效效應(yīng)，最簡單的調(diào)整的兩個(gè)環(huán)樁墻。根據(jù)體積等效原理，地下結(jié)構(gòu)的主次梁和底板厚度相同。
3.2、對(duì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算
先是對(duì)樁墻的厚度等參數(shù)進(jìn)行模擬，以基坑的中心點(diǎn)作為模型圖的圓心，然后以不同半徑作圓，并將每個(gè)樁基都作為樁墻，根據(jù)等效原則進(jìn)行折算。然后是對(duì)材料的模型量進(jìn)行參數(shù)化顯示，所建模的實(shí)際工程采用的基護(hù)結(jié)構(gòu)為線性彈性材料，具有均質(zhì)、同等厚度和同樣性質(zhì)的情況，對(duì)其土質(zhì)的泊松比進(jìn)行定量為1：5。
然后就是對(duì)樁土接觸面進(jìn)行計(jì)算。在這次建模中，圍護(hù)樁墻的作用僅是模擬群樁的剛度，而樁周土的表面與樁壁周圍不分層。的接觸面參數(shù)的平均值和摩擦阻力小于 0.3，而摩擦系數(shù)取值60kPa。土與樁的接觸面應(yīng)劃分為土層，其摩擦系數(shù)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，由于埋在土體中的回彈驅(qū)動(dòng)埋在地基的樁基，樁身部分由摩擦力向上而下半部分為向下力，自重和摩擦力與樁的摩擦力向下平衡。通過對(duì)淺層樁側(cè)摩阻力減小基坑開挖過程中基坑開挖深度的增加，樁側(cè)摩阻力逐漸中性點(diǎn)向下，與樁位的`最大軸向力也下降，樁的軸力最大值先增大后減小。
在建模的情況下，樁的軸向力小于軸向力的理想條件下，主要的影響因素有兩種。第一個(gè)可能就是，一定范圍內(nèi)的土壓力深度在樁頂附近很小，導(dǎo)致樁土接觸面正壓力是不夠的，因此這部分的側(cè)摩阻力會(huì)產(chǎn)生損失；第二個(gè)原因是，樁土相對(duì)位移的中性點(diǎn)附近的樁較小，導(dǎo)致側(cè)摩阻力的充分發(fā)揮，使這部分的側(cè)摩阻力產(chǎn)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，且隨著開挖深度的增加，樁側(cè)土體回彈增大，樁土相對(duì)位移增加。
因此，在整個(gè)開挖過程中，樁身軸向力的最大值先增大后減小。建模中，為確定受力分析的影響因素，分別對(duì)樁土接觸本構(gòu)關(guān)系、深層土彈性模量、樁長、基坑的實(shí)際半徑、樁土不同深度的摩擦系數(shù)和摩擦力，以及相對(duì)位移進(jìn)行了差異化建模，分析其受力特性，獲得準(zhǔn)確的影響因素。樁長對(duì)樁側(cè)摩阻力和樁身軸向力分布有明顯影響。
樁長的增加會(huì)使樁側(cè)摩阻力減小，樁身最大軸力增大。中性點(diǎn)位移和樁身最大軸向力的增大與樁長的增大成正比�；影霃絉的變化對(duì)樁的摩阻力和樁的軸向力影響不大，且半徑變化的結(jié)果相差小于10%�？紤]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(jié)果表明：考慮到有利的軸向力分布和變化的兩個(gè)，但前者的軸向力比后者的結(jié)果。開挖深度較大時(shí)，樁身受到明顯的預(yù)拉軸向力。連續(xù)墻厚度雖然對(duì)于應(yīng)力大小的改變不是很強(qiáng)，但墻體的厚度會(huì)導(dǎo)致回彈力的傳導(dǎo)有不同，進(jìn)而影響了彎矩力的大小，當(dāng)然，連續(xù)墻的厚度越厚，側(cè)向變形的受力也就越小，變形的可能也越小。連續(xù)側(cè)墻和土體變形是引起樁身彎矩的主要原因，樁的變形會(huì)導(dǎo)致彎矩的減小而不斷減小側(cè)向墻和土體，這種效應(yīng)隨著基坑深度的增加而逐漸增大。在同一荷載臺(tái)階和同一開挖深度下，樁的位置更接近地下連續(xù)墻，效果更為明顯。樁土接觸面摩阻系數(shù)對(duì)樁身軸向力有明顯影響。當(dāng)摩擦系數(shù)增大時(shí)，樁身附加應(yīng)力增大，樁側(cè)摩阻力增大。在深基坑開挖過程中樁，垂直反彈，側(cè)向變形和樁底土體的應(yīng)力狀態(tài)是從單樁明顯不同，它是基于對(duì)深基坑開挖應(yīng)力特性研究群樁的單樁分析的必要。
事實(shí)上，在土層條件相同的情況下進(jìn)行大面積的深坑挖掘，會(huì)因?yàn)闃痘c基坑中心點(diǎn)的距離而導(dǎo)致軸力不同，距離中心點(diǎn)遠(yuǎn)的樁基有較大的回彈力，這是因?yàn)闃痘南鄬?duì)位移比較大，這時(shí)候其產(chǎn)生的摩擦力和阻力也就比較大了，然而隨著深度的增大，這種受力差異就會(huì)呈現(xiàn)變小的趨勢(shì)，這是由于開挖樁側(cè)土體回彈初期較小，大面積深基坑開挖的軸力變化對(duì)樁側(cè)土體回彈量的影響較大，側(cè)摩阻力接近充分發(fā)揮，對(duì)軸向力的影響。樁身彎矩隨開挖深度和樁側(cè)位移的增大而增大，彎矩越接近基坑的中心距越小，中心樁彎矩為0。在基坑開挖到一定深度時(shí)，力矩分配是中間段為正彎矩和負(fù)彎矩的兩端，連續(xù)墻厚度和樁體材料的影響彈性模量對(duì)樁的軸力不明顯，因?yàn)閭?cè)向變形的控制較好。
4、結(jié)束語
本文的建模實(shí)際上是在理想條件下的一種理想化分析，整個(gè)建模的受力分析只能大體反應(yīng)開挖基坑的受力狀況，而且對(duì)一些參數(shù)的忽略或者擴(kuò)大，無疑會(huì)影響結(jié)果的可信度，而且由于各個(gè)工程的實(shí)際地形土層。以及采用材料的不同，會(huì)對(duì)基坑的受力、開裂等情況造成不同程度的影響�，F(xiàn)如今還沒有一個(gè)完整的適合實(shí)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(duì)實(shí)際操作的意義是十分重大的。
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