浙江湖州
摘要：城市建筑物密集区深基坑开挖必然引起周围土体侧向移动，使邻近桩基产生水平变形和附加应力及弯矩，最终可能使上部建筑物功能失效。针对该领域目前存在的三维数值法建模复杂及计算耗时的缺点，提出两阶段分析法，该方法首先根据影像源法计算由于基坑开挖地层损失引起的坑外土体位移场，然后基于 Winkler 地基模型建立基坑开挖与邻近桩基相互作用的弹性地基梁微分方程组，并推导基坑开挖对临近桩基侧向响应影响的数学解析解矩阵表达式。最后结合实例分析表明，该方法计算结果合理能够有效地分析基坑开挖对邻近桩基的影响。
关键词：基坑工程；弹性地基梁；桩–土相互作用；解析解；两阶段分析方法；自由场土体位移
1引 言
随着城市建设对地下空间利用需求的快速发展，建筑基坑向大、深方向发展，必然会引致周边土体不同程度的移动，从而对基坑邻近的建筑物（尤 其地铁隧道、地铁车站）、立交桥等的桩基础产生不同程度影响，这使得基坑工程的环境保护及安全问题日显突出。例如，台北市某处地铁附近开挖深基 坑导致临线隧道破坏，造成了巨大经济损失[1]；新加坡某高速公路旁地铁基坑坍塌，造成该高速公路主干道坍塌及人员伤亡事故[2]。因此，针对基坑开挖施工情况下邻近建筑物桩基的受力变形进行研究具有很重要的工程实际意义。国内外岩土工程的专家学者就基坑围护结构的对邻近设施及建筑物的影响问题开展了研究。H. Poulos 和 L. T. Chen[3]运用有限元和边界元耦合方法研究黏土层中由于基坑开挖引起土体侧向移动对邻近桩基的影响，分析了各种影响因素并且编制了设计图表，其在缺乏详细的现场工程资料时有很好的参考价值。王翠等[4]采用有限差分法分析了基坑开挖对邻近桥桩的影响。此外，杨敏等[5-6]采用三维有限元法分析了桩基和基坑间距、桩基刚度、桩基顶竖向荷载和约束条件等对桩身附加弯矩、位移的影响，并进行了影响评价分析。
鉴于目前该领域存在的数值模拟法建模复杂与计算耗时的缺点，本文基于两阶段分析方法（TSM），提出了基坑开挖对邻近桩基侧向受力变形影响的地基反力法解析解矩阵表达式。该法的基本思想为：先求得基坑开挖及其围护结构变形引起的坑外土体位移场或土压力分布；将桩基视为一维杆系结构，其和周围土体的相互作用通过设置的 Winkler 弹簧实现，将先前求得的土体位移或土压力作用于桩基，求出桩身附加应力和应变，从而分析开挖对桩基的影响。
2基坑开挖变形影响的两阶段分析
2.1基坑开挖引起坑外土体自由位移场
对于不可压缩土体（或其压缩性可忽略），C.Sagaseta[7]提出影像源法（Virtual image technique），并推导了弹性半空间中任意一点处由于地层损失引起的周围土体位移场分布规律公式。K. J. Xu 和 H. Poulos[8]利用该公式计算基坑外任意点处土体竖向水平位移，由于仅采用二次抛物线来拟合基坑开 挖面以上围护结构（连续墙或支护桩）变形，有时与实际情况相差甚远。本文中围护结构水平位移曲线通过实测或有限元方法计算确定后拟合成曲线函数，再将整个水平位移分布曲线划分为若干微分段，依据面积等效原理将每个微分段所对应的面积等效为圆，最后利用影像源法沿整个围护结构深度进行积分得到基坑外任意点（x，z）处自由场土体侧向位移。
2.2 基坑临近桩基与土体相互作用分析
为了得到基坑开挖引起的土体侧向位移作用 下，桩–土相互作用的控制方程，需做如下假设：
（1）土体为各向同性半空间弹性体；（2）桩和周围土体不发生脱离；（3）桩基的存在对基坑开挖不产生影响；（4）桩为连续、弹性、各向同性体；（5）桩位置处土层单元相互作用不受开挖影响；（6）仅考虑水平荷载作用，忽略竖向荷载作用。
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在实际运用中，以桩周自由场土体是否发生侧移为依据，将邻近桩分为受荷段和锚固段以进行受力和变形分析（见图 1），根据静力平衡及材料力学假设，建立基坑开挖临近桩在土体侧移作用下全桩长的挠曲控制方程组。
3实例验证
基于本文提出的解析表达式，采用Matlab软件编制了计算程序，以下通过工程实例验证本文解及所编程序的可靠性。
3.1 实例 1
H. Poulos 和 L. T. Chen[3]提出了用有限元–边界元相结合的方法来分析基坑开挖对邻近桩基的影 规律。其计算模型简图如图 1 所示，研究区域内地层为均匀的饱和软黏土，容重为20 kN/m3，泊松比?s = 0.5，土体的压缩模量为 16 MPa，水平抗力系数按式（3）提供的方法计算；基坑围护结构长13 m；邻近单桩长 L = 22 m，桩径为 500 mm，桩体弹性模量 Ep= 30 GPa，桩轴线距离基坑 x = 1 m。本文选取H. Poulos 和L. T. Chen[3]研究中基坑开挖6 和8 m 两种工况来进行对比验证。围护结构挠度曲线采用 H. Poulos 和 L. T. Chen[3]有限元计算结果，多项式拟合成函数 f（?）代入式（1）得到邻近桩位置自由场土体侧移曲线，然后利用本文提出的控制方程组进行求解邻近桩挠度曲线，其结果与 Poulos 法[3]有限元结果进行对比（见图 2）。结果表明二者具有较好的一致性。
4结 论
针对目前三维数值法研究基坑开挖对邻近桩影响存在的不足（建模复杂及计算耗时的缺点），本文提出采用两阶段法（TSM）进行分析，首先根据影像源法计算基坑开挖地层损失引起的坑外土体位移场，然后基于 Winkler 地基模型建立基坑开挖与邻 近桩基相互作用的弹性地基梁基本微分方程组，推导了基坑开挖对临近桩基侧向响应影响的数学解析 解矩阵表达式。最后，编制 Matlab 计算程序进行桩内力计算，并与现场监测数据及数值计算结果比较，结果验证了本文解析方法的可靠性，对开挖对邻近桩的影响分析有很好的指导作用。
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[6]XU K J，POULOS H. Theoretical study of pile behaviour induced by a soil cut[C]// Proceedings of Geotechnical Engineering. [S.l.]：[s.n.]，2000：1–6.
论文作者:储成群
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/5
标签：基坑论文; 桩基论文; 相互作用论文; 位移论文; 体位论文; 地基论文; 方法论文; 《基层建设》2016年11期论文;