大面积深基坑开挖过程中桩基受力特性研究

摘要

由大面积大深度的基坑开挖引起土体回弹卸荷将对已存在的坑底桩基产生影响，国内外已多次报道由大面积大深度土体卸荷竖向回弹造成的桩基工程事故。但是目前针对这一问题的研究文献报导很少。本文采用基于非线性有限元的数值方法对大面积深基坑开挖过程中单桩和群桩的受力特性进行了系统深入的研究，研究侧重于基坑开挖过程中土体卸荷竖向回弹引起的桩身受力特性变化。 研究表明考虑墙土接触面比不考虑墙土接触面的计算方法更能合理反映地下连续墙与周围土体相互作用的特征，计算得到的基坑变形结果也与实测数据更加吻合。在分析基坑开挖过程中单桩和群桩的受力特性时，有必要考虑墙土接触面。 单桩分析表明在整个开挖过程中，桩身上半部份受到向上的摩擦力而下半部分受到向下的摩擦力，从而使桩身受拉甚至拉断。由于土体中应力变化和桩土相对位移对侧摩阻力的综合影响，桩身轴力随开挖深度增加呈先增大后减小的趋势。桩长、桩土界面极限滑动摩阻力、土层弹性模量等参数对桩身轴力的影响较大，深层桩土摩擦系数、基坑开挖半径等参数对桩身轴力的影响较小。坑内降水引起的土体固结会导致桩身预拉力略有减小。 在群桩有限元模拟计算中，克服了大规模三维接触问题模拟时计算成本高及难以收敛的困难，实现了基坑中群桩与土体大规模接触分析。分析表明同一开挖工况下，群桩中距离基坑中心距离近的桩身轴力较大，而距离基坑中心距离远的桩身轴力较小。但随着开挖深度的增加，这种差别逐渐减小。 针对上海世博地下变电站基坑抗拔桩的研究表明，基坑开挖引起的桩身轴力对抗拔桩的负面影响较轴心受压桩更为明显，在抗拔桩设计中应充分考虑开挖引起的预拉力的存在，且扩底抗拔桩受到的预拉力大于等截面桩。正常使用状态下桩身轴力是土体回弹隆起引起的轴力和桩顶上拔的引起的轴力的叠加。