基坑开挖对桩基建筑物影响的研究.pdf

1 0 8 低温建筑技术 2 0 1 3 年第 3 期 总第 1 7 7 期 基坑 开挖对桩基建筑物影响 的研 究 官新鹏 刘畅 邹琼 1 天津大学建筑工程学院 天津3 0 0 0 7 2 2 滨海土木 1 程结构与安全教育部重点实验室 天津3 0 0 0 7 2 摘要 在基坑工程中 随着基坑内土体开挖以及降水使基坑周围的土体产生位移 即水平位移和竖直位 移 基坑工程邻近的建筑物桩基受开挖的影响而产生的附加侧向位移和弯矩 当这种附加位移 弯矩和应力达到 一 定数值时 会使桩基的变形超过限度甚至破坏 最终会导致桩基所承载的上部结构失稳或破坏 因此研究基坑 开挖对邻近桩基建筑物的影响是十分必要的 悬臂式支护由于缺少水平支撑体系而对地面超载等因素影响特别 敏感 当基坑附近有桩基建筑物时 基坑开挖势必对其造成较大影响 本文论述了悬臂式支护基坑 在开挖过程 中对不同距离和不同桩长的桩基建筑物影响的规律 关键词 基坑开挖 邻近桩基础 悬臂式支护 中图分类号 T U 4 7 3 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 3 0 3 0 1 0 8 0 3 在基坑工程中 随着基坑内土体开挖 以及降水使 基 坑周 围的土体 产生位 移 即水平位 移 和竖直 位移 基坑工程邻近的建筑物桩基受开挖 的影响而产生的 附加侧 向位移和弯矩 当这种附加位移 弯矩和应力 达到一定数值 时 会使桩基的变形超过 限度甚至破 坏 最终 会 导致桩 基所 承载 的上部 结构 失稳 或破坏 因此研究基坑开挖对邻近桩基建筑物的影响是十分 必要 的 1 有限元计算模型建立 为研究不同基坑外土体位移模式下基坑开挖对 桩基建筑的影响 通过二维有限元软件进行数值计算 分析 得出不同情况下基坑开挖对桩基建筑 的影响 规律 悬臂型基坑支护方式一般实用土层条件较好 悬 臂式支护在软土场地条件下开挖深度不宜超过 5 m 因此本次计算中 基坑开挖深度为 5 m 基坑围护结构 采用地 下 连 续 墙 支 护 形 式 地 下 连 续 墙 厚 度 D 取 1 2 m 插入 深度取 5 m 弹性模量 E为 3 0 G P a 泊松 比 为 0 1 7 模拟一基坑附近有一栋三层框架结构的建筑物 层高 3 m 楼板厚 为 0 2 m 弹性模量 取 3 0 G P a 结 构柱 为 3 0 0 m m X 3 0 0 m m 弹性模量取 3 0 G P a 基础形式为 柱下独立桩基础 由 1 2根 7 0 0 m m预制钢筋混凝土桩 组成 根据桩基建筑物距基坑的距离不同建立二维有 限元模型 分别分析不同桩与基坑距离和桩长基坑开 挖对桩基建筑物影响 的规律 经过 计算 对 比分 析各 模型桩基因基坑开挖而产生的附加内力和附加位移 讨论各基坑围护结构形式 基坑开挖对邻近桩基影响 的规律 为方便讨论 将坑外建筑物的各结构构件编号 其中 桩 自左 向右 编为桩 l 桩 2 桩 3 桩 4 柱 自左 向 右编为柱 1 柱 2 柱 3 柱 4 楼板 自下向上编 为板 1 板 2 板 3 如图 1 所示 图1 建筑物结构示意图 2 悬臂 型 基坑 开 挖 对邻 近不 同距 离桩 基 建筑 物 的 影响 在实际工程中 基坑围护结构 基坑周围土体和 邻近桩基 三者互相作用 基坑开挖过程基坑外土体 产生 向基坑 的水平位移 和竖直沉 降 土体 的位 移有 使 其中的桩基础产生附加弯矩和位移 同时因为桩基的 存在使土体的位移得到一定的限制 因此基坑开挖对 其邻近不同距基坑距离桩基建筑物影响是不 同的 为研究基坑开挖对其邻近不同距离的桩基建筑物影 响的规律 笔者分别 针对不 同距基 坑距离 的桩基建 筑 物建模 通过数值计算和数据分析 分析基坑开挖对 邻近桩基建筑物影响的规律 通过二维有限元软件 计算基坑与桩基建筑物相 对距 离 为 0 8 H 为 开挖 深 度 H 5 m 1 2 H 1 5 H 2 H 对比桩基建筑物受基坑开挖影响各结构构 件位移和内力 分析基坑开挖对桩基建筑物影响 的 规律 2 1 基坑 变性分 析 官新鹏等 基坑开挖对桩基建筑物影响 的研究 1 0 9 基坑开挖过程中 随着基坑开挖面上土体卸载 土体卸载在坑内主要引起坑底土体产生 回弹 同时由 于围护结构两侧的压力差使坑外土体向坑内移动 因此 基坑开挖产生的坑外土体移动主要是坑底回弹 和围护结构造成 基坑外地表沉 降见 图 2 图 3 暑 后 世 好 摧 嗣 距基坑距离 m 一 距基坑l O re 一 距基坑8 m o 一距基坑6 m 一 距基坑4 m 一坑外无桩基 图2 不 同桩距基坑距离地表沉降 由图2可知 当基坑外有桩基建筑物 在基坑开挖 过程中 坑外地表沉降范围增大 桩基建筑物距基坑 距离越近 基坑开挖过程 中坑外地表沉降越大 且最 大值均产生在临近基坑处 当桩基建筑物与基坑的距 离超过 8 m时 坑外地表沉降最大值减小 在土质条件较差地区基坑工程中 基坑范围内土 体塑性区范围大 土体从围护结构外围向坑内和坑底 移动 在围护结构后产生土层移动 这也是基坑外土 体位移的主要原因 当基坑外存在桩基时 桩基会在 一 定程度上限制坑外土体向坑内流动 减小基坑外土 体位移 同时 由于基 坑外 的桩基 建 筑 的 自重 使基 坑 产生超载 使基坑 围护结构 在开挖 过程 中两侧压 力差 增大 使围护结构侧移增 大 各工况地连墙侧移值见 表 1 表 1 为各工况地连墙侧移最大值 由表 1 可知 当桩基建筑物距基坑 4 m时 地连墙 侧移值 最小 2 2 建筑物位移和内力 基坑工程中 由于基坑开挖产生的坑外土体位移 使 建筑物桩 基产生竖 向的沉 降和水平 侧移 而桩基 的 位移会引起其支撑的上部结构产生位移和附加内力 当这种位移和内力值到达一定的程度 会使上部结构 发生破坏 影响结构的正常使用和安全 对于基坑外的框架结 构建 筑物 基 坑开挖 产生 的 土体侧移和沉降使建筑物柱产生附加的水平位移以 及结构柱轴力的变化 影响建筑物的稳定 将各计算 工况建筑物柱的侧移和轴力统计于表 2 对 比不同工 况基坑开挖对建筑物柱的影响 表 2 建筑物侧移和轴力最大值统计表 从表 2可知 建筑物距基坑最近的桩即桩 1 在基 坑开挖后轴力最大 其中当建筑物距坑最近时轴力最 大 达到 一 4 O 0 8 k N m 基坑开挖后 建筑物两边的柱 的轴力普遍大于建筑物中间柱的轴力 基坑开挖过程 中 开挖土体产生沉 降 使得开挖 桩基建筑物产生不均匀沉降 这种不均匀沉降累积到 一 定程度可能使建筑物开裂 影响建筑物正常使用和 安全 对于框架结构建筑物 建筑物不均匀沉降使楼 板内力发生变化 当其 内力超过其极限承载力 楼板 会发生破坏 因此统计各工况楼板竖直位移和弯矩于 表 3 对比各工况基坑开挖对邻近桩基建筑物的影响 表 3 建筑物 板竖直位移和 弯矩 最大 值统计表 由表 3可以看出 建筑物楼板的竖直位移随着建 筑物与基坑距离的增加而减小 其楼板弯矩板 3明显 小于板 2和板 3 其中板 I的弯矩随着建筑物距基坑 距离的增大而增大 板 2的弯矩随着建筑物距基坑距 l 1 O 低温建筑技术 2 0 1 3年第 3期 总第 1 7 7期 离的增大而减小 板 3随着建筑物距基坑距离的增大 而增 大 3 基坑开挖对邻近不 同桩长桩基建筑物 的影 响 基坑开挖对邻近桩基建筑物的影响不仅与基坑 和桩基距离有关 而且还与相邻桩基建筑物桩的长度 有关 为研究基坑开挖对邻近不同桩长的桩基建筑 物的影响 笔者在上文距基坑 4 m计算模型基础上分 别建立桩长 8 m和桩长 1 2 m的桩基建筑物的计算模 型 通过数值计算和对计算结果数据的统计整理 分 析基坑 开挖对邻 近桩长不同的桩基建 筑物的影响 规律 在基坑开挖由于坑外土体移动 使桩身产生一定 的附加位移和附加弯矩 统计不同桩长的桩基建筑物 基坑开挖后桩身侧移和弯矩 如表4所示 表 4 建筑物桩身侧 移和弯矩 根据第二节分析 基坑开挖对建筑物距基坑近的 桩影响要明显大于距基坑较远的桩 因此需特别分析 桩 1 的桩身侧移和弯矩 如图3和图4所示 0 逞一 5 世 涨 一1 0 1 5 5 0 蟊 一 聪 一 l 0 1 5 一2 O 0 桩 l 侧移 ra m 图3 桩l 侧移 一 2 O 0 2 O 4 0 桩 1 弩矩 k N m m一 图4 桩l 弯矩 髅 桩 长 8 m 从 图 3 图 4可以看 出 当建筑物 桩长为 8 m 时 基 坑开挖引起 的桩身侧移最大 最 大值达到 一 3 9 7 8 ra m 而当桩长为 1 0 m或超过 1 0 m时 桩身侧移较小 当桩 长为 1 2 m时 桩身最 大为 一 2 0 7 6 ra m 同时 当桩 长为 8 m 桩身附加弯矩最 大 达到 5 0 8 6 k N m m 综上所 述 当邻近桩基建筑物桩长小于地连墙嵌入深度时 应在基坑工程设计和施工过程中对桩基建筑采取加 固措施 或考虑选取其它基坑支护方案 4结语 在基坑开挖过程中 邻近基坑桩基建筑物对基坑 开挖起超载作用 由于基坑开挖的卸载作用 使基坑 围护结构两侧的压力差增 大 基坑 围护结构侧移增 大 基坑外土层位移增大 当邻近基坑的桩基建筑物 的桩长超过地连墙的嵌入深度时 建筑物桩将上部结 构荷载导人下层土层 建筑物对基坑的超载作用减 弱 同时建筑物 桩 能够 限制基 坑外 土层移 动 使基 坑 周围土体位移减小并使基坑围护结构侧移减小 如 果邻近基坑的建筑物桩长度小于地连墙嵌入深度时 悬臂式支护基坑的围护结构侧移以及土体的位移会 明显增大 如当桩长 8 m时 地连墙侧移 一 7 4 1 0 m m远 远大于桩长 1 0 m 桩 长 1 2 m 时 因此 当基 坑 周 围有 桩长小于围护结构嵌入深度的桩基建筑物时 在基坑 工程的设计和施工过程中要对悬臂式支护基坑采取 加固措施或应选取其它支护方案 参考文献 1 杨敏 朱碧堂 超载软土地基被动加固控制邻近桩基变形的 分析 J 岩石力学与工程学报 2 0 0 4 2 3 1 1 1 9 1 2 1 9 1 8 2 刘建航 侯学渊 基坑工 程手册 M 北京 中国建筑 工业 出 版社 1 9 9 7 3 崔江余 梁仁旺 建筑基坑工程设计计算与施工 M 北京 中国建材工业 出版社 1 9 9 9 4 王卫东 徐中华 预估深基坑开挖对周边建筑物影响的简化 分析方法 J 岩土工程学报 增刊 1 2 0 1 0 3 2 s u p p 1 3 2 38 5 雷阳 基坑开挖对邻近建筑物影响的数值分析 D 天津天 津大学 2 0 0 6 6 E r i n H Y L e u n g C h a r l e s 砒 N g Wa l l a n d g r o u n d m o v e m e n t s a s s o cia t e d wit h d e e p e x ca v a t io n s s u p p o s e d b y ca s t in s it u wa l l in mi x