1、大面积深基坑开挖过程中桩基受力特性研究摘要：由大面积大深度基坑开挖引起的土体卸荷回弹会对坑底桩基产生不利影响，这一影响对抗拔桩尤为突出。针对上海世博地下变电站的抗拔桩设计，采用基于非线性有限元的数值方法对抗拔桩在大面积深开挖过程中的受力特性进行了研究。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，应以此对桩身的钢筋配置进行校核。 关键词：抗拔桩；深开挖；土体卸荷回弹；桩土共同作用；预拉力 中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 引言 随着我国城市化进程的加速，大量地下建筑在沿海地区兴建，如地铁、地下车库、高层建筑多层地下室、地下商场、地下民防工事等，由此产生了
2、大量深基坑工程。由于桩基础一般先于基坑开挖设置，大面积大深度开挖引起的土体卸荷回弹必将对已存在的坑底桩基产生影响，深开挖对桩基受力性状会产生显著影响。因此，超大超深基坑开挖卸荷引起的土体回弹隆起对抗拔桩受力性状的影响是抗拔桩设计时必须考虑的问题。本文采用有限元法对基坑开挖全过程进行了数值分析，研究基坑开挖过程中及正常使用状态下该工程抗拔桩受力性态的变化。 工程概况 拟建上海世博 500 kV 地下变电站为全地下四层筒型结构，地下建筑直径 130m，基坑开挖深达 33.7 m。采用“两墙合一”地下连续墙作为基坑围护结构，墙厚 1.2m，插入深度 23.8 m，墙底深度 57.5 m。 根据勘察报
3、告，底板承受的水头高度达 33 m，整个工程承受的上拔力标准值达 4220000 kN，其结构自重标准值约 2826000 kN。在底板浇注完成后，降水井封闭，此时变电设备还未安装，除结构自重外，尚需增加 1730000 kN 的抗力才能平衡水浮力。即使在设备安装后的正常运行阶段，也要承受 1387043 kN 的上拔力，因此，抗浮设计尤为重要。本工程抗浮措施采用设置抗拔桩的方法，初步设计5扩底抗拔桩桩长 48.5 m，桩径 800 mm，扩大头直径 1500 mm，高 2000 mm，桩端进入 1层。 开挖过程中抗拔桩受力性状分析 基坑有限元模型 基坑平面为直径 130 m 的圆形，开挖深度
4、为 33.70 m，抗拔桩桩顶标高-33.4 m，桩底标高-82.0 m。有限元计算根据圆形基坑特点采用轴对称模型，以圆形基坑圆心为对称轴，计算总体模型取半径 260m，深度120m。土体、底板、地下连续墙、扩底抗拔桩、环向支撑采用轴对称 3 节点和 4 节点等参单元，地下室楼板、立柱采用轴对称壳单元模拟。模型总单元数 7169，总节点数 8145。分析过程中对土体侧边界施加侧向位移约束，土体底部边界全约束。 由于深基坑中部的卸荷回弹变形最大，该处的桩所受上拔影响也最大，本文重点分析对称轴处中心扩底抗拔桩的受力性状。因此，模型中心扩底抗拔桩为实际抗拔桩形状，而周围区域的抗拔桩等效为等间距的桩墙
5、以模拟实际工程中的群桩效应。桩墙间距为 5.00m，最外侧两圈桩墙由于立柱布置的需要略作调整等效。地下结构的立柱等效为等截面积的薄板，地下结构楼板、主次梁根据等体积原则等效为等厚度的薄板。有限元模型示意图见图 3。 （a）模型整体 （b）支护结构局部模型 （c）扩底桩底部情况 图 3 有限元分析模型 计算参数 等效桩墙、柱墙：等效桩墙厚度按以下方法折算：在桩位图中以基坑中心为圆心，以半径为 2.5，7.5，12.5m 画圈，半径 2.5m 至 7.5m 间的桩折算为半径为 5 m 处的桩墙，桩墙厚度根据截面积相等原则确定，以此类推。等效柱墙厚度根据总截面积相等原则折算成间距为 5 m 的柱墙，
6、柱墙厚度为 0.02 m。 （2）材料参数：围护结构材料均设为均质各向同性的线弹性材料。混凝土弹性模量为 31010Pa，泊松比取 0.2。将各层土体假定为等厚、均质、各向同性，土体本构模型采用修正剑桥模型，参数采用前文结果。桩土接触面参数：本文只关心中心桩的受力，周围桩墙仅起模拟群桩刚度的效应，不关心其计算内力，因此，周围桩墙与土体接触面不分层设置，接触面参数经折算取平均值摩擦系数 =0.25，极限侧摩阻力 fs=60 kPa。对于中心桩，桩与土体间接触面采用分土层设置，摩擦系数取 =0.25，各层极限侧摩阻力根据勘察报告取值如表 3。 表 3 接触面参数表 图 4 各开挖荷载步开挖区域示意
7、图 计算荷载步划分 根据设计方案的工况，结合实际分析的需要，将整个分析过程分为 17 个计算荷载步：step1：施加初始地应力；step2：盆式开挖至-7.6 m；step3：施工地下结构顶板 B0；step4：盆式开挖至-12.9 m；step5：施工内衬墙；step6：开挖至-12.9m 以上周围留土；step7：施工地下一层板 B1；step8：开挖至-17.9 m；step9：施工地下二层板 B2；step10：开挖至-22.6m；step11：施工第一道环向支撑及环间连杆；step12：开挖至-27.6 m；step13：施工地下三层板 B3；step14：盆式开挖至-33.7 m；
8、step15：施工第二道环向支撑及环间连杆；step16：开挖-33.7m 以上留土；step17：中心桩施加上拔边界条件（模拟施工底板后的上部结构荷载及水浮力） 。各荷载步的开挖区域如图 4 所示。 计算结果分析 开挖过程中桩身轴力 中心桩轴力在基坑开挖过程中随土体回弹增大逐渐增大，轴力变化情况见图 5。由图可知，开挖卸荷造成的土体回弹会引起较大的扩底抗拔桩轴向应力，桩身轴向应力最大可达 4.01 MPa（中部开挖到底时） ，对应桩轴力为 2013 kN，位于距桩顶 39.4 m 处。在抗拔桩设计中应充分考虑该初始轴力的存在。在开挖过程中，扩底抗拔桩的主要受力机制是桩身受到回弹土体的摩擦力上
9、抬，桩端扩大头则受到周围土体的向下阻力约束，桩身所受的向上的摩擦力与桩端扩大头受的向下约束阻力相互平衡。基坑开挖后，桩顶上抬 15.77 mm，桩端上抬 10.77 mm，桩身变形 5.00 mm，桩侧土体上抬 127.2 mm。开挖完成后中心桩土相对位移和桩侧摩阻力分布见图 6。 图 5 开挖过程中的中心桩轴力分布 图 6 桩土位移与侧摩阻力分布 施工底板后中心桩受力情况 在实际施工中最不利工况下，底板浇筑完成后承受的水浮力为 330kPa，地下结构顶板承受上部荷载 36kPa。为模拟这一工况，在 step17 中向抗拔桩顶施加位移边界条件，共上拔 20 mm。加载过程中的中心桩轴向应力变化
10、如图 7。在正常使用状态下，中心桩承受上拔力为 2400 kN，桩顶轴向应力约为 4.8 MPa，此时桩顶上拔量约为 5.5 mm。 中心桩侧土体应力 在上拔工况下中心桩为扩底桩与等截面桩轴向应力比较如图 10。扩底桩桩顶上拔 20mm 时的桩身轴向应力最大值 18.8 MPa，位于桩顶处。轴力由上至下逐渐减小至 0，桩身段减小较缓慢，至桩端扩底处迅速下降至 0。相同情况下等截面桩的桩身轴向应力最大值 15.9 MPa，位于桩顶处，轴力由上至下逐渐均匀减小至 0。比较可知，当上拔量相同时扩底桩提供的抗拔力明显大于等截面桩。在正常使用状态下，中心桩承受上拔力为 2400kN，在此工况下两种桩身轴
11、力比较如图 10。正常使用状态下扩底抗拔桩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，从而使得桩身大部分均处于较高的应力水平下。 结果分析与建议 基于以上分析，对世博地下变电站工程扩底抗拔桩设计提出以下建议：该工程中扩底抗拔桩设计时控制截面应为桩顶截面；扩底抗拔桩应通长配筋以保证其在正常状态下不被拉断，并采用有限元分析得到的抗拔桩受力状态对对钢筋配置进行校核。 总结 本文采用轴对称非线性有限元方法对抗拔桩试桩过程进行了数值模拟，并结合试验结果对现场土层参数进行了反分析。应用反分析参数计算得到的结果与实测吻合较好。当上拔量相同时扩底抗拔桩提供的抗拔力明显大于等截面抗拔桩。扩底抗拔桩在正常使用状态下的桩身轴力是土体回弹隆起引起的轴力和桩顶上拔力的叠加，从而使得桩身大部分均处于较高的应力水平下。对抗拔桩，应将桩基正常使用时上拔力引起的轴力与开挖卸荷回弹引起的轴力进行叠加，得到抗拔桩在工作状态时的受力状态，以此对钢筋配置进行校核。 参考文献： 1陈孝贤;深基坑开挖坑底土体隆起对工程桩影响的探讨J;福建建设科技;2006 年 03 期 2肖军华;刘建坤;韩爱民;软弱地层深挖基坑中工程桩偏位分析J;工程地质学报;2006 年 03 期 3徐情根;徐醒华;梁朝晖;金永革;陈牛林;深基坑开挖对坑底桩基的影响J;广东土木与建筑;2006 年 01 期
