大面积深基坑工程中桩基受力特点分析论文
摘 要：随着建筑工程的开展，以及对建筑工程的研究分析更加科学化 ，能发现大面积深基坑开挖过程中 ，挖掘的土石方以及其他作用力，都会对开挖好的底坑造成压力，根据笔者查阅现有的文献资料，纵观国内外的建筑方面的内容，建筑工程中由于桩基受力过载或者受力不均衡的原因，造成的桩基破坏垮塌事故屡见不鲜。 然而在这一问题背后，相关研究与观点却不足以改变当前这种情况。 本文采用基于大面积深基坑开挖过程中单桩和桩身应力特性进行了非线性有限元法的数值分析方法，重点研究通过桩特性的垂直力引起的基坑土体负荷回弹过程的变化。
关键词：深基坑开挖；桩基受力特性；土体负荷回弹
现代建筑技术逐步发展，但是很多细节问题仍然有待相关工作者研究论证，比如大面积深基坑开挖过程中的桩基受力问题，就有待解决。本文根据某一实际工程资料，对大面积深基坑开挖中桩基的作用力特点进行探讨。对于基坑中的桩基，由于基坑深度大、基坑开挖面积大，会产生土体的回弹，这种不可避免的受力因素在一定程度上影响了基坑开挖的效果。在大面积深基坑开挖过程中，有必要对大面积深基坑开挖过程中桩基的特点进行分析，并采取合理而有效的规避手段来确桩基的稳定性。
1、受力分析类型
1.1、单桩受力分析
单桩分析表明，在整个开挖过程中，桩身部分由两个力进行了平衡，一是向上的摩擦力，另一个是下半部分向下的力，这就使得桩拉摩阻力均匀。随着土体应力的变化以及桩土在开挖过程中的变化，会造成桩侧摩阻力的改变，桩身轴向力随开挖深度的增加先增大后减小。由于桩长的改变，最终滑动摩擦和土层对桩的轴力的弹性模量较大，对深桩的摩擦系数和基坑开挖对桩的轴力半径的影响较小。基坑降水引起的土体固结会导致桩身预紧力略有下降。
1.2、群桩有限元受力分析
在群桩分析中，采用了有限元模拟方法，这种方法的优势之处在与避免了高成本、大规模的 3D 接触，以及其他一些问题，从而可以对受力分析进行精准化分析。分析表明，群桩的轴向力接近基坑的中心距，桩的轴向力远离基坑中心。随着开挖深度的增加，差异逐渐减小。
2、工程案例概述
我们的案例引用了一个50万V的二线城市地下变电站，综述这一变电站的概况，它位于地下，整体五层高度，呈现圆柱形结构，采用连续墙的受力结构，深度、基坑直径、土方数量、整个底部面积的参数都符合本文的建模需求。通过对这一案例的资料收集，勘测资料的归整如下，整个变电站的自重为280万余kN，上限不超过430万kN，基底承重高为36m。为了平衡水的浮力，需要密封降水井，还要进行后浇底板以保证阻力增加到173万kN。在这个项目中，抗拔桩作为抗浮设施。在施工设计中，桩基的高度是 1.2m，扩大头那部分的半径是32cm，长度＞25m。
3、单桩分析模型
3.1、有限元模型
为了研究大面积开挖卸荷条件下的单桩的力学行为，利用专业的有限元软件对本工程建立了轴对称有限元模型。对称轴是圆坑模型的中心，深度为120m，半径为260m模型。轴对称的四节点的使用，在主环的三节点等参元支持扩底桩，采用地下连续墙，主要的柱和地下室的地板上使用。在充分约束条件下，采用底部边界分析法，采用侧向边界分析。上拔力对深基坑中的桩影响最大，会造成其最大的卸载回弹变形。桩墙之间的距离为 5m，为了获得等效效应，最简单的调整的两个环桩墙。根据体积等效原理，地下结构的主次梁和底板厚度相同。
3.2、对参数进行计算
先是对桩墙的厚度等参数进行模拟，以基坑的中心点作为模型图的圆心，然后以不同半径作圆，并将每个桩基都作为桩墙，根据等效原则进行折算。然后是对材料的模型量进行参数化显示，所建模的实际工程采用的基护结构为线性弹性材料，具有均质、同等厚度和同样性质的情况，对其土质的泊松比进行定量为1：5。
然后就是对桩土接触面进行计算。在这次建模中，围护桩墙的作用仅是模拟群桩的刚度，而桩周土的表面与桩壁周围不分层。的接触面参数的平均值和摩擦阻力小于 0.3，而摩擦系数取值60kPa。土与桩的接触面应划分为土层，其摩擦系数与桩壁与周围土体的接触面一致。
3.3、受力特性分析
在开挖过程中，由于埋在土体中的回弹驱动埋在地基的桩基，桩身部分由摩擦力向上而下半部分为向下力，自重和摩擦力与桩的摩擦力向下平衡。通过对浅层桩侧摩阻力减小基坑开挖过程中基坑开挖深度的增加，桩侧摩阻力逐渐中性点向下，与桩位的`最大轴向力也下降，桩的轴力最大值先增大后减小。
在建模的情况下，桩的轴向力小于轴向力的理想条件下，主要的影响因素有两种。第一个可能就是，一定范围内的土压力深度在桩顶附近很小，导致桩土接触面正压力是不够的，因此这部分的侧摩阻力会产生损失；第二个原因是，桩土相对位移的中性点附近的桩较小，导致侧摩阻力的充分发挥，使这部分的侧摩阻力产生了一些损失；在大面积深基坑开挖过程中，桩顶上覆压力减小，且随着开挖深度的增加，桩侧土体回弹增大，桩土相对位移增加。
因此，在整个开挖过程中，桩身轴向力的最大值先增大后减小。建模中，为确定受力分析的影响因素，分别对桩土接触本构关系、深层土弹性模量、桩长、基坑的实际半径、桩土不同深度的摩擦系数和摩擦力，以及相对位移进行了差异化建模，分析其受力特性，获得准确的影响因素。桩长对桩侧摩阻力和桩身轴向力分布有明显影响。
桩长的增加会使桩侧摩阻力减小，桩身最大轴力增大。中性点位移和桩身最大轴向力的增大与桩长的增大成正比。基坑半径R的变化对桩的摩阻力和桩的轴向力影响不大，且半径变化的结果相差小于10%。考虑到单桩基坑降水模型分析桩的轴向力和不考虑基坑降水模型的结果表明：考虑到有利的轴向力分布和变化的两个，但前者的轴向力比后者的结果。开挖深度较大时，桩身受到明显的预拉轴向力。连续墙厚度虽然对于应力大小的改变不是很强，但墙体的厚度会导致回弹力的传导有不同，进而影响了弯矩力的大小，当然，连续墙的厚度越厚，侧向变形的受力也就越小，变形的可能也越小。连续侧墙和土体变形是引起桩身弯矩的主要原因，桩的变形会导致弯矩的减小而不断减小侧向墙和土体，这种效应随着基坑深度的增加而逐渐增大。在同一荷载台阶和同一开挖深度下，桩的位置更接近地下连续墙，效果更为明显。桩土接触面摩阻系数对桩身轴向力有明显影响。当摩擦系数增大时，桩身附加应力增大，桩侧摩阻力增大。在深基坑开挖过程中桩，垂直反弹，侧向变形和桩底土体的应力状态是从单桩明显不同，它是基于对深基坑开挖应力特性研究群桩的单桩分析的必要。
事实上，在土层条件相同的情况下进行大面积的深坑挖掘，会因为桩基与基坑中心点的距离而导致轴力不同，距离中心点远的桩基有较大的回弹力，这是因为桩基的相对位移比较大，这时候其产生的摩擦力和阻力也就比较大了，然而随着深度的增大，这种受力差异就会呈现变小的趋势，这是由于开挖桩侧土体回弹初期较小，大面积深基坑开挖的轴力变化对桩侧土体回弹量的影响较大，侧摩阻力接近充分发挥，对轴向力的影响。桩身弯矩随开挖深度和桩侧位移的增大而增大，弯矩越接近基坑的中心距越小，中心桩弯矩为0。在基坑开挖到一定深度时，力矩分配是中间段为正弯矩和负弯矩的两端，连续墙厚度和桩体材料的影响弹性模量对桩的轴力不明显，因为侧向变形的控制较好。
4、结束语
本文的建模实际上是在理想条件下的一种理想化分析，整个建模的受力分析只能大体反应开挖基坑的受力状况，而且对一些参数的忽略或者扩大，无疑会影响结果的可信度，而且由于各个工程的实际地形土层。以及采用材料的不同，会对基坑的受力、开裂等情况造成不同程度的影响。现如今还没有一个完整的适合实际操作的普适性深基坑大面积开挖的方案，研究这一课题，对实际操作的意义是十分重大的。
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