大面积深基坑开挖过程中桩基受力特性探究

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1、大面积深基坑开挖过程中桩基受力特性探究　　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7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

2、层建筑多层地下室、地下商场、地下民防工事等，由此产生了大量深基坑工程。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500kV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33.7m。采用“两墙合一”地下连续

3、墙作为基坑围护结构，墙厚1.2m，插入深度23.8m，墙底深度57.5m。根据勘察报告，底板承受的水头高度达33m，整个工程承受的上拔力标准值达4220000kN，其结构自重标准值约2826000kN。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1730000kN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1387043kN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48.5m，桩径800mm，扩大头直径1500mm，高2000mm，桩

4、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130m的圆形，开挖深度为33.70m，抗拔桩桩顶标高-33.4m，桩底标高-82.0m。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7260m，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

5、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

6、.5m至7.5m间的桩折算为半径为5m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5m7的柱墙，柱墙厚度为0.02m。（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3×1010Pa，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µ=

7、0.25，极限侧摩阻力fs=60kPa。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µ=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-7.6m；step3：施工地下结构顶板B0；step4：盆式开挖至-12.9m；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

8、挖至-17.9m；step9：施工地下二层板7B2；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-27.6m；step13：施工地下三层板B3；step