王昭军

（中交四航局第七工程有限公司）

基坑工程是城市地下空间开发和利用的重要研究课题和方向，国内外研究多采用数值模拟方法来对基坑开挖过程进行研究和分析。数值模拟中有限元分析法可以解决非线性问题，适用于许多复杂的边界条件[1]。利用有限元分析法计算基坑施工过程中工程桩的位移和弯矩，在实际的工程建设过程中具有根本的重要性和明确的技术运用。基坑内的土体在载荷作用下会发生侧向变形和竖向变形。在工程施工过程中，影响基坑土体侧向变形的因素相比于竖向变形相对复杂，因此对侧向变形进行的研究相对较少[2]。基坑土体的侧向变形对工程桩存在较大的影响，侧向变形影响沉降的同时，也影响工程桩结构的受力[3]。李忠诚等[4]建立三维数值模型，进行堆载-弹塑性地基-桩机共同作用有限元数值分析，对堆载作用下临近桩基的力学特性进行分析，分析结果表明，桩基的变形和弯矩与堆载呈正比例关系，堆载增加，桩基逐渐弯曲。杨敏等[5]在载荷作用下分析土体的侧向位移，通过有限元法对不设置工程桩情况下的自由场土体侧向位移和设置工程桩后的桩土相互作用两种情况进行了数值分析，结果表明，工程桩的变形规律与弹性模型、泊松比变化相关。

基坑工程的建筑主体工程桩大部分处于软土层，自稳性能极差，可认为软土层中的工程桩近似处于自由端。会引起处于软土地质的基坑开挖运土阶段，基坑开挖运土车辆基坑边行车和施工便道行车产生的堆载，会加剧周边和坑内土体应力释放，对桩周土体造成扰动，软土向开挖方向移动，形成塑流，挤压已施工的工程桩，从而产生侧向位移及附加弯矩，可能诱发工程桩偏位、倾斜甚至断桩不利影响。因此在基坑开挖运土阶段，对基坑边和施工便道行车对已施工工程桩的影响力学特性和总应力进行分析，研究基坑边和施工便道行车对工程桩的影响，对降低断桩的风险，保证基坑结构的质量具有重大的意义。在本文中，根据基坑岩土层物理力学参数以及基坑支护结构和工程桩相关结构参数，利用数值模拟研究基坑边和施工便道行车对主体结构工程桩的不利影响。

1 有限元分析模型及参数

1.1 建模

根据岩土工程勘察报告，本文选取工程实例中最不利钻孔作为典型钻孔进行计算。该钻孔下土层结构选取包含（1-0a）吹填土、（2-1）淤泥、（2-2）淤泥、（3-1）淤泥质土、（3-2）粘土、（4-2）粘土、（5-2）粘土、（5-3）圆砾、（6-2）粉质粘土、（6-3）圆砾、（7-2）粉质粘土。土层结构参数取值如表1所示。

表1 岩土参数取值

根据基坑图纸主体结构桩基施工相关图纸进行建模，本次模拟的基坑支护结构和工程桩相关结构参数如表2所示。

表2 结构参数

桩身纵筋分为12φ22和12φ8两个等级。经计算，桩配筋为12φ22 对应抗弯矩承载力设计值约为500kN·m，桩配筋为12φ28 对应抗弯矩承载力设计值约为780kN·m。配筋较小的工程桩抗弯承载力对断桩起控制作用，以下取桩身抗弯承载力设计值为500kN·m 进行分析。

本文利用MIDAS GTS/NX 软件建立二维分析模型，在模型建立过程中总体计算区域模型的选取充分考虑基坑开挖引起的边界效应，以建筑物外轮廓水平方向取基坑开挖3～5 倍以上，竖直方向取基坑开挖深度2～4倍以上位原则，放坡开挖分析计算模型几何尺寸X 设置为200m，Y设置为100m。

计算过程中的主要载荷为行车载荷。初始数据为地面均布载荷20kPa，作用宽度6m。分析施工便道的影响时，除验算均布载荷之外，同时按车轮作用集中力进行验算，施加2个集中力80kN，间距按轮距取1.8m。

二维分析模型的边界条件为：模型左右边界位置的节点约束模型X 方向的自由度；位于模型前后边界位置的节点约束模型Y 方向的自由度；位于模型底部的节点约束模型Z 方向的自由度，其中Y 轴为二维模型中的重力方向。模型中结构采用1D 梁单元，基坑内土体采用二维平面应变单元。模型中各土体层和构件材料均考虑自重，自重方向Y 轴向下。本次模拟中结构单元主要材料为混凝土，模型类型为线弹性本构，土体单元采用硬化土模型（Hardening soil model，简称HS模型）。

1.2 施工工况分析

基坑内土体的开挖和基坑内的工程桩是随时间变化的一个系统。根据模拟基坑开挖顺序，列出关键工况。为模拟基坑边和施工便道行车对工程桩的影响，本次模拟主要对基坑边行车和施工便道行车对工程桩的影响进行力学特性分析和总应力分析。

1.2.1基坑边行车分析

初始应力场的计算分析模型内只有岩和土体，是岩土工程分析的第一步；在地基加固、工程桩施工工况下激活搅拌桩施工边界条件及工程桩单元；基坑放坡开挖过程中钝化第一层开挖的土体；基坑支护桩施工工况下激活支护桩；基坑土体开挖工况下钝化土体；施工行车载荷下激活施工便道上方的车辆载荷。

1.2.2施工便道行车分析

初始应力场的计算分析模型内只有岩和土体，是岩土工程分析的第一步；在工程桩施工工况下激活工程桩单元；施工便道搅拌桩施工工况下激活搅拌桩施工边界条件，修改施工范围内土体材料属性；施加车辆载荷工况下激活施工便道上方的车辆载荷。

2 数值模拟

对基坑边和施工便道行车的模型进行网格划分，其整体的有限元网格如图1 所示，不同工况下的有限元网格如图2～图3 所示，图中不同颜色代表土层单元组和结构单元组。基坑边行车模型有13440 个单元，12266个节点。临时便道行车模型有13440 个单元，12266 个节点。

图1 基坑边和临时便道行车整体有限元网格

图2 基坑边行车典型施工步的有限元网格

图3 施工便道行车典型施工步的有限元网格

3 模拟结果

根据模拟基坑开挖顺序，本文主要得出基坑边行车关键工况3～工况6 和临时便道行车关键工况4 的计算结果，基坑边行车和临时便道行车工程桩最大位移如图4～图5 所示，单位为m；基坑边行车和临时便道行车工程桩最大弯矩如图6～图7所示，单位为kN·m。

图5 临时便道行车工程桩最大位移

图6 基坑边行车工程桩弯矩

图7 临时便道行车工程桩弯矩

由图8 可知，工程桩的X 向位移最大值和工程桩弯矩标准值最大值随着施工步的进行不断增大。基坑边行车开挖完成后，坑顶行车时，工程桩的水平位移达到最大，最大值为98.5mm，工程桩的水平位移较大。在距离桩顶约5m 区域出现工程桩弯矩标准值最大值，计算的最大弯矩标准值为196.9kN·m，载荷分项系数取1.3，最大弯矩标准值为256kN·m，此处工程桩的抗弯承载力设计值约为500kN·m，因此出现断桩的概率较小。

图8 位移和弯矩变化图

施工便道行车引起的工程桩水平位移最大值为1.61 mm，在距桩顶约5m 区域出现工程桩弯矩标准值最大值，计算的最大弯矩标准值为24.7kN·m，载荷分项系数取1.3，最大弯矩标准值为32kN·m，此处桩抗弯承载力设计值约为500kN·m，因此出现断桩的概率较小。

模拟结果表明，开挖完成后再基坑边行车对坑内工程桩的影响较大，工程桩水平最大位移值为98.5mm，与《建筑地基基础工程施工质量验收规范》规定的限值比较接近，存在工程桩偏位较大的问题。

4 结论

场地基坑边和施工便道行车会使基坑开挖面外载荷增加，基坑开挖面以下结构向基坑内位移，挤压基坑内的土体，对工程桩产生一定的水平位移和弯矩。为降低基坑边行车和临时便道行车过程中工程桩出现断桩的风险。本文基于基坑岩土层物理力学参数以及基坑支护结构和工程桩相关结构参数，利用MIDAS GTS/NX软件建立二维分析模型，根据模拟基坑开挖顺序，列出关键工况的下工程桩的最大位移和最大弯矩。结果表明，开挖完成后在基坑边行车对坑内工程桩的影响较大，工程桩最大位移值接近规定的限值，存在工程桩偏位较大的问题，有可能影响承台与桩的定位连接、或者导致柱与桩基偏心受力，弯矩最大标准值小于工程桩的抗弯承载能力，出现断桩的概率较小；施工便道行车的过程，工程桩最大位移值远小于规定的限值，对工程桩的影响较小，弯矩最大标准值小于工程桩的抗弯承载能力，出现断桩的概率较小。在基坑开挖阶段，出土车宜采用中小型车辆设备，基坑周边超载不能大于20kPa，临边堆土高度不得大于1m，且临边堆土时间不得超过一天，出土车辆需严格控制每次出土量，不得超过出土车限载，开挖土方应及时运走，因此对实际基坑边行车和施工便道行车车辆设备的选择与堆载起到一定的指导意义。