基坑降水对周围建筑桩基础沉降影响的研究

曲 军 彪

(中交水运规划设计院有限公司，北京 100101)

基坑降水对周围建筑桩基础沉降影响的研究

曲 军 彪

(中交水运规划设计院有限公司，北京 100101)

针对目前的计算理论很难考虑多因素耦合作用计算基坑降水引起的周围建筑桩基的沉降变形问题，采用大型有限差分程序FLAC3D，研究了基坑降水对周围建筑桩基础沉降变形的影响,对比了相同降水条件下，不同桩长的桩基沉降变形，得出了有益于以后工程实践的结论。

基坑降水，桩基沉降，流固耦合

1 概述

近年来，我国城镇建设飞速发展，为充分利用地下空间，深基坑工程不断增多。在地下水位埋藏较浅的地区，基坑开挖前需要进行降水施工，而水位降低会导致周围地面及建筑物的沉降，从而危及建筑物的安全，特别是当基坑周围建筑物密集或有需要保护的重要建筑物时，问题更加严重。因此，针对基坑降水引起的建筑物沉降的研究显得尤为重要。目前，学界对基坑降水引起的周围地表沉降的研究较多[1-6]，而对降水引起的周围建筑物的沉降特别是对桩基础建筑物的沉降的研究还鲜见报导。基于此，本文采用三维数值模拟方法研究基坑降水对周围建筑桩基的影响，得出的结论有望指导工程实践。

2 机理分析

地下水位下降导致的土体浮力减小和地下水流动导致的渗透力增加是土体中有效应力增加的两个原因。土体有效应力增加将使桩周土产生固结沉降，导致桩身产生负摩擦力，从而引起桩基产生附加沉降。

3 数值计算

计算基坑降水引起的地面沉降可采用解析法和数值法，但解析法具有局限性，对于复杂地质条件、复杂降水方法和复杂的周围建筑物分布情况，无法用解析法计算，而数值模拟技术可考虑这些复杂的因素，计算结果更符合实际工程情况。

本文采用的计算程序为FLAC3D，在计算分析中考虑了流固耦合作用。

3.1 基本理论

1)流体流动定律：

(1)

2)流体质量守恒定律：

(2)

其中，ξ为流体容量的变化(单位体积的孔隙材料中流体体积的变化)；qv为体积流源强度。

3)本构定律：

(3)

其中，M为比奥模量(M=KW/n，其中，KW为流体体积模量，n为孔隙率)；α为有效应力的比奥系数；εv为体积应变。

(4)

4)几何方程:

(5)

3.2 计算模型概况

本文计算模型为一概念模型，土层均为砂土，层厚40 m。地下水为潜水，水位位于地表下0.5 m。拟开挖基坑深11 m，长20 m，宽20 m。降水方法采用坑外井点降水，无防水帷幕。降水井深为20 m，滤水管范围为16 m～20 m深度处。降水井沿基坑长方向均匀布置，每边10口，距坑边3 m。建筑桩基础距基坑边5 m，承台高2 m，长宽均为8 m，桩基直径1.5 m。承台下布置4根桩。

本文计算模型如图1,图2所示，计算模型的范围为100 m(长)×100 m(宽)×40 m(深)。砂土材料采用摩尔库仑准则，渗透系数各向同性，桩采用桩单元模拟。

3.3 参数取值

土层、桩及降水井设计参数见表1～表3。

表1 土层设计参数

表2 桩设计参数

表3 降水井设计参数

4 计算结果及分析

4.1 降水计算结果

降水后土层中的孔压分布见图3，从图中可以看出，基坑处的水位已降至开挖深度以下，基坑周围的水位呈漏斗状分布。

4.2 桩基沉降对比

计算结果见图4～图6，图4为不同桩长情况下桩承台的沉降对比，图5，图6为不同桩长情况下桩身沉降的对比。

从图4可以看出，桩越长，桩承台整体沉降越小。最长和最短桩长度相差7倍，降水后沉降相差约为2.5倍。从图5可以看出，总趋势是桩长越长，沉降越小，但桩长在15 m以内时，减小不明显，桩长大于15 m后，减小显著。

从图6可以看出，当桩长从5 m增加到35 m，桩基差异沉降由小变大再减小，桩长在15 m～20 m范围内差异沉降最大。

4.3 桩基础侧向位移对比

从图7可以看出，在0 m～10 m深度范围内，桩的侧向位移都随深度增加而减小。对桩长不大于20 m的桩，10 m深度以下，桩的侧向位移逐渐增大。与之相反，对桩长大于20 m的桩，10 m深度以下，桩的侧向位移逐渐减小。桩长小于10 m，桩身为单向弯曲；桩长为10 m～20 m，桩身出现一个反弯点；桩长大于20 m，桩身出现两个反弯点。

4.4 桩身负摩擦力分布特征

降水会导致土体固结沉降，当土体沉降大于桩身沉降时，就会对桩产生负摩擦力，从而导致桩身的附加沉降。图8～图11为桩体沉降和桩周土体沉降的对比图。当桩周土沉降大于桩身沉降时，桩身产生负摩擦力，反之，桩身产生正摩擦力。由此可见，桩长为5 m时，桩身全长受负摩擦力作用，当桩长大于15 m时，桩身上部受负摩擦力作用，下部受正摩擦力作用，且正摩擦力的分布长度随桩长逐渐增加。

4.5 桩基位移规律分析

图12为桩基位移规律分析示意图。图中等值线为降水后地层中的水头分布，在此基础上，将降水井和桩布置于图中。

其中桩1、桩2、桩3不代表实际桩的位置，只用来说明桩与滤水管埋深的相对关系。从图12中可以看到，在滤水管位置，水头由降水前的20 m降低到0 m，降低最大。所以在此位置附近，有效应力增加最大，同时水对土的渗透力最大，从而导致土体竖向位移和水平位移都最大。土体的竖向位移和水平位移会导致桩基相应方向的位移。所以，桩基变形的规律与桩端和降水井滤水管埋深的相对位置有关。当桩端在滤水管位置以上时(如桩1)，桩周土体沉降大于桩身沉降，桩身全部受负摩擦力的作用，桩基

础随土层变形而变形，所以桩的竖向位移和水平位移受降水影响较大。当桩端在滤水管位置(如桩2)，由于水头差最大，土体竖向位移和水平位移都最大，从而导致桩基础的差异沉降最大，桩端水平位移最大。当桩端在滤水管以下时(如桩3)，桩端往上逐渐受正摩擦力作用，降水对桩的竖向位移和水平位移影响减小。

5 结语

通过以上计算和分析，可以得出，在相同降水条件下，桩基础沉降变形与降水井滤水管和桩端的相对位置密切相关。当降水井滤水管位于桩端以下时，桩身沉降最大，桩身全长受负摩擦力作用；当降水井滤水管位置与桩端接近时，桩的最大差异沉降及桩身侧向变形最大；当降水井滤水管位于桩端以上时，桩的最大沉降、差异沉降及侧向变形均较小。因此，在工程实践中，当基坑周边有桩基础建筑时，尽量将降水井滤水管设计在桩端以上一定距离，避免设计在桩端以下，特别是避免滤水管与桩端在同一深度。当无法避免时，应进行计算分析，评估降水对周围建筑桩基的影响，确保周边建筑物的安全。

[1] 胡 涛，冯晓腊.武汉地区基坑降水引起的地面沉降机理及定量预测[J].土工基础，2002，16(2)：48-50.

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[3] 许锡金.基坑降水引起地面沉降计算方法研究[J].岩土工程技术，2004，18(4)：194-198.

[4] 冯晓腊.三维水—土耦合在深基坑降水计算中的应用[J].岩石力学与工程学报，2005，24(7)：1195-1200.

[5] 李云安.抽汲地下水引起地面沉降的水土耦合三维有限元数值模拟[J].地质科技情报，2005(24)：151-159.

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[7] 王慕元.不同基坑降水方案对毗邻建筑的影响研究[J].山西建筑，2012，38(8)：70-71.

Research on pile foundation settlement induced by pit’s dewatering

QU Jun-biao

(CCCCWaterTransportationConsultantsCo.，Ltd,Beijing100101,China)

Pile foundation settlement induced by pit’s dewatering occurs as the result of coupling action of many factors. Current computational theory can not consider so many factors and research on this field is very little. For the problem, adapts finite difference program FLAC3D, analysis on pile foundation settlement due to deep foundation dewatering is carried out. The vertical and horizontal displacement of different length piles are contrasted on the same dewatering condition. The results are useful for the similar future projects.

pit’s dewatering， pile foundation settlement， coupled fluid-mechanical

1009-6825(2014)22-0051-03

2014-05-26

曲军彪(1982- )，男，硕士，工程师

TU463

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