既有建筑桩基础深开挖条件下承载特性分析

The underpinning pile can be used to support the existing building for construction of basement. The soil excavation around the pile caused the piles side resistance redistribution and reducing the piles bucking stability. Using experimental method and numerical analysis, the law of loads transfering from the piles to soil and the stress distribution model of soil at the soil excavation stage are obtained on the basis of the following parameters:(1) properties of soil, such as type,modulus of elasticity,Poisson's ratio, effect of pile-soil interaction; (2) properties of pile, such as diameter, space, length;(3)location of pile;(4) embedment proportion of pile;(5) shielding effect in pile groups；（6）soil consolidation properties ect. The tangential and normal tress distribution on the interface between the piles and soil are obtained to show the the loss of side friction and bearing capacity of pile. At the same time,the piles the ultimate bearing capacity of the pile using buckling analysis and the pile effective length factor are analysed basing on pile material, slenderness ratio of pile, embedment proportion of pile, the constraint conditions at the pile top or tip. The result can provide reference for pile design and construction of basement development of existing building.

在既有建筑利用桩基础托换开发地下空间的过程中，土方的开挖会使桩的上段桩周土减少，不仅会引起桩的侧向摩阻力重分布，而且会影响到桩的屈曲稳定性。利用试验研究和数值分析相结合的方法，考虑（1）土质、土体弹性模量、泊松比等土工参数以及土的分层特性；（2）桩径、桩距、桩长等桩的设置；（3）中心桩、边角桩等桩基位置；（4）不同开挖埋置比；（5）群桩"遮闭效应"；（6）土体超固结特性等，研究桩周土开挖条件下荷载传递和转移规律以及地基土应力和位移的分布情况；分析桩土接触面上的切向与法向应力的开展与分布机理，得出桩侧土的摩阻力损失比和桩的极限承载力。研究桩周土压力的分布变化规律，建立桩周土的非线性本构关系模型；分析不同桩材、桩身长细比、埋置比例、桩顶桩端约束形式及不同桩周土质等组合条件下的桩身屈曲临界荷载，获得开挖条件下桩基础的稳定性计算长度系数。研究成果为既有建筑开发地下空间构件的设计和施工提供依据。

既有建筑物增设地下空间时，需要运用桩基础支撑上部建筑物，才可开挖建筑物下面的土方。土方的开挖会使桩的上段桩周土减少，不仅会引起桩的摩阻力重分布，而且桩的屈曲稳定性会相应降低。本项目利用试验研究和数值分析相结合的方法，探讨了不同桩长、桩径、桩基位置等工况下，桩基础承载特性的变化规律，分析不同桩材、桩身长细比、埋置比例、桩顶桩端约束形式及不同桩周土质等条件下的桩身屈曲临界荷载，获得其稳定性计算长度系数。研究结果表明：开挖前后桩基础沉降表现出中间桩沉降大、周边桩沉降小的规律；随着开挖深度增大，桩基沉降量明显增大。上段桩周土开挖后，被开挖段桩身侧阻力消失，需要增加未开挖部分桩侧阻力和桩端阻力以支撑上部荷载，相应桩土间的滑移量也会增大，而靠近开挖面处增加更明显。增大桩长和桩径，都可以减小桩顶的沉降量，增大桩径较增大桩长趋势更明显。随着桩周土开挖深度增加，桩的稳定系数随之减小。相同开挖条件下，桩周土的m值越小和桩基截面边长越小，其桩基的稳定性系数越小。桩顶或桩身设置水平约束构件后，有效减小了计算长度，其稳定性系数比桩顶为自由端的桩基础提高了1.2~2.9倍，开挖得越深、桩周土m值越小，提高的效果越明显。在桩开挖深度不变的条件下，随着桩入土深度的增加桩的稳定性系数趋近一定值，试验得到的临界入土深度与规范值4T相近。桩的临界入土深度与外露长度无关，但与桩的刚度有关，刚度较大的桩，其临界入土深度也相应增加。基于虚拟嵌固点法提出了桩入土深度部分处于嵌固、未嵌固和半嵌固三种状态下受压计算长度公式，和规范公式相比更符合桩的实际受力状态。将研究成果应用到济南商埠区某历史建筑地下增层工程中，取得了良好的经济和社会效益。本项目为地下空间开发，扩充基础设施容量，节约土地资源提供了重要的技术支撑。