支護(hù)形式對(duì)基坑近鄰建筑物沉降影響分析★

張顥繽 趙延林

(黑龍江科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150027)

0 引言

在城市環(huán)境中進(jìn)行深基坑工程的施工，必然會(huì)對(duì)基坑周邊土體的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，從而引起緊鄰建筑物或道路產(chǎn)生沉降變形，如果處理不當(dāng)，就會(huì)引發(fā)工程事故［1］。在深基坑工程中，內(nèi)支撐與土層預(yù)應(yīng)力錨桿是控制基坑變形的兩種有效措施［2］，文中應(yīng)用彈塑性大變形理論與有限差分理論，對(duì)地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐與地下連續(xù)墻加錨桿兩種支護(hù)形式下基坑開(kāi)挖引起的周邊建筑物沉降變形進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 數(shù)值模擬方案

1.1 基坑支護(hù)方案

模擬基坑長(zhǎng)120.00 m，寬78.00 m，設(shè)計(jì)開(kāi)挖深度為17.00 m。距基坑邊緣8.5 m處有一棟地上10層、地下1層的高層建筑，地上部分層高為3.0 m，地下部分層高為4.0 m，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)。

基坑擬采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐與地下連續(xù)墻加錨桿兩種支護(hù)方案。地下連續(xù)墻厚800 mm，總高度為30 m，混凝土為C30，鋼筋采用二級(jí)鋼筋。

錨桿與內(nèi)支撐的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1，表2所示。

表1 內(nèi)支撐的設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 錨桿的設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 數(shù)值模擬模型

選取計(jì)算土體長(zhǎng)度為105 m，厚度為40 m，選擇較大的邊界，主要是為了減小邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。土體應(yīng)用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，數(shù)值模擬模型如圖1，圖2所示，圖中建筑物基礎(chǔ)的左下角點(diǎn)與右下角點(diǎn)分別為建筑物沉降變形的監(jiān)測(cè)點(diǎn)1與監(jiān)測(cè)點(diǎn)2。

1.3 數(shù)值模擬方案

整個(gè)數(shù)值計(jì)算過(guò)程與實(shí)際施工過(guò)程完全一致，具體步驟如下:

1)對(duì)沒(méi)有建筑物和基坑的土體進(jìn)行重力作用下的平衡計(jì)算，獲得土體的初始應(yīng)力狀態(tài);

2)模擬開(kāi)挖近鄰建筑物的基坑，建立建筑物的模型，進(jìn)行建筑物自重作用下的平衡計(jì)算，以獲得基坑施工前的土體應(yīng)力狀態(tài);

3)模擬地下連續(xù)墻的施工，并進(jìn)行計(jì)算，得到基坑開(kāi)挖前的土體應(yīng)力狀態(tài);

4)土體位移矢量與速度矢量的初始化;

5)基坑開(kāi)挖分9步進(jìn)行，前8步每步開(kāi)挖2 m，第9步開(kāi)挖1 m，最終開(kāi)挖深度為17 m，開(kāi)挖過(guò)程中，在相應(yīng)的標(biāo)高位置施工內(nèi)支撐或錨桿。

圖1 地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐數(shù)值模擬模型

圖2 地下連續(xù)墻加錨桿數(shù)值模擬模型

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3～圖8是基坑周邊建筑物沉降變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，2的沉降量對(duì)比曲線。從圖中可以看到，建筑物的沉降量隨基坑開(kāi)挖深度的增加而增加，隨內(nèi)支撐(或錨桿)層數(shù)的增加而減小。由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)1距基坑邊緣較近，其沉降變形量受基坑開(kāi)挖及基坑周邊土體位移的影響較大［3］，因此，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的沉降位移呈現(xiàn)增加—減小—增加的特點(diǎn)。由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)2距基坑邊緣較遠(yuǎn)，其沉降變形量受基坑開(kāi)挖及基坑周邊土體位移的影響率發(fā)生了較大的衰減，故監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的沉降位移只呈現(xiàn)單一增加的特點(diǎn)［4］。

圖3 一道支撐（或錨桿）時(shí)1點(diǎn)沉降曲線

同時(shí)，從圖3～圖8中還可以看到，對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，在第5步開(kāi)挖結(jié)束以前，兩種支護(hù)形式下的沉降曲線基本重合，從第6步開(kāi)挖開(kāi)始，1點(diǎn)的沉降出現(xiàn)了較大的差異;對(duì)于建筑物的2點(diǎn)，在第6步開(kāi)挖結(jié)束以前，兩種支護(hù)形式下的沉降曲線基本重合，從第7步開(kāi)挖開(kāi)始，2點(diǎn)的沉降出現(xiàn)了較大的差異。而且兩種支護(hù)形式下建筑物的最終沉降量相差很大，為了便于分析，把監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，2的最終沉降變形量匯總，如表3，表4所示。

圖4 一道支撐（或錨桿）時(shí)2點(diǎn)沉降曲線

圖5 二道支撐（或錨桿）時(shí)1點(diǎn)沉降曲線

圖6 二道支撐（或錨桿）時(shí)2點(diǎn)沉降量曲線

圖7 三道支撐（或錨桿）時(shí)1點(diǎn)沉降曲線

由表3與表4可知，采用地下連續(xù)墻加一道內(nèi)支撐時(shí)，建筑物1，2點(diǎn)的最終沉降分別為采用地下連續(xù)墻加一道錨桿時(shí)的42%和54%;采用地下連續(xù)墻加二道內(nèi)支撐(或錨桿)支護(hù)時(shí)，該數(shù)據(jù)為22.6%和47.5%;采用地下連續(xù)墻加三道內(nèi)支撐(或錨桿)支護(hù)時(shí)，該數(shù)據(jù)為25%和46%。

圖8 三道支撐（或錨桿）時(shí)2點(diǎn)沉降曲線

表3 兩種支護(hù)形式下監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的沉降量對(duì)比表 mm

表4 兩種支護(hù)形式下監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的沉降量對(duì)比表 mm

以常規(guī)設(shè)計(jì)(地下連續(xù)墻加兩道或三道內(nèi)支撐或錨桿)為例，采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的支護(hù)形式可使基坑近鄰建筑物的沉降變形相對(duì)于地下連續(xù)墻加錨桿的情況減小70%～80%。

3 結(jié)語(yǔ)

1)建筑物的沉降量隨基坑開(kāi)挖深度的增加而增加，隨內(nèi)支撐(或錨桿)層數(shù)的增加而減小;2)由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)1距基坑邊緣較近，其沉降變形量受基坑開(kāi)挖及基坑周邊土體位移的影響較大，因此，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的沉降位移呈現(xiàn)增加—減小—增加的特點(diǎn);3)采用內(nèi)支撐或土層預(yù)應(yīng)力錨桿與其他支護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支護(hù)形式，可有效減小基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建筑物的沉降變形;4)內(nèi)支撐在控制基坑變形方面的作用遠(yuǎn)大于土層預(yù)應(yīng)力錨桿。因此，當(dāng)工程要求對(duì)周邊環(huán)境變形控制較嚴(yán)格，或在軟土地區(qū)進(jìn)行城市深基坑施工時(shí)，應(yīng)首選內(nèi)支撐與其他支護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的復(fù)合支護(hù)形式。

［1］劉國(guó)彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009:756-762.

［2］夏明耀，曽進(jìn)倫.地下工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002:709-716.

［3］趙延林，張春玉，姜封國(guó)，等.深基坑開(kāi)挖對(duì)周邊地表沉降變形的影響［J］.黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，19(2):97-100.

［4］李志偉.軟土地區(qū)深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物影響的三維有限元分析［D］.天津:天津大學(xué)，2011.

［5］郭 超，陳 超.地鐵深基坑開(kāi)挖對(duì)周邊地表及建筑物的影響［J］.山西建筑，2012，38(7):63-64.