基坑開挖對鄰近建筑物影響的數(shù)值分析

周 晉

(上海地礦工程勘察有限公司，上海200072)

基坑開挖工程對周圍土體及建筑物有著重要影響，如果開挖不當，就會引起周圍建筑物產(chǎn)生不均勻沉降并開裂，帶來重大的經(jīng)濟損失，尤其在建筑物比較密集的市區(qū)，基坑周圍的地下管線和需要保護的歷史性建筑比較多，基坑開挖一旦出現(xiàn)問題，將產(chǎn)生嚴重的后果。因此關于深基坑開挖工程的研究一直受到工程界的重視［1－3］。

國內(nèi)外很多學者對這一問題研究證明［4－7］，基坑開挖所引起的地基變形及建筑物沉降開裂，是多種因素綜合作用的結果，實際工程中的計算理論很難考慮多種因素之間的相互作用［8］。而伴隨著計算機技術在工程中的廣泛應用，數(shù)值模擬逐漸在工程中得到應用，數(shù)值模擬能夠很好的考慮多種因素之間的相互作用，使得分析結果與實際工程更為接近。因此基于計算機的數(shù)值模擬方法成為分析基坑變形的一種有效方法［9－11］。

本文運用巖土工程專業(yè)有限元分析軟件Plaxis，結合具體工程實際，進行基坑開挖過程的有限元數(shù)值模擬分析。分別對三個計算剖面簡化分析，建立平面有限元模型進行數(shù)值模擬計算，對基坑開挖卸荷作用產(chǎn)生的周邊環(huán)境的附加變形進行預測分析。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況和周邊環(huán)境

本工程位于上海市徐匯區(qū)繁華地區(qū)，場地周邊東毗烏魯木齊路，南臨長樂路，本基坑工程面積較小，但開挖深度較深，基坑周邊緊鄰基地紅線，施工場地狹小，施工難度極高，且基地周邊環(huán)境復雜，緊鄰多幢需要保護的建筑和構筑物，保護要求較高?；乇眰鹊乃膶硬》繕呛湍蟼鹊牡叵挛鬯鼗A均為天然基礎，未采用樁基，因此對地層位移較為敏感，而且與本基坑工程的距離較近，尤其南側的地下污水池側壁與本基坑圍護體距離為0.8 m，其外挑基礎底板與圍護體距離更僅為0.1 m。北側四層病房樓和南側的地下污水池均處于本基坑開挖的影響范圍之內(nèi)，必須將基坑開挖對鄰近的建(構)筑物的不利影響控制在允許范圍之內(nèi)。

1.2 水文地質(zhì)概況

根據(jù)上海申元巖土工程公司提供的《華山醫(yī)院傳染科門急診、病房樓改擴建工程巖土工程勘察報告》，本場地地貌類型屬濱海平原，地面標高為2.84 m～3.54 m，一般為2.9 m。表1給出了基坑影響范圍內(nèi)各土層物理力學性質(zhì)指標。

表1 基坑影響范圍內(nèi)各土層物理力學性質(zhì)參數(shù)

本地基地下水屬潛水類型，其主要補給來源為大氣降水，水位補給隨季節(jié)變化而變化，一般為0.3 m～1.5 m?；訃o設計計算時采用0.5 m。場地地下水對混凝土一般無腐蝕性。根據(jù)勘察報告顯示，約43 m以下的第⑦層灰綠～灰色砂質(zhì)粉土層為第一承壓含水層，根據(jù)上海市長期觀測調(diào)查，其水位埋深呈周期性變化，一般為3.0 m～11.0 m。

土方開挖前要進行基坑降水，坑內(nèi)采用多濾頭真空深井降水。為達到合理降水效果，應當合理布置深井位置，使每口井發(fā)揮最大的效用，同時深井的布置應盡量結合支撐立柱布置，以便于施工階段的保護。

2 支護方案和基礎加固措施

2.1 支護方案

本基坑工程采用設計方案為:地下連續(xù)墻(兩墻合一)+坑內(nèi)二道水平支撐系統(tǒng)。

本工程采用800 mm厚的地下連續(xù)墻，基地在普遍區(qū)域地下連續(xù)墻的有效長度為20.5 m，在鄰近多層病房大樓區(qū)域地下連續(xù)墻有效長度為23 m，在鄰近教堂和烏魯木齊路側地下連續(xù)墻有效長度為29.2 m，在鄰近原有污水池一側地下連續(xù)墻有效長度為32.2 m。地下連續(xù)墻即作為基坑圍護結構，同時作為地下室結構外墻，即兩墻合一。地下連續(xù)墻混凝土強度等級C30(水下混凝土提高一級)。

基坑工程豎向設置兩道水平支撐系統(tǒng)，第一道采用鋼筋混凝土支撐系統(tǒng)，第二道采用鋼支撐系統(tǒng)，地下連續(xù)墻頂部設置壓頂圈梁兼作第一道支撐的圍檁。

2.2 基礎加固措施

為了減小基坑開挖對北側臨近四層病房樓、南側原有污水池以及西側現(xiàn)有教堂和還建四層建筑物的影響，本方案采用雙軸水泥土攪拌樁對上述區(qū)域的基坑被動區(qū)土體進行加固，以提高坑底被動區(qū)土體抗力，減小基坑變形，加固體呈墩式分布，攪拌樁呈格柵布置。雙軸水泥土攪拌樁加固基底以上水泥摻量為8%，基底以下水泥摻量為13%。

坑內(nèi)其他局部落深處(電梯井、集水井等)需根據(jù)其落低的深度、范圍及位置，在施工圖階段另作加固處理，局部落深區(qū)初步考慮采取雙軸水泥土攪拌樁結合壓密注漿的加固形式。

3 數(shù)值模擬

3.1 有限元模型的建立

(1)計算截面的選取

本文采用巖土工程專業(yè)有限元分析軟件Plaxis進行基坑開挖過程的有限元數(shù)值模擬。分別取基坑北側鄰近四層建筑物、西側的鄰近教堂建筑和南側的地下污水池側三個典型剖面進行彈塑性有限元計算，預測基坑開挖卸載對周邊環(huán)境的附加變形，計算剖面位置如圖1所示。

(2)土體和建筑物參數(shù)模型的選取

數(shù)值分析中采用Hardening－Soil模型和Mohr－Coulomb破壞準則。

計算中不同分層土體的重度、粘聚力、摩擦角等參數(shù)由勘察報告提供，剛度參數(shù)和高級參數(shù)則根據(jù)大量類似工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)反演分析得到。

鄰近建筑結構梁板、地下連續(xù)墻的材料參數(shù)按混凝土選取，相應的截面積、慣性矩等幾何參數(shù)需折算到每延米范圍上來確定。具體力學和幾何參數(shù)見表2。

圖1 基坑平面圖及計算剖面布置

表2 結構幾何參數(shù)

計算中考慮北側四層建筑物荷載為60 kN/m2，考慮西側教堂建筑物荷載為45 kN/m2。

(3)接觸面單元與網(wǎng)格剖分

采用彈塑性無厚度Goodman接觸面單元模擬圍護結構與土體和加固體之間相互作用，接觸面單元切線方向服從Mohr－Coulomb破壞準則。用一個折減系數(shù)Rinter來描述接觸面強度參數(shù)與所在土層的摩擦角和粘聚力之間的關系，模擬接觸面的強度參數(shù)較低的特性。

基坑計算考慮對稱，選取一半剖面建模計算，采用等三角形六節(jié)點平面單元模擬土體、水泥土加固體，采用梁單元模擬圍護排樁、墻體、頂板和底板。鄰近北側房屋側基坑計算寬度為16 m;基坑外計算寬度為70 m。深度取至足夠深度，為地表以下50 m。A－A剖面有限元模型共劃分6 100個節(jié)點，2 951個單元。鄰近南側污水池側基坑計算寬度為14 m;基坑外計算寬度為50 m。深度取至足夠深度，為地表以下50 m。B－B剖面有限元模型共劃分5 217個節(jié)點，2 414個單元。鄰近西側教堂側基坑計算寬度為25 m;基坑外計算寬度為70 m。深度取至足夠深度，為地表以下50 m。C－C剖面有限元模型共劃分5 960個節(jié)點，2 797個單元。

3.2 施工工況的模擬

為了模擬整個施工過程及土體初應力的變化，本次計算共分6個施工步進行，見表3，分別模擬三個典型剖面的工況計算。

表3 計算工況

3.3 計算結果分析

采用有限元軟件PLaxis分別對基坑北側鄰近四層建筑物、西側的鄰近教堂建筑和南側的地下污水池側三個典型剖面進行彈塑性有限元計算，對基坑開挖卸載對周邊環(huán)境的附加變形進行預測。

(1)A－A剖面(鄰近北側四層房屋)

對于A－A剖面，在模型建立之后分別按表3工況1－工況6依次進行計算。圖2、圖3分別為基坑開挖至底部模型的網(wǎng)格變形圖和水平位移云圖。

從圖2、圖3中可以看出，在坑內(nèi)土體開挖卸荷及坑外水土壓力作用下，坑內(nèi)土體表現(xiàn)為向上隆起;坑外土體向坑內(nèi)方向移動，從而引起坑外地表及建筑物沉降，最大沉降量為10 mm;由于坑外地表沉降量隨遠離基坑的距離增加而顯著降低，導致結構發(fā)生整體傾斜;基坑開挖引起的位移場主要發(fā)生在基坑底部及基坑外側2倍開挖深度范圍內(nèi)的土體。且由于建筑物的作用，地下連續(xù)墻產(chǎn)生較大的水平位移，地下連續(xù)墻最大水平位移31.2 mm，鄰近建筑物最大水平變形8.74 mm。

圖2 A－A剖面開挖到基底網(wǎng)格變形圖(放大25倍)

圖3 A－A剖面開挖到基底水平變形云圖

(2)B－B剖面(鄰近南側污水池)

對于B－B剖面，在模型建立之后分別按表3工況1－工況6依次進行計算。圖4、圖5分別為B－B剖面基坑開挖至底部是模型的網(wǎng)格變形圖和水平位移云圖。

圖4 B－B剖面開挖到基底網(wǎng)格變形圖(放大25倍)

圖5 B－B剖面開挖到基底水平變形云圖

由圖4、圖5可知，對于南側的鄰近污水池，由于距離圍護體距離很近，且污水池為天然地基，基坑開挖對污水池產(chǎn)生較大的影響，由有限元模型計算可知，污水池的最大水平變形為14.97 mm，最大豎向變形為7.74 mm。

(3)C－C剖面(鄰近西側教堂房屋)

對于C－C剖面，在模型建立之后分別按表3工況1－工況6依次進行計算。圖6、圖7分別為C－C剖面基坑開挖至底部是模型的網(wǎng)格變形圖和水平位移云圖。

由圖6、圖7并根據(jù)計算結果可知，對于西側的鄰近教堂建筑物，由于距離圍護體距離約4.4 m為新建樁基礎建筑，基坑開挖對鄰近新建教堂產(chǎn)生的最大水平變形為15.38 mm，最大豎向沉降為4.25 mm;距離較遠的為淺基礎的老建筑，基坑開挖引起的最大水平變形為13.94 mm，最大豎向沉降為15.37 mm。且建筑物發(fā)生的為不均勻沉降，從遠離基坑一側的較小沉降增加到靠近基坑一側的較大沉降，因此造成建筑物向著基坑傾斜較大。

圖6 C－C剖面開挖到基底網(wǎng)格變形圖(放大25倍)

圖7 C－C剖面開挖到基底水平變形云圖

4 結論

本文采用巖土工程專業(yè)有限元分析軟件Plaxis進行基坑開挖過程的有限元數(shù)值模擬。通過對計算結果的整理，得到以下結論:

(1)基坑開挖打破了原始土體的應力平衡狀態(tài)，致使土體中應力重新分布，從而產(chǎn)生基坑的水平位移和垂直位移，這些位移同時對基坑周圍鄰近建筑物產(chǎn)生不利影響。

(2)基坑的水平位移影響著基坑邊坡施工的穩(wěn)定性，而基坑周邊土體的不均勻沉降是基坑對周圍建筑物影響的主要因素。

(3)根據(jù)本文的計算結果，本工程采用“地下連續(xù)墻圍護+兩道混合支撐”，基坑開挖卸荷產(chǎn)生的周邊建筑物和污水池的最大附加水平和豎向變形均小于2 cm。采用“兩墻合一”方案能滿足基坑開挖對周圍建筑物和污水池的環(huán)境保護要求。

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