鄰近建筑基坑施工對周圍環(huán)境影響的數(shù)值模擬

陳運榮，趙永獻

(浙江城建勘察研究院有限公司，浙江杭州 310005)

鄰近建筑基坑施工對周圍環(huán)境影響的數(shù)值模擬

陳運榮，趙永獻

(浙江城建勘察研究院有限公司，浙江杭州 310005)

針對某鄰近建筑的基坑開挖施工，建立了考慮土與結(jié)構(gòu)物作用的三維有限元數(shù)值模型，通過對基坑開挖過程的數(shù)值模擬分析，研究了圍護結(jié)構(gòu)及周邊建筑的位移變化。結(jié)果表明：基坑開挖造成了基坑坑底土體向上隆起，引起了鄰近建筑發(fā)生豎向沉降，合理的施工過程可以保證建筑結(jié)構(gòu)安全性控制在允許范圍之內(nèi)。同時，與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比良好的一致性，也驗證了有限元數(shù)值模擬用于地下結(jié)構(gòu)安全性評價中的合理性。

基坑開挖; 周邊建筑; 安全性; 數(shù)值模擬; 現(xiàn)場監(jiān)測

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)和改革開放所取得的驕人成績，國民經(jīng)濟也高速增長，各種大中型建設(shè)項目如雨后春筍般蓬勃興起[1]。地基與基礎(chǔ)工程作為建筑領(lǐng)域的前期和基礎(chǔ)性工作，經(jīng)過了無數(shù)科技工作者進行理論上的探討和研究，從勘察、設(shè)計、施工到監(jiān)測均已達到一個全新的水平，工程質(zhì)量、安全、工期均得以優(yōu)化[2]。在城市建設(shè)過程中，大量基坑工程緊鄰已有建筑或建筑群[3]，基坑施工過程中的開挖卸荷導(dǎo)致坑底土體變形隆起[4]。土體變形造成周邊環(huán)境的不穩(wěn)定，地表土體沉降[5-6]，從而導(dǎo)致周邊建筑的正常使用受到較大影響甚至造成嚴(yán)重危害[7]，為保證基坑開挖過程中周邊建筑的安全，須嚴(yán)格控制基坑圍護方案并對施工過程嚴(yán)密監(jiān)管[8]。

本文建立了考慮周邊建筑的基坑施工三維有限元數(shù)值分析模型，以實現(xiàn)基坑開挖對鄰近周邊環(huán)境影響的數(shù)值模擬，研究基坑開挖引起的建筑結(jié)構(gòu)的沉降變形和基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力分布規(guī)律，對基坑施工安全性給予評價。

1 工程概況

1.1 基坑工程概況

基坑呈狹長型，南北長80 m，東西寬130 m，周長420 m，面積約為10 495 m2，開挖深度6.6 m?；又ёo采用φ700@850灌注樁圍護結(jié)構(gòu)，入土深度19.5 m。第一道水平支撐為800 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐，第二道水平支撐為700 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐，支撐直接支撐于壓頂梁上，設(shè)計圈梁尺寸為1100 mm×800 mm，C30混凝土。

1.2 周邊建筑概況

基坑呈狹長型，根據(jù)業(yè)主提供資料和現(xiàn)場踏勘，擬建基坑周邊環(huán)境情況為：

(1)基坑?xùn)|側(cè)：該側(cè)基坑邊線與紅線最近距離為21.3 m(東南角轉(zhuǎn)角處僅為10.7 m)，紅線以外緊鄰上?；莨たp紉機三廠，主要為2層車間廠房，磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為淺基礎(chǔ)，距離基坑邊線最近23.5 m。

(2)基坑南側(cè)：該側(cè)基坑邊線與本場地1幢5層待拆建筑外墻邊線最近距離僅2.6 m(距離該建筑基礎(chǔ)邊線最近1.5 m)，該建筑鋼混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為復(fù)合樁基礎(chǔ)，采用250 mm×250 mm預(yù)制方樁，樁長19 m。本工程建設(shè)過程中正常使用，待本工程建成后予以拆除。

(3)基坑西側(cè)：該側(cè)基坑邊線與場地西側(cè)圍墻最近距離1.1 m(據(jù)業(yè)主介紹，圍護施工前該側(cè)圍墻向西側(cè)移位約3 m)，圍墻以外為2幢9層保留建筑，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，與基坑邊線最近距離為12.9 m。

(4)基坑北側(cè)：該側(cè)基坑邊線與紅線最近距離為21.0 m，紅線以外為若干棟1層建筑(據(jù)業(yè)主介紹，本工程施工前部分建筑予以拆除作為施工出入口)，磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為淺基礎(chǔ)，距離基坑邊線最近24.2 m。

場地周邊建(構(gòu))筑物性質(zhì)情況(表1)，環(huán)境示意(圖1)。

表1 場地周邊建(構(gòu))筑物性質(zhì)情況

圖1 基坑與周邊建筑關(guān)系示意

1.3 場地地質(zhì)條件

根據(jù)勘察資料，本場地受基坑開挖影響土體的參數(shù)見表2。

表2 地基土參數(shù)

2 有限元數(shù)值模擬計算

2.1 數(shù)值模型

假定土層均質(zhì)分布，土體采用實體單元模擬，土體采用M-C本構(gòu)模型?；又ёo為地下連續(xù)墻、基坑底板及頂板采用板單元模擬，結(jié)構(gòu)中梁柱、支護結(jié)構(gòu)中的水平支撐、圈梁等采用梁單元模擬，混凝土構(gòu)件均采用線彈性本構(gòu)模型。周邊建筑簡化處理，為了充分考慮基坑開挖對周邊建筑的影響，采用混凝土實體單元模擬建筑荷載。根據(jù)理正基坑支護計算中的經(jīng)驗，建筑荷載按照建筑基礎(chǔ)形式分別為：淺基礎(chǔ)建筑采用20 kPa每層加載；樁基礎(chǔ)建筑采用20 kPa每層并乘以0.2的折減系數(shù)。為了考慮施工過程中基坑周邊的施工活動，并在基坑施工影響范圍內(nèi)施加了15 kPa的地面荷載。有限元計算中土體的計算參數(shù)根據(jù)巖土勘察報告提供的相關(guān)參數(shù)確定，土體的強度指標(biāo)采用三軸固結(jié)不排水(CU)試驗結(jié)果。土體的彈性模量取土的壓縮模量的3倍。C30混凝土的彈性模量E取30 GPa，泊松比0.2，密度取為2 480 kg/m3。

根據(jù)基坑幾何尺寸大小，結(jié)合基坑開挖施工對鄰近環(huán)境影響范圍的現(xiàn)場監(jiān)測經(jīng)驗，有限元計算區(qū)域取為300 m×150 m×60 m。綜合計算模型大小，綜合考慮計算時間和計算精確度，共計剖分單元46 804個。計算區(qū)域有限元網(wǎng)格見圖2(a)，基坑支護結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格見圖2(b)。

2.2 計算步驟

基坑開挖屬于臨時性地下工程，工期較短，可按照不排水條件下總應(yīng)力法進行分析，結(jié)合基坑開挖實際施工工況，數(shù)值模擬計算步驟如表3所示。

3 數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)安全性分析

有限元計算結(jié)果分析表明，計算工況6 (即開挖土體至基坑設(shè)計標(biāo)高)得到的基坑支護結(jié)構(gòu)以及周圍土體的變形最大，后續(xù)的地下室施工和拆撐施工等工程活動未引起車站結(jié)構(gòu)位移的進一步增加，故下面的討論著重以工況6的計算結(jié)果進行分析。

3.1 基坑支護結(jié)構(gòu)位移

基坑支護結(jié)構(gòu)Y方向水平位移較X方向水平位移大，Y方向最大水平位移為21.2 mm，發(fā)生在靠近建筑物4的支護段?？拷ㄖ?、建筑物5和建筑物6由于距離基坑較遠(yuǎn)，鄰近側(cè)的基坑水平位移較小。

(a)模型整體網(wǎng)格

(b)基坑支護網(wǎng)格圖2 有限元網(wǎng)格劃分

計算步驟計 算 內(nèi) 容1重力場初始化2地下連續(xù)墻、立柱、立柱樁，位移置零3開挖第一層土(1500mm)4加支撐5開挖第二層土(3000mm)6開挖第三層土(2100mm)7底板施工8施工墻體(地下室5100mm)9拆支撐+施工墻體(地下室1900mm)10施工頂板

由于靠近建筑物一側(cè)支護結(jié)構(gòu)平面布置上與建筑物整體平行，沒有出現(xiàn)陽角等支護結(jié)構(gòu)薄弱位置，但在靠前段與建筑物4最近距離只有3.2 m，因此基坑前側(cè)支護結(jié)構(gòu)靠左端應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加強支撐剛度，以減少水平位移。地下連續(xù)墻位移分布(工況6)如圖3所示。

3.2 基坑坑底土體位移

基坑坑底土體隆起量最大為4.37 cm，它的大小沿著基坑邊沿先增大后減小，在基坑邊沿的隆起量最小?；又車某两盗浚x基坑的距離不斷增大而增大，而后又隨著距離的增大而減小，在集中荷載附近的隆起出現(xiàn)局部最大，如圖4。

(a) X方向位移

(b) Y方向位移

(c) 西側(cè)

(d)東側(cè)

(e) 南側(cè)

(f)北側(cè)圖3 地連墻的水平位移

圖4 基坑坑底土體豎向位移

由圖4可以看出隆起量最大值出現(xiàn)在沒有立柱樁的位置，四邊角點位置隆起量最小。這是由于基坑為矩形，且在基坑開挖卸荷過程中，基坑周圍土體向基坑底部運動造成的。

3.3 周邊建筑豎向位移

基坑開挖施工引起周邊建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生豎向沉降位移，從而建筑結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生次應(yīng)力，可能對建筑結(jié)構(gòu)的安全帶來不利的影響。根據(jù)數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果得到周邊建筑的沉降對比，見圖5所示。

(a) 建筑1

(b) 建筑2

(c) 建筑3

(d) 建筑4

(e) 建筑5

(f) 建筑6圖5 建筑沉降對比

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析得到如下結(jié)論。

(1)基坑開挖過程中，周邊建筑出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，且隨基坑

開挖深度的增大而增大，開挖至坑底后的施工過程中，地表土體沉降趨緩。

(2)基坑開挖土體卸荷，圍護結(jié)構(gòu)發(fā)生位移變形，對基坑施工帶來不利影響。

通過與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測規(guī)律上保持一致，驗證了有限元數(shù)值模擬的合理性?；娱_挖對鄰近建筑的豎向沉降造成了一定的影響，但在建筑結(jié)構(gòu)安全性要求的控制范圍之內(nèi)。

[1] 錢七虎. 迎接我國城市地下空間開發(fā)高潮[J]. 巖土工程學(xué)報, 1998, (1): 112-113

[2] 李新星.鄰近基坑開挖的運營地鐵車站結(jié)構(gòu)安全度分析[J]. 巖土力學(xué), 2009, 30(2): 382-386

[3] 高文華, 沈蒲生, 楊林德. 基坑開挖中地層移動的影響因素分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2002, 21(8): 1153-1157

[4] 楊敏, 周洪波, 楊樺. 基坑開挖與臨近樁基相互作用分析[J]. 土木工程學(xué)報, 2005, 38(4): 91-96

[5] 王素霞. 基坑開挖對臨近建筑物影響的數(shù)值分析研究[D]. 南京工業(yè)大學(xué), 2006

[6] 應(yīng)宏偉，謝新宇.軟土深基坑開挖的有限元分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，1999, 20(4): 59-64

[7] 唐孟雄，趙錫宏.深基坑周圍地表沉降及變形分析[J]. 建筑科學(xué)，1996, (4)

[8] 侯學(xué)淵，陳永福.深基坑開挖引起周圍地基土的沉降的計算[J]. 巖土工程師，1989, (1): 3-13

陳運榮(1957～),男，高級工程師，巖土工程方向。

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