深基坑開挖對鄰近既有獨立基礎變形的影響

趙延林,　朱慶潘,　高紅梅,　楊　悅

(黑龍江科技大學 建筑工程學院, 哈爾濱 150022)

?

深基坑開挖對鄰近既有獨立基礎變形的影響

趙延林,朱慶潘,高紅梅,楊悅

(黑龍江科技大學 建筑工程學院, 哈爾濱 150022)

針對深基坑開挖對近鄰既有獨立基礎變形的影響問題,應用有限元軟件ABAQUS建立包括基坑、土體、獨立基礎在內(nèi)的整體模型,分析基坑開挖深度、建筑物與基坑間距、連續(xù)墻厚度及嵌固深度等因素對基坑近鄰獨立基礎沉降量與水平位移的影響。分析表明:開挖深度對基礎沉降量的影響程度大于其對基礎水平位移的影響程度。建筑物與基坑間距對基礎沉降的影響遠大于對水平位移的影響,當間距大于1.0H時,對基礎沉降基本沒有影響。連續(xù)墻厚度對獨立基礎水平位移的影響較大,對沉降的影響較小。增加連續(xù)墻的嵌固深度對臨近獨立基礎沉降與水平位移的影響程度較接近。

深基坑; 獨立基礎; 沉降量; 水平位移

在深基坑工程施工過程中,土方開挖勢必會引起基坑周邊土體應力場的變化,隨之會導致基坑周圍土體發(fā)生變形,進而對周邊建筑物基礎產(chǎn)生較大影響。嚴重時,可能會影響建筑物的正常使用,危及建筑物的安全[1-4]。目前,關于深基坑開挖對周邊近鄰建筑物獨立基礎變形的影響,尚待深入研究。筆者利用有限元軟件ABAQUS研究基坑開挖深度、建筑物與基坑間距、地下連續(xù)墻厚度及嵌固深度等因素對基坑近鄰既有建筑物獨立基礎沉降與水平位移的影響。

1　工程背景

擬建工程為北京市某舊城改造項目,基坑平面尺寸60 m×40 m,開挖深度為14 m,采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護形式。地下連續(xù)墻高度20 m,墻厚0.6 m,嵌固深度為6 m,設兩道內(nèi)支撐,第一道布置在地面以下1.8 m處,第二道布置在地面以下8.4 m處。

基坑周邊有一棟六層框架結(jié)構(gòu)建筑物,建筑物長42 m,寬15 m,高度為20.5 m,獨立基礎形式,基礎埋深為2 m。場地土體的物理力學參數(shù)見表1,其中,E為土體的彈性模量。

表1　土體物理力學參數(shù)

2　數(shù)值模擬方案

2.1有限元模型的建立

由于基坑為矩形平面,故建模時選取一半基坑進行模擬。依據(jù)相關文獻,基坑開挖時的土體影響范圍:水平方向3H～4H,豎直方向2H～4H[5-7],H為基坑開挖深度。因此,文中建模時選取的土體影響范圍為長140 m、寬100 m、高50 m,以減小邊界條件對數(shù)值計算結(jié)果的影響。計算模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1　有限元模型

依據(jù)工程的實際情況,模型的邊界條件有三:

(1)限定模型側(cè)面方向上的水平位移;

(2)限制模型底面x、y、z三個方向的位移;

(3)限制地下連續(xù)墻與內(nèi)支撐平行于基坑開挖面的法向位移。

對于模型中的獨立基礎、地下連續(xù)墻、內(nèi)支撐以及基礎周邊土體,由于在分析計算時要求數(shù)據(jù)精度較高,所以,采用較細密的網(wǎng)格劃分(C3D20R)[8-10];對于距離建筑物比較遠的土體和建筑物本身,采用較大的網(wǎng)格劃分(C3D8R)。

2.2數(shù)值分析方案

數(shù)值分析方案包括下列四點:

(1)為分析基坑開挖深度對獨立基礎變形的影響,分別選取基坑開挖深度H為2、4、7、10、12、14 m 六種工況進行模擬。

(2)為分析建筑物與基坑間距離r對獨立基礎變形的影響,分別取r為5、10、14、21 m四種情況進行模擬。

(3)為分析連續(xù)墻厚度dl對獨立基礎變形的影響,分別選取dl為0.6、0.8、1.0、1.2 m 四種情況進行模擬。

(4)為分析連續(xù)墻嵌固深度D對獨立基礎變形的影響,分別選取D為6、8、10、12、14 m 五種情況進行模擬。

3 結(jié)果分析

3.1基坑開挖深度對基礎變形的影響

圖2a為r=5 m、dl=0.6 m、D=6 m時, 1號、2號、3號基礎沉降量隨基坑開挖深度的變化曲線。從圖2a中可以看出,隨著基坑開挖深度的增加,基礎的沉降量在不斷增加;當開挖深度超過10 m時,基礎沉降量的增加速率出現(xiàn)了一個較明顯的增大。同時,隨著基礎與基坑間距的增加,基坑開挖深度對基礎沉降的影響程度逐漸減弱。

圖2　開挖深度對基礎變形的影響

Fig. 2Effect on displacement of foundation by excavation depth

依據(jù)數(shù)值分析結(jié)果,基坑開挖到14 m時,1號、2號、3號基礎左右兩端的沉降差值均小于3 mm,故可以忽略基坑開挖對單個獨立基礎左右兩端不均勻沉降的影響。1號基礎的絕對沉降量sD為19.52 mm,3號基礎的絕對沉降量為4.42 mm,二者的沉降差值(即建筑物的不均勻沉降)為15.1 mm,這是導致建筑物產(chǎn)生附加內(nèi)力的主要原因。

圖2b為r=5 m、dl=0.6 m、D=6 m時,1號、2號、3號基礎水平位移隨基坑開挖深度的變化曲線。由圖2b可知,獨立基礎的水平位移隨基坑開挖深度的增加而增加;當開挖深度超過7 m時,基礎水平位移的增長速率出現(xiàn)了較明顯的增大。同時,隨著基礎與基坑間距的增加,開挖深度對基礎水平位移的影響在逐漸減小,且開挖深度對基礎水平位移的影響程度要比沉降的情況小得多。

當基坑開挖到14 m時,1號基礎的水平位移最大,為13.06 mm,是其沉降變形的66.9%,2號基礎的水平位移為9.50 mm,是其沉降變形的89%,3號基礎的水平位移最小,為6.09 mm,是其沉降變形的137.8%,這說明隨著基礎與基坑間距的增加,基礎的水平位移與沉降量的比值在不斷增加。

3.2建筑物與基坑間距對基礎變形的影響

圖3a為dl=0.6 m、D=6 m時，1號基礎的沉降隨建筑物與基坑間距r的變化曲線。

圖3　間距對基礎變形的影響

由圖3a可以看到,獨立基礎的沉降量隨間距r的增加而減小;當開挖深度小于7 m時,間距r對基礎沉降的影響較小;當開挖深度大于7 m時,間距r對基礎沉降的影響較大。同時還可以看到,間距r<14 m時,其對基礎沉降的影響較大；間距r>14 m時,其對基礎沉降的影響較小。這說明當建筑物與基坑間距r小于H(即r=14 m)時,間距r對基礎沉降有較大的影響;當建筑物與基坑間距r大于H時,可不考慮間距r對基礎沉降的影響。

圖3b為dl=0.6 m、D=6 m時,1號基坑的水平位移隨建筑物與基坑間距r的變化曲線。由圖3b可知,基礎的水平位移基本上隨間距r的增加而呈現(xiàn)線性減小,在間距r=14 m處,基礎水平位移的增長率出現(xiàn)拐點。對比兩圖,可以清楚地看到,建筑物與基坑間距r對基礎沉降量的影響要遠大于對水平位移的影響。

3.3連續(xù)墻厚度對基礎變形的影響

圖4為r=5 m、D=6 m時基礎沉降量與水平位移隨地下連續(xù)墻厚度dl的變化曲線。從圖4中可以看到,基礎沉降與水平位移皆隨連續(xù)墻厚度dl的增加而減小,且當墻厚dl小于1.0 m 時,連續(xù)墻厚度dl對基礎沉降與水平位移的影響較大,當墻厚dl大于1.0 m 時,連續(xù)墻厚度dl對基礎沉降與水平位移的影響不明顯。這說明過度增加連續(xù)墻厚度對控制基坑近鄰建筑物獨立基礎的變形不宜。

圖4　墻厚對基礎變形的影響

Fig. 4Effect on displacement of foundation by wall thickness

對比兩圖,可知連續(xù)墻厚度dl對獨立基礎水平位移的影響較大,而對沉降量的影響較小。由此可見,用增加地下連續(xù)墻厚度的方法來控制獨立基礎沉降的效果并不是很明顯。

3.4連續(xù)墻嵌固深度對基礎變形的影響

圖5為r=5 m、dl=0.8 m時,地下連續(xù)墻嵌固深度D對基礎沉降與水平位移的影響曲線。由圖5可知,基礎沉降與水平位移都隨連續(xù)墻嵌固深度D的增加而減小。當D小于10 m 時,其對基礎沉降與水平位移的影響較大,而當D大于10 m 時,對基礎沉降與水平位移基本沒有影響。這表明過度增加連續(xù)墻嵌固深度并不能起到有效控制基坑近鄰建筑物獨立基礎變形的作用。

圖5　嵌固深度對基礎變形的影響

Fig. 5Effect on displacement of foundation by embedded depth

對比兩圖,可以看到,增加連續(xù)墻的嵌固深度對臨近獨立基礎沉降的影響要比其對基礎水平位移的影響明顯些,但二者的影響程度較接近。因此,合理地增加地下連續(xù)墻的嵌固深度可有效控制基坑近鄰建筑物獨立基礎的沉降量和水平位移。

4　結(jié)　論

(1)深基坑工程施工過程中,隨著基坑開挖深度的增加,獨立基礎的沉降與水平位移都在不斷增加,但開挖深度對基礎沉降量的影響程度要大于其對基礎水平位移的影響程度。

(2)當建筑物與基坑間距小于1.0H時,獨立基礎的沉降與水平位移受間距的影響較大,且隨間距的增加而減小,間距對基礎沉降量的影響要遠大于其對水平位移的影響;當建筑物與基坑間距大于1.0H時,間距對基礎沉降基本沒有影響。

(3)獨立基礎沉降與水平位移皆隨連續(xù)墻厚度的增加而減小,連續(xù)墻厚度對獨立基礎水平位移的影響較大,對沉降量的影響較小,故增加連續(xù)墻厚度可有效控制近鄰獨立基礎的水平位移,但不宜過度增加。

(4)基礎沉降與水平位移皆隨連續(xù)墻嵌固深度的增加而減小,增加連續(xù)墻的嵌固深度對臨近獨立基礎沉降與水平位移的影響程度較接近。因此,合理地增加地下連續(xù)墻的嵌固深度可有效控制基坑近鄰建筑物獨立基礎的沉降量和水平位移。

[1]宋二祥, 王連君, 池躍君. 某基坑開挖對鄰近高層建筑的影響分析及決策[J]. 工程勘察， 2001, 35(4): 28-31.

[2]楊光. 基坑開挖和施工堆土對臨近建筑物影響的三維有限元模擬分析[D]. 鄭州: 鄭州大學, 2012: 11-13.

[3]周景超. 臨近建筑物基坑開挖的變形影響分析[D]. 北京: 北京交通大學, 2014: 7-8.

[4]陽吉寶. 基坑工程施工對鄰近建筑影響的控制[J]. 地下空間, 2000, 20(3): 221-224.

[5]鄭剛. 軟土地區(qū)深基坑開挖對鄰近建筑物影響的三維有限元分析[D]. 天津: 天津大學, 2011: 1-5.

[6]木林隆, 黃茂松. 基于小應變特性的基坑開挖對鄰近樁基影響分析方法[J]. 巖土工程學報, 2014(2): 304-306.

[7]朱曉宇, 黃茂松, 張陳蓉. 基坑開挖對臨近樁基礎影響分析的DCFEM法[J]. 巖土工程學報, 2010(S1): 181-185.

[8]鄭剛, 顏志雄. 基坑開挖對臨近樁基影響的實測及有限元數(shù)值模擬分析[J]. 巖土工程學報, 2007(5): 639-641.

[9]張愛軍, 莫海鴻, 李愛國， 等. 基坑開挖對鄰近樁基影響的兩階段分析方法[J]. 巖石力學與工程學報, 2013(S1): 2746-2748.

[10]羅耀武, 胡琦， 陳云敏， 等. 基坑開挖對抗拔樁極限承載力影響的模型試驗研究[J]. 巖土工程學報, 2011(3): 427-432.

(編輯徐巖)

Analysis of effect on adjacent existing isolated foundations by excavation of deep foundation pits

ZHAOYanlin,ZHUQingpan,GAOHongmei,YANGYue

(School of Civil Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper describes an in-depth study targeted at eliminating the effect on adjacent existing isolated foundation deformation by excavation of deep foundation pit. The study involves using the finite element software ABAQUS to develop the whole model including foundation pit, soil and isolated foundation and analyzing the effect on settlement and horizontal displacement of adjacent isolated foundation by excavation depth, space between building and foundation pit, thickness and embedded depth of continuous wall. The analysis demonstrates that the excavation depth exerts a greater effect on the settlement of foundation than on the horizontal displacement; the space between building and foundation pit yields a much larger impact on the settlement of foundation than on the horizontal displacement and if larger than 1.0H, produces virtually no effect on the settlement of foundation; the thickness of continuous wall gives a greater impact on the horizontal displacement of foundation and a less impact on the settlement; and the increased embedded depth of continuous wall has almost an identical effect on the settlement and horizontal displacement of adjacent existing isolated foundation.

deep foundation pit; isolated foundation; settlement; horizontal displacement

2015-04-22

黑龍江省教育廳科學技術(shù)研究項目(12531575)

趙延林(1971-),男,山東省萊陽人,教授,博士,研究方向:深基坑工程,E-mail:zhaoyanlin1971@sina.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.03.014

TU473.2

2095-7262(2015)03-0294-05

A