考慮臨近建筑物超載作用下的基坑變形及穩(wěn)定性分析

陳建永

(宿遷市建設(shè)工程造價管理處，宿遷 223800)

考慮臨近建筑物超載作用下的基坑變形及穩(wěn)定性分析

陳建永

(宿遷市建設(shè)工程造價管理處，宿遷 223800)

以某深基坑工程為研究對象，利用有限元分析軟件ABAQUS建立了考慮臨近建筑物荷載影響的二維數(shù)值模型，模擬開挖實(shí)際工況。對土體開挖引起的土體塑形應(yīng)變及基坑的穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算，對建筑物位置及基礎(chǔ)埋深對基坑穩(wěn)定性的影響進(jìn)行探討。計(jì)算結(jié)果可為工程設(shè)計(jì)與施工提供理論依據(jù)，也可為類似工程提供參考。

深基坑；強(qiáng)度折減；安全系數(shù)；變形

1 引言

城市深基坑工程往往在城市建筑密集區(qū)內(nèi)施工，必然會對周圍已有建筑物與地下市政管線設(shè)施的受力和變形產(chǎn)生不利影響。另外基坑附近的已有建筑物也必然會對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。這兩大問題可歸納為城市密集區(qū)內(nèi)地下結(jié)構(gòu)近接施工的相互影響問題。因此從基坑設(shè)計(jì)階段預(yù)測已有建筑物對基坑工程變形與穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要。

2 安全系數(shù)計(jì)算的強(qiáng)度折減有限元法

強(qiáng)度折減法將基坑的安全系數(shù)定義為使基坑剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時，對其強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減的程度。若基坑采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，影響其穩(wěn)定性的強(qiáng)度參數(shù)是粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ，將土體原始粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ同時除以一折減系數(shù)K，然后進(jìn)行數(shù)值分析。通過不斷增大K，反復(fù)分析直至基坑達(dá)到臨界破壞狀態(tài)。假設(shè)此時粘聚力和內(nèi)摩擦角為ccr和φcr，由于基坑處于臨界狀態(tài)，所對應(yīng)的安全系數(shù)Kcr=1，可得原始基坑對應(yīng)的安全系數(shù)為：

從上述強(qiáng)度折減法的基本原理來看，其基本實(shí)質(zhì)就是材料的粘聚力和內(nèi)摩擦角逐漸降低，導(dǎo)致土單元的應(yīng)力和強(qiáng)度無法配套，即超出了屈服面，不能承受的應(yīng)力將逐漸轉(zhuǎn)移到周圍土體單元中去，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)滑動面后，土體將失穩(wěn)。在ABAQUS中材料的參數(shù)可以隨溫度或場變量變化，由此可以在ABAQUS中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度折減法的實(shí)現(xiàn)，具體步驟如下：

(1) 定義一個場變量；

(2) 定義隨場變量變化的材料模型參數(shù)；

(3) 在分析開始制定場變量的大小，并對模型施加重力(體力荷載)；

(4) 在后繼分析步中線性增加場變量Fr，計(jì)算終止后對結(jié)果進(jìn)行處理，按照上述失穩(wěn)原則確定基坑的安全系數(shù)。

3 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)確定

選取江蘇省宿遷市某大廈深基坑工程為研究對象，基坑開挖區(qū)域?yàn)殚L140 m、寬40 m的長方形區(qū)域，開挖深度6 m，基坑長寬比為3.5，故可采用二維模型，模型包括7 128個節(jié)點(diǎn)和5 058個單元，其中226個無限單元，因模型邊緣均為無限單元，固不需添加邊界條件?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)為無建筑物一側(cè)為直徑0.8 m間距1.2 m鉆孔灌注樁；有建筑物一側(cè)為直徑1 m間距1 m鉆孔灌注樁，樁長均為15 m。建筑物為一5層小樓，長10 m，距基坑邊10 m，樓房按每層20 kPa加載，鉆孔灌注樁按等強(qiáng)度原則簡化為寬1 m地下連續(xù)墻。在地下連續(xù)墻與土體之間設(shè)置接觸面，接觸面無厚度，小滑移。接觸面的本構(gòu)關(guān)系為：切線方向采用Mohr-Coulomb摩擦模型，μ=0.2，法線方向?yàn)閯傂?，即不允許接觸面的相互嵌入。考慮人工填土以下土層中孔隙水影響。劃分的有限元網(wǎng)格見圖1。建筑場地屬于黃泛沖積平原地貌單元，覆蓋層厚度大于80 m，其中新近沉積的粉土及粘性土層厚約16.0 m，其下為沉積時間較早一般粘性土和老粘土及砂層。表1為現(xiàn)場擬開挖場地巖土力學(xué)參數(shù)表。表2為地下連續(xù)墻的力學(xué)參數(shù)?；娱_挖全過程采用動態(tài)模擬，模擬過程按施工步驟進(jìn)行，每層開挖2 m，共開挖3層，共定義7個模擬過程，模擬過程見表3。

圖1 劃分的模型網(wǎng)格圖

層序厚度/m彈性模量/Pa濕密度/kg·m-3強(qiáng)度參數(shù)粘聚力內(nèi)摩擦角①24．2e617501221②46．5e6178015．426．5③84．6e6189016．815．3④113．5e6191029．622．1⑤358e619601228．4

表2 地下連續(xù)墻的力學(xué)參數(shù)

表3 施工模擬步驟表

圖2 模型等效塑形應(yīng)變分布圖

4 結(jié)果分析

基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用直徑0.8 m間距1.2 m鉆孔灌注樁支護(hù)，模型開挖至6 m后采用強(qiáng)度折減法對土體強(qiáng)度進(jìn)行折減?；邮Х€(wěn)前塑性應(yīng)變分布圖見圖2，從圖上可以看出基坑失穩(wěn)時，地面下4 m處支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切破壞，此時基坑的穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.19，基坑失穩(wěn)時，有建筑物一側(cè)基坑土體塑形變形為7.195 cm，遠(yuǎn)大于無建筑物一側(cè)的3.597 cm，這是因?yàn)樵诮ㄖ锏暮奢d作用下，土體的塑形應(yīng)變區(qū)增大，滑動面位置向建筑物所在位置移動，基坑外側(cè)土體主動土壓力增大，導(dǎo)致土體塑形變形增大。圖3為建筑物對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響對比圖。從圖中可以看出由于建筑物荷載的作用，有建筑物一側(cè)水平方向的位移明顯較無建筑物荷載一側(cè)增大，無建筑物一側(cè)變形與實(shí)測值較接近。當(dāng)有建筑物基坑一側(cè)采用直徑1 m間距1 m鉆孔灌注樁進(jìn)行支護(hù)，即采用地下連續(xù)墻2力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算后，基坑的穩(wěn)定性安全系數(shù)由1.19增大為1.54。這說明因臨近建筑物的存在，有必要對基坑支護(hù)進(jìn)行加固。

圖3 建筑物對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響對比圖

改變建筑物距基坑邊緣距離，其他條件保持不變，研究基坑安全系數(shù)的變化，計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 建筑物位置對基坑安全系數(shù)的影響圖

由圖4可以看出，當(dāng)建筑物距基坑邊小于6 m時，即1倍的基坑埋深時，基坑已失穩(wěn)。在基坑2倍埋深范圍內(nèi)，建筑物對基坑安全影響較大，當(dāng)超過3倍埋深時即大于18 m時，對基坑影響逐漸減小，超過基坑4倍埋深時，基坑安全系數(shù)基本保持不變。

建筑物埋深從零開始增加，其他條件保持不變，計(jì)算建筑物埋深不同對基坑安全系數(shù)的影響，結(jié)果見圖5。從圖中可以看出，隨著基礎(chǔ)埋深的增大，臨近建筑物對基坑的影響逐漸減小，基坑安全系數(shù)也隨之增大，且增大速率逐漸減小，當(dāng)超過基坑開挖深度時，基坑安全系數(shù)幾乎保持不變。

圖5 建筑物埋深對基坑安全系數(shù)的影響

5 結(jié)語

本文采用有限元強(qiáng)度折減法，以宿遷市某深基坑工程為例對附近建筑物對基坑開挖引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和穩(wěn)定性安全系數(shù)的變化進(jìn)行分析。

(1) 把臨近建筑物簡化為等效荷載施加在地面上，分析了臨近建筑物對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移和基坑穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響，結(jié)果表明，臨近建筑物的存在對基坑變形及穩(wěn)定性影響較大。

(2) 隨著建筑物與基坑距離的變大，基坑穩(wěn)定性安全系數(shù)逐漸變大，當(dāng)超過基坑4倍挖深時，基坑穩(wěn)定性安全系數(shù)基本保持不變。

(3) 當(dāng)臨近建筑物埋深逐漸增大時，基坑的安全系數(shù)隨之增大，超過基坑開挖深度后，基坑安全系數(shù)幾乎保持不變。

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TUDY ON DEFORMATION AND SAFETY FACTOR OF FOUNDATION EXCAVATION UNDER THE LOAD OF NEIGHBORING STRUCTURE

Chen Jian-yong

(Construction Cost Management Division of Suqian,Jiangsu Suqian 223800,China)

In order to simulate the actual working conditions of excavation in a deep foundation pit project,a two-dimensional numerical model under the load of neighboring structure was built using finite element analysis software ABAQUS with shear strength reduction method, the equivalent plastic strain of soil and the safety factor of the deep foundation pit were analyzed.The influences of neighboring building position and depth base on basal heave stability of excavations are studied.It showed this method may provide a useful reference to the similar engineering.

deep foundation pit; shear strength reduction; safety factor; transformation

徐盛東(1989- )，男，助理工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治和巖土工程設(shè)計(jì)研究工作。E-mail：gongsuny@qq.com

1006-4362(2017)01-0099-03

2016-10-22 改回日期： 2016-12-17

P642

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