環(huán)境工程引起的建筑物應(yīng)力應(yīng)變分析研究

梁智霖

（河南衛(wèi)生干部學(xué)院，河南 鄭州 450008）

環(huán)境工程引起的建筑物應(yīng)力應(yīng)變分析研究

梁智霖

（河南衛(wèi)生干部學(xué)院，河南 鄭州 450008）

結(jié)合某實際大型建筑物基坑開挖現(xiàn)場情況，運用有限元分析軟件ETABS對可能的地表沉陷對周圍建筑物的影響狀況進行三維非線性模擬。首先介紹了基坑坑外土體沉陷的理論分析方法;然后建立了三層鋼框架結(jié)構(gòu)計算模型，對基礎(chǔ)土體下沉?xí)r建筑物內(nèi)部各柱的內(nèi)力進行計算;最后分析了建筑物所受到的影響情況。

環(huán)境巖土工程；基礎(chǔ)工程；沉降量；數(shù)值分析

一、引言

隨著我國經(jīng)濟的快速增長，近年來，一大批大型、特大型構(gòu)筑物相繼開工。城市建設(shè)用地空間限制與越來越多人口之間的矛盾不僅要求工程師向天空索取空間，同時也要求工程師把目光聚焦于地下。深基坑、地下軌道交通等高難度工程應(yīng)運而生且越來越多，基坑開挖過程中對基坑的穩(wěn)定性和變形要求越來越高［1］，對巖土工程設(shè)計施工人員來說，新的問題也不斷出現(xiàn)。其中，基礎(chǔ)工程引起的環(huán)境巖土工程問題作為一個新興問題，正越來越困擾工程設(shè)計施工人員。環(huán)境巖土工程問題既是指在工程建設(shè)過程及施工結(jié)束后，施工項目對周圍環(huán)境，特別是巖土環(huán)境的影響，這里的環(huán)境巖土問題既包括生態(tài)環(huán)境、自然環(huán)境，同時包括環(huán)境中的人工設(shè)施。

本文模擬一受到地基沉降影響的框架結(jié)構(gòu)建筑物，利用有限元軟件對建筑物的應(yīng)力應(yīng)變狀況進行分析。地基沉降情況根據(jù)實際某在建工程得出：整個項目建筑于舊房改造拆遷項目之上，占地面積7854.05m2，建筑基坑周長363m，基坑深9.2m～9.8m左右，基坑周圍老舊建筑物較多，情況復(fù)雜。土體為黏性土，整個工程場地經(jīng)過之前工程的平整壓實，高差約0.5m，可以忽略不計。

二、基坑坑外土體沉陷概述

基坑開挖、支護甚至支護拆除過程中，施工工藝、支護方式、基坑降排水等因素不可避免地會對周圍土體產(chǎn)生擾動，如措施不當(dāng)，就會產(chǎn)生如基坑內(nèi)管涌、突涌、基坑外土體變形沉降等諸多環(huán)境巖土工程問題，不僅影響基礎(chǔ)工程的施工進度，甚至可能威脅人民群眾生命財產(chǎn)安全?；赢a(chǎn)生管涌、突涌主要與基坑土體的性質(zhì)、周圍地下水位，甚至施工期間環(huán)境變化有關(guān)。為避免這種情況，工程中主要用提前測定地下水位及土地性質(zhì)，采用擋水墻并提前打井抽水的方式解決，理論深度較淺，這里不再詳細介紹。相反，土體開挖過程中產(chǎn)生的與支護結(jié)構(gòu)協(xié)同的應(yīng)力應(yīng)變直接關(guān)系著基礎(chǔ)開挖、施工的順利進行，涉及巖土工程的本質(zhì)問題。土體變形主要包括三個方面：基坑壁變形、基坑底部隆起、支護結(jié)構(gòu)后地表及建筑物的沉降。［2］據(jù)研究表明，這三個方面是相互關(guān)聯(lián)的，其中以支護結(jié)構(gòu)后地表沉降對環(huán)境的影響最大也是研究的重點。本文將以基坑開挖引起的坑外土體變形問題為對象，在概述沉降計算方法的基礎(chǔ)上具體分析地表沉降對坑外建筑物的影響。

三、地表沉降理論分析

基坑開挖后，圍護結(jié)構(gòu)外地表會發(fā)生沉降這是不爭的事實，工程上長期觀察發(fā)現(xiàn)，由開挖地層性狀的不同，地表沉降以三角形分布或者拋物型分布：當(dāng)開挖地層較軟弱，而且坑壁支護結(jié)構(gòu)入土深度較淺的時候，結(jié)構(gòu)部有相對較大的水平位移，結(jié)構(gòu)外側(cè)會出現(xiàn)比較大的地表沉降，并且最大沉降點在基坑邊，即三角形分布；當(dāng)開挖地層剛性較大的時候，或者結(jié)構(gòu)底入土較深時，坑壁支護結(jié)構(gòu)的變形與梁的變形相當(dāng)，此時地表沉降的最大值不是在結(jié)構(gòu)旁，而是離基坑邊尚有一段距離的位置上，即是拋物線形。［3］本案例即是這種情況。支護結(jié)構(gòu)外地表沉降的范圍與許多因素有關(guān)，其中主要包括底層的性質(zhì)、基坑開挖深度H、墻體入土深度、下臥層軟弱土層深度，以及支撐施工方法等。沉降的范圍一般為墻后地表2～3H范圍內(nèi)。［4］

本文選用常用的Bowles［5］計算方法對基坑周邊沉降進行分析。Bowles計算方法主要包括以下幾個步驟：①計算支護結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形曲線，假設(shè)支護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形曲線為拋物線形式，f（z）=az2+bz+c；②以積分方法計算支護結(jié)構(gòu)及橫向變形曲線所包絡(luò)的面積；③基坑開挖影響范圍L：采用唐孟雄［6］及Capse［7］的建議，L＝Htan（45°-φ/2）或者L＝（h+ Hd）tan（45°-φ/2）；④沉降曲線數(shù)學(xué)表達式本文假設(shè)建筑物邊緣到基坑邊的沉降曲線為拋物線，建筑物基礎(chǔ)沉降曲線為直線分布；⑤根據(jù)Milligan的研究，沉降面積大致等于支護結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形包絡(luò)面面積。

地表最大沉降值計算簡圖如圖1，推導(dǎo)過程不再詳述。得到最大沉降公式為：

圖中h為基坑開挖深度，Hd為支護樁嵌固深度，d為建筑物基礎(chǔ)埋深。公式中H為支護結(jié)構(gòu)長度，φ為土體內(nèi)摩擦角，l為建筑物基礎(chǔ)與坑邊的距離，L為基坑開挖影響范圍，δvmax為最大沉降值，SH為支護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形包絡(luò)面積。

根據(jù)計算或?qū)崪y支護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形數(shù)據(jù)擬合側(cè)向變形曲線，通過沉降公式求出靠近基坑側(cè)建筑物角點的最大沉降值δvmax，再根據(jù)公式所設(shè)的沉降曲線，既可求得建筑物柱下獨立基礎(chǔ)的不均勻沉降，也為進一步通過結(jié)構(gòu)計算分析建筑物框架結(jié)構(gòu)變形位移和內(nèi)力變化情況提供了條件。

圖1 地表沉降計算示意圖

四、模型應(yīng)力應(yīng)變分析

（一）地表沉降計算

本文選用某市一實際基礎(chǔ)工程作為算例，進行該算例情況下基坑開挖對周圍一假想框架建筑物的應(yīng)力應(yīng)變情況分析，以使本算例的分析結(jié)果具有一定的經(jīng)濟意義和社會意義，同時能對類似工程起到借鑒作用。實際工程基坑周長為363m，取樣位置基坑深度約9.2m，基坑深度范圍內(nèi)依次包括雜填土、黏土、粉質(zhì)黏土、有機質(zhì)黏土四類地層。設(shè)被影響建筑物距離基坑邊緣距離為8m，包含9個柱下獨立基礎(chǔ)，如圖2所示，其中1、2、3為靠近基坑邊緣一側(cè)，且距基坑邊緣距離相等。

圖2 建筑物基礎(chǔ)示意圖

由上文所提內(nèi)容，建筑物基礎(chǔ)最大沉降位置在距離基坑最近處。經(jīng)過加權(quán)平均后土體內(nèi)摩擦角取φ=5.1°，基坑等效寬度取，0.5Btan（45°+φ/2）=48m?；A(chǔ)工程對周圍地表影響范圍為L=（h+Hd）tan（45°-φ/2）=（9.2+48）tan42.45°＝52.32m。地表最大沉降值點與坑邊距離即為建筑物距離坑邊距離8m。通過施工現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，由積分方法可以很方便得出支護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形包絡(luò)面積為SH=0.158m2。由（1-1）式得最大沉降值為5.36mm。

此即為建筑物最靠近基坑坑壁處基礎(chǔ)沉降值，這里依然假設(shè)最簡單的情況，如若建筑物為有9個柱下獨立基礎(chǔ)的邊長為12m的鋼框架建筑物，如圖2為建筑物基礎(chǔ)示意圖。圖中1、2、3距離基坑邊緣最近。又因為將基礎(chǔ)沉降在最大值兩側(cè)簡化為呈線性變化，則可分別計算出建筑物9個基礎(chǔ)的沉降量，沉降量統(tǒng)計表見表1。

表1 建筑物基礎(chǔ)沉降值統(tǒng)計表

（二）計算模型及結(jié)果

ETABS是由CSI公司開發(fā)研制的房屋建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件，在三十年的發(fā)展時間里ETABS已經(jīng)成為全世界各個國家和地區(qū)公認的結(jié)構(gòu)計算專業(yè)程序，在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，其房屋結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析更是成為業(yè)界標準。ETABS計算理論基于有限元理論，有限元理論是將連續(xù)問題離散化，再將偏微分方程組在離散單元上線性化，從而得到數(shù)理方程邊值問題的近似解。

圖3 框架結(jié)構(gòu)尺寸圖

這里假設(shè)鋼框架結(jié)構(gòu)有3層，每層層高為3000mm，立柱間間距都為6000mm，基礎(chǔ)采用固定端支座?？蚣苤涂蚣芰翰捎?50× 200×9×14（mm）工字型鋼，樓板厚100mm，彈性模量24821Gpa，泊松比0.2，密度2.4g/cm3。結(jié)構(gòu)構(gòu)建完成后，即對結(jié)構(gòu)施加外荷載作用，本例外荷載為支座沉降位移，采用表1支座位移值輸入，由于建筑物為一長寬相等的對稱形狀，支座沉降設(shè)置靈活，這里認為：①軸線靠近基坑坑壁，沉降量為最大值5.36mm；②軸線遠離基坑坑壁，沉降量為4.09mm。將框架結(jié)構(gòu)尺寸及重度輸入后，軟件自動生成梁柱節(jié)點受力情況，由于設(shè)板跨方向沿數(shù)字軸號方向，作用力集中在跨端，且中間跨受力為邊跨兩倍。

前處理完畢后進行結(jié)構(gòu)計算分析，基底沉降變形將導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)位移變形，并進一步導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體存在較大的附加內(nèi)力。具體計算結(jié)果見圖4、圖5、圖6。

通過觀察計算結(jié)果，得出以下結(jié)論：①結(jié)構(gòu)兩邊跨附加應(yīng)力、位移變形對稱，且中間跨應(yīng)力、位移大于邊跨，這是因為中間跨受力較大，結(jié)果與客觀事實相符。②B-B跨剪力為零，這是因為B-B跨兩側(cè)結(jié)構(gòu)、位移、受力的對稱性，不會產(chǎn)生非對稱的剪力作用。③結(jié)構(gòu)底層柱和頂層柱所受附加應(yīng)力較大，可知底層、頂層柱最危險。

五、結(jié)論

環(huán)境巖土工程作為一個新興理論課題，在日益強調(diào)人與自然和諧發(fā)展的今天必將彰顯出其越來越重要的理論作用，但由于發(fā)展時間還不長，環(huán)境巖土問題發(fā)展仍舊不完善。對本文來說，很多內(nèi)容只能大致敘述，還有許多問題需要進一步討論與研究。

圖4 A-A跨附加彎矩圖

圖5 B-B跨附加彎矩圖

圖6 B-B跨附剪力矩圖

（1）本文以環(huán)境巖土問題一個研究方向為研究對象，分析了基礎(chǔ)工程可能引起的環(huán)境巖土問題，實際上，基礎(chǔ)工程也肯定對巖土體的其他方面造成影響，比如基礎(chǔ)工程中各種工程材料不合理的使用，混凝土材料對土質(zhì)的影響，鉆孔灌注時機械振動對土體的擾動，又或者灌注液中的有毒化學(xué)成分對土體中微生物的影響，等等。這些都是環(huán)境巖土研究所要關(guān)注的問題，還有待后來者進一步試驗分析。

（2）就本文本身來說，在模擬基坑坑壁變形時將坑壁看作豎直的“一”字型邊壁，實際該基坑還包括非直線邊壁，包含陰角、陽角的拐角邊壁，等等，這些邊壁造成的土體沉降計算過程更加復(fù)雜，同樣值得研究。

（3）本文在模擬基坑周圍建（構(gòu)）筑物時，選用了較簡單的鋼框架三框?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，并且沒有計算在正常情況下建筑物的內(nèi)力、變形分布，事實上如果將框架基礎(chǔ)非下沉情況與基礎(chǔ)下沉情況作對比，計算結(jié)果將更飽滿。鑒于筆者目前能力水平的限制，這將有待進一步研究與探索。

［1］侯學(xué)淵，劉國彬，黃院雄.城市基坑工程發(fā)展的幾點看法［J］.施工技術(shù)，2000，29（1）：5-7.

［2］劉長文，陳懌凡，李旭東.考慮空間效應(yīng)的深基坑周圍地表沉降分析［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2000，19（2）：145-147.

［3］高偉，竇遠明，周曉理，等.分步開挖過程中基坑支護結(jié)構(gòu)的變形和土壓力性狀研究［J］.巖土工程學(xué)報，2006，28（11）：1455-1459.

［4］趙花麗，傅少君.深基坑工程的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.孝感學(xué)院學(xué)報，2005，25（3）：94-96.

［5］Bowles J E.Foundation analysis and design［M］.出版地不詳，1988.

［6］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）：31-35.

［7］Caspe M S.Surface settlement adjacent to braced open cuts［J］.Journal of Soil Mechanics&Foundations Div，1966，92（ASCE#4867 Proceeding）.

TU753

A

1671-2862（2017）03-0109-04

2017-02-23

梁智霖，男，河南鄭州人，碩士，河南衛(wèi)生干部學(xué)院助教，研究方向：巖土工程、工程力學(xué)。