基坑開挖對(duì)臨近建筑物影響的有限元分析

張晨

【摘要】基坑開挖對(duì)臨近建筑物的影響是巖土工程界關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一，以廣州地區(qū)某工程為背景，采用有限元軟件Plaxis進(jìn)行分析，考慮主體結(jié)構(gòu)與土體的共同作用，建立二維有限元模型。根據(jù)結(jié)果分析，僅依靠主體結(jié)構(gòu)抵抗24m深的基坑外側(cè)土壓，傳力不直接，經(jīng)濟(jì)代價(jià)大，且影響使用功能，需要采取一定的措施來減小基坑開挖對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響。

【關(guān)鍵詞】二維有限元；基坑開挖；變形和內(nèi)力；主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

隨著城市化的進(jìn)程，帶來了大量的深基坑工程。由于本工程主體結(jié)構(gòu)體量較大，需分期建設(shè)，也就造成了二期基坑開挖時(shí)，使一期主體形成一個(gè)三邊圍護(hù)一邊開敞的結(jié)構(gòu)，且最大埋深約24m，土壓力會(huì)引發(fā)主體結(jié)構(gòu)的變形，并產(chǎn)生附加內(nèi)力，且可能整體傾覆或滑移。如何有效地評(píng)價(jià)二期基坑開挖對(duì)一期主體結(jié)構(gòu)的影響，是一期主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須重點(diǎn)考慮的問題。

1、工程概況

本文主要分析二期基坑開挖對(duì)一期主體結(jié)構(gòu)的影響。一期共三棟塔樓，高100m，20層，設(shè)4層地下室?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)，采用天然地基基礎(chǔ)，中風(fēng)化巖層作為持力層。室外地面標(biāo)高為24.900m，基坑開挖至0.95m，開挖最深為23.950m。該工程重要性等級(jí)為二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。

2、計(jì)算模型

2.1 計(jì)算網(wǎng)格劃分

選取非塔樓的純地下室范圍作為受力最不利位置，模型中主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件按照抗彎剛度相等原則等效為板單元，各土層按照勘察報(bào)告參數(shù)取值，采用摩爾庫倫本構(gòu)模型來模擬，板單元與土體之間采用界面單元模擬。計(jì)算模型水平方向上156.0m，豎直方向上48.0m。

2.2 計(jì)算參數(shù)

模型中，土層的物理力學(xué)參數(shù)按照勘察報(bào)告選取，地下水位取絕對(duì)標(biāo)高18.900m。主體結(jié)構(gòu)采用板單元，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。計(jì)算采用的土層及主體結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如表1所示。

3、計(jì)算結(jié)果分析

3.1 主體結(jié)構(gòu)變形

水平位移計(jì)算結(jié)果如圖1所示，一期主體結(jié)構(gòu)頂部的水平位移約為159mm，平均層間位移角達(dá)到1/150，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范1/800的限值，說明主體結(jié)構(gòu)已進(jìn)入塑性階段。針對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，規(guī)定層間位移角限值主首先是要保證主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性受力狀態(tài)，避免混凝土墻、柱等主要抗側(cè)力構(gòu)件開裂。其次是要保證填充墻、隔墻、幕墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基本完好，避免出現(xiàn)明顯損壞。除此之外，合理的限制結(jié)構(gòu)水平變形也是實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)的重要保證。同時(shí)，主體結(jié)構(gòu)變形會(huì)帶來基坑頂部相應(yīng)變形，對(duì)周邊的建筑物會(huì)產(chǎn)生較大影響。所以二期基坑開挖會(huì)使一期主體結(jié)構(gòu)變形過大，對(duì)結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的損傷，需大幅度提高一期主體結(jié)構(gòu)的自身剛度才能控制變形。

3.2 主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件附加內(nèi)力

計(jì)算結(jié)果顯示，主體結(jié)構(gòu)最下面一層的梁為受力最不利位置，梁間距為8m，最大彎矩約為2440kN·m，最大彎矩處剪力約為1160kN，按此內(nèi)力并考慮正常使用的樓面荷載計(jì)算出比較合理的梁截面尺寸約為400mmx1500mm。1500mm的梁高對(duì)地下室的使用功能影響很大，導(dǎo)致原設(shè)計(jì)層高不足，增加層高使基坑開挖更深，構(gòu)件附加內(nèi)力也就更大。所以，二期基坑開挖對(duì)一期主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生的附加內(nèi)力值大大超過了正常使用功能下構(gòu)件的內(nèi)力，其余梁，以及柱、地下室外墻的附加內(nèi)力均與此梁情況類似，但相對(duì)影響會(huì)小一些。所以，單純?yōu)榱说挚故┕み^程中的較不利工況來增加各構(gòu)件的截面，是不合理的，不但造成的材料的浪費(fèi)，同時(shí)由于構(gòu)件尺寸的粗大，對(duì)使用功能上也造成了很大的影響。

3.3 主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

圖1的計(jì)算結(jié)果顯示基坑底部巖層的變形很小，接近于0，可以作為主體結(jié)構(gòu)水平嵌固部位。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，主體結(jié)構(gòu)底部總剪力約為V=2370kN/m，總彎矩約為M=8730kN·m/m。主體結(jié)構(gòu)52m寬，4層，自重約為G=2080kN/m，巖層4與基礎(chǔ)底部的摩擦系數(shù)μ=0.5。根據(jù)GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.7.5條驗(yàn)算主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（1）抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算：μ×G=1040kN/m<1.3V=3080kN/m

（2）抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算：G×x0=2080kN/m×26m= 54080kN·m /m>1.6M=13970 kN·m /m

主體結(jié)構(gòu)的抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算不滿足規(guī)范要求，二期基坑開挖時(shí)一期主體結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生滑移。

結(jié)論：

綜上所述，二期基坑開挖對(duì)一期主體結(jié)構(gòu)的影響很大，使一期主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入塑性階段甚至可能破壞，基底也需采取措施抗滑移?，F(xiàn)提出如下方案，在主體結(jié)構(gòu)左側(cè)設(shè)置三道支撐，使主體結(jié)構(gòu)僅抵抗6m的坑外土壓力，經(jīng)計(jì)算，僅需適當(dāng)加大構(gòu)件截面尺寸即可滿足以上幾點(diǎn)要求，如圖2所示，基坑頂部水平位移可控制在30mm左右。所以，僅依靠主體結(jié)構(gòu)來抵抗坑外的土壓力很困難，傳力不直接，而且構(gòu)件尺寸的加大。經(jīng)濟(jì)上付出了不少的代價(jià)，使用功能上也有一定的損失。需要在二期基坑開挖時(shí)對(duì)一期主體結(jié)構(gòu)增加側(cè)向約束。

參考文獻(xiàn)：

[1]王素霞，黃石松，夏碧濤.基坑開挖對(duì)臨近建筑物影響的有限元分析[J].廣西質(zhì)量監(jiān)督導(dǎo)報(bào)，2008-06-28：53-54.

[2]王衛(wèi)東，徐中華.預(yù)估深基坑開挖對(duì)周邊建筑物影響的簡化分析方法[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32（增刊）：32-38.

[3]劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.