基坑開(kāi)挖對(duì)周圍建筑物變形影響分析

王鄧峮 趙壯福 葉帥華

（1 合肥工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230000；2 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 包括30050）

1 工程概況

合肥勝利58項(xiàng)目位于合肥市勝利路與滁州交口東北向，擬建工程包括26層辦公樓，設(shè)有三層地下室?；庸こ涕_(kāi)挖深度為15.0～24.0m，場(chǎng)地周圍存在既有建筑物若干。本基坑工程支護(hù)方案采用灌注樁+二層水平混凝土內(nèi)支撐支護(hù)體系，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)。場(chǎng)地內(nèi)土層自上而下可劃分為：第①層雜填土，厚度2.2～4.4m；第②層粘土，厚度1.8～4.6m；第③層粉質(zhì)粘土夾粉土，厚2.2～4.1m；第④層粉土夾粉質(zhì)粘土，厚度3.5～6.6m；第⑤層粉土、粉細(xì)砂層，厚5.0～8.50m；第⑥-1層強(qiáng)風(fēng)化砂巖，厚度2.6～4.2m，其下為⑥-2層中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層，該層未揭穿。

2 PLAXIS 3D

PLAXIS 3D有限元分析軟件是由荷蘭PLAXIS B.V.公司開(kāi)發(fā)的適用于巖土工程領(lǐng)域的有限元軟件，計(jì)算功能強(qiáng)大，實(shí)用范圍廣，能夠模擬各種復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，可進(jìn)行塑性、安全性、固結(jié)、滲流、流固耦合、動(dòng)力等多類型的分析?，F(xiàn)已廣泛的應(yīng)用于計(jì)算模擬各種深基坑工程項(xiàng)目。

3 模型建立

結(jié)合基坑規(guī)模大小、基坑開(kāi)挖深度、周圍建筑物分布，考慮到邊界效應(yīng)的影響，選取模型大小為250m×200m×40m。數(shù)值模擬中，各個(gè)土層采用莫爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型（M-C），土層參數(shù)見(jiàn)表1?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用shell單元；冠梁、腰梁、內(nèi)支撐采用beam單元，模型側(cè)向邊界條件設(shè)置為法向固定，底部邊界設(shè)置為完全固定，模型頂部為地表，邊界條件設(shè)置為自由邊界。

表1 土體參數(shù)表

計(jì)算模擬過(guò)程共7個(gè)工況，其初始工況為基坑開(kāi)挖前周圍建筑物依據(jù)荷載等效的原則進(jìn)行荷載布置，該工況完成后需清空位移并重置局部應(yīng)變場(chǎng)。先進(jìn)行等效排樁施工，樁深27m；開(kāi)挖至-0.9m，澆筑第一道混凝土內(nèi)支撐；再開(kāi)挖至-7.1m澆筑第二道內(nèi)支撐；最后開(kāi)挖至-12.4m到達(dá)基坑底部?；咏邓殡S整個(gè)基坑開(kāi)挖過(guò)程，為考慮地下水的影響，在基坑挖至地下水位線后將孔壓計(jì)算類型設(shè)置為穩(wěn)態(tài)地下水滲流。建立的基坑模型如圖1所示。

4 沉降影響分析

根據(jù)上述計(jì)算模擬過(guò)程，得基坑開(kāi)挖后位移變形云圖如圖2所示，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變形，在不同區(qū)域有不同程度的側(cè)移，基坑最大位移出現(xiàn)在基坑底部，是由土體開(kāi)挖的垂直方向卸荷作用引起的內(nèi)力重分布而導(dǎo)致的基坑坑底回彈[1～3]，土體回彈的最大位移為64.51mm。在基坑周圍布有建筑物的區(qū)域變形影響較明顯，且變形程度亦有一定的差異性。

基坑開(kāi)挖后導(dǎo)致場(chǎng)地內(nèi)地層的缺失，形成基坑臨空面，臨空面土體因水平向的卸荷作用以及應(yīng)力重分布產(chǎn)生蠕變等有害變形，隨著基坑深度的不斷加大，蠕變變形逐漸累加，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受到土體內(nèi)水土壓力的側(cè)向荷載以及基坑周邊建筑物提供的附件荷載的作用而產(chǎn)生變形[4～5]。

圖1 基坑模型示意圖

圖2 基坑變形云圖

基坑周圍建筑物的變形是由基坑開(kāi)挖時(shí)土體的變形以及后期基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蠕變變形共同疊加并通過(guò)土體傳遞到周圍建筑物基礎(chǔ)，由此使建筑物產(chǎn)生變形。

在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)冠梁上取兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B以分析基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，根據(jù)數(shù)值模擬，取基坑分別挖至-0.9m、-7.1m、-12.4m三個(gè)工況時(shí)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，位移曲線圖見(jiàn)圖3。從數(shù)據(jù)以及曲線圖分析可得出基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在施工開(kāi)挖至-0.9m階段變形較明顯，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A及監(jiān)測(cè)點(diǎn)B的位移均呈線性增長(zhǎng)，之后變形逐漸緩慢。

表2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移

基坑周圍建筑物位移變形云圖如圖4所示，從圖4可以看出，基坑開(kāi)挖對(duì)周圍建筑物的影響范圍以開(kāi)挖基坑為中心，呈波形分布展開(kāi)，在布有建筑物的區(qū)域變形較為明顯，且根據(jù)建筑物的荷載分布大小有顯著不同。圖中基坑西北部區(qū)域變形影響最大，最大位移56.21mm，基坑南部區(qū)域最大位移41.32mm，主要原因在于基坑西北部有既有建筑物8層賓館，在基坑南部有6層民房。說(shuō)明基坑開(kāi)挖對(duì)周圍建筑物的影響與建筑物本身的荷載分布情況有關(guān)，建筑物荷載分布越大，基坑開(kāi)挖對(duì)建筑物的影響越明顯。

圖3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移

為了分析基坑周圍建筑物的變形規(guī)律，在基坑周圍建筑物所在位置布置四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C、D，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置圖見(jiàn)圖5。通過(guò)數(shù)值模擬得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3-表6，由圖表可以發(fā)現(xiàn)隨著開(kāi)挖深度的不斷增加，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢(shì)，為了更加直觀地觀察基坑開(kāi)挖引起周圍建筑物的變形情況，根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制的曲線圖如圖6、圖7所示。

從圖6、圖7可以看出，隨著基坑深度的不斷增大，基坑周圍建筑物的位移也在逐漸增大，其中豎向位移相比水平位移受到的影響更大，說(shuō)明基坑開(kāi)挖卸荷對(duì)建筑物沉降的影響更加敏感。

圖4 基坑周圍建筑物變形云圖

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

通過(guò)圖7發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、監(jiān)測(cè)點(diǎn)C產(chǎn)生正向位移而監(jiān)測(cè)點(diǎn)B以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)D產(chǎn)生負(fù)向位移，這與監(jiān)測(cè)點(diǎn)所處的位置相關(guān)，通過(guò)數(shù)據(jù)也說(shuō)明建筑物水平位移均指向基坑內(nèi)部。這一現(xiàn)象表明基坑開(kāi)挖引起的建筑物變形除了產(chǎn)生地表沉降外還產(chǎn)生指向基坑內(nèi)部的微小位移。

表3-表5的數(shù)據(jù)表明建筑物的最大水平位移為14.205mm，最大豎向沉降位移為18.396mm，即建筑物的位移均控制在20mm以內(nèi)，說(shuō)明基坑開(kāi)挖對(duì)建筑物的變形影響均在可控范圍之內(nèi)，這也表明基坑支護(hù)方案是成功的。

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)A位移

表4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)B位移

表5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)C位移

表6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)D位移

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)合肥勝利58項(xiàng)目的數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)基坑周圍建筑物對(duì)基坑開(kāi)挖卸荷造成的影響非常敏感，建筑物沉降相比水平位移受到的影響更大。以擬建基坑為中心，受到的變形影響呈波形分布并表現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢(shì)，在布有建筑物的區(qū)域變形影響更加明顯。

基坑開(kāi)挖對(duì)周圍建筑物的影響與建筑物本身的荷載分布情況有關(guān)，在基坑工程進(jìn)行的過(guò)程中，要時(shí)刻監(jiān)測(cè)周圍建筑物的變形情況，以確?；拥陌踩闆r。

圖6 基坑周圍建筑物豎向位移

圖7 基坑周圍建筑物水平位移