深基坑開挖對支護結(jié)構(gòu)及既有建筑物的影響分析

李忠爽 胡永健

(中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

1 概述

隨著城市的建設(shè)發(fā)展，深基坑工程項目的周邊環(huán)境日益復(fù)雜。深基坑土體開挖引起坑底土體的卸荷，周邊土層的位移場和應(yīng)力場發(fā)生變化，對周邊環(huán)境既有建筑產(chǎn)生相應(yīng)的附加應(yīng)力和位移。如果附加應(yīng)力及位移超過建筑物的允許值，常常造成建筑物的破壞，引起相應(yīng)的工程事故。近些年來，在北京、廣州等城市均發(fā)生過由于基坑開挖引起臨近建筑物失效或破壞的事故，給社會造成了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。因此，精確評估基坑開挖對周邊環(huán)境影響效應(yīng)尤為重要。

前人對基坑開挖的研究成果較多，但大部分論文重點研究的是基坑自身的穩(wěn)定性，支護結(jié)構(gòu)的變形及其受力等方面;對臨近建筑物的影響分析更多的是依賴于數(shù)值模型而得到的結(jié)論，用實際監(jiān)測驗證結(jié)果合理性的成果較少。

本文以武漢市某基坑工程為例，探討了深基坑開挖對支護結(jié)構(gòu)及既有建筑物的影響規(guī)律。在施工期間對基坑和周邊環(huán)境進行了動態(tài)監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果進行了對比分析，可為類似工程的設(shè)計和施工提供借鑒。

2 工程概況

2.1 項目簡介

擬建建筑物由1棟26層辦公樓、5層商業(yè)裙樓和外擴3層地下室組成?；訛樾螤畈灰?guī)則的4層地下室深基坑。該基坑開挖深度為20.42 m，主樓處開挖深度為21.37 m?；娱_挖面積約13 240 m2，基坑周長約511 m。

2.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

本場區(qū)地層自上而下土層分別為:第①層雜填土，全場地分布，層厚1.2 m ～8.4 m，平均層厚2.33 m;第②層粘土，局部相變?yōu)榉圪|(zhì)粘土，層厚2.5 m ～5.6 m，平均層厚4.15 m;第③層粘土，含有薄層的粉土、薄層粉砂，局部為淤泥質(zhì)粘土，全場地分布，層厚1.5 m～4.8 m，平均層厚3.44 m;第④層粉細砂與粘土互層，以粘土為主，層厚0.9 m ～7.4 m，平均層厚2.48 m;第⑤1層粉細砂，夾有薄層的粉土及塑性較好的粘土，層厚為7.6 m～18.8 m，平均層厚 14.04 m;第⑤1a層粘土，層厚 0.8 m ～2.6 m，平均層厚 1.16 m;第⑤2層粉細砂，局部夾有中粗砂，層厚17.1 m～23.6 m，平均層厚 20.12 m;第⑤2a層粘土，層厚 0.7 m ～3.2 m，平均層厚 2.07 m;第⑥層卵石，主要成分為石英砂巖、砂巖及灰?guī)r等，層厚5.2 m～7.9 m，平均層厚6.95 m;第⑦1層志留系墳頭組(S2f)強風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，層厚0.4 m～2.7 m，平均層厚1.49 m;第⑦2層中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，未見洞隙，層厚 1.7 m ～3.4 m，平均層厚2.42 m。

2.3 支護方案

經(jīng)過分析計算和方案論證，最終確定支護方案為:鋼筋混凝土地下連續(xù)墻(兼作地下室外墻)+鋼筋混凝土內(nèi)支撐梁(板)作為基坑支護體系及止水帷幕。地下連續(xù)墻厚度1 000 mm，地連墻內(nèi)側(cè)擬設(shè)鋼筋混凝土內(nèi)襯墻。在連續(xù)墻的槽段接縫處設(shè)置袖閥注漿管，內(nèi)外側(cè)布置攪拌樁，接頭處設(shè)置高壓旋噴樁，并結(jié)合降水井作為降止水的綜合處理措施。

2.4 監(jiān)測方案

按照設(shè)計要求，周邊環(huán)境監(jiān)測內(nèi)容包括:建筑物沉降及道路沉降。監(jiān)測工作自地下連續(xù)墻施工到基坑內(nèi)支撐的拆除。部分監(jiān)測點布置如圖1所示。

圖1 部分監(jiān)測點布置示意圖

按照GB 50497—2009建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范規(guī)定以及監(jiān)測合同要求，監(jiān)測預(yù)警值如表1所示。

表1 監(jiān)測預(yù)警值

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

建筑物的沉降時程曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著基坑開挖周邊建筑物沉降累積量逐漸增加，最大沉降量為11.4mm，不均勻沉降較小，最大不均勻沉降為0.97 mm。沉降數(shù)據(jù)沒有達到預(yù)警值，表明采用地連墻+內(nèi)支撐的支護形式可以很好地減少基坑開挖對周邊環(huán)境的影響。

圖2 建筑物沉降—時程曲線

4 數(shù)值模擬成果分析

利用ABAQUS有限元軟件模擬基坑開挖全過程施工，探討土體卸荷對基坑支護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的影響規(guī)律。

4.1 計算參數(shù)

考慮到深基坑平面面積廣大以及形狀的不規(guī)則性，三維建模不易實現(xiàn)，采用最不利基坑剖面以及最不利地層剖面的組合建立數(shù)值模型。深基坑的尺寸為136 m×80 m，基坑開挖深度為20.42 m;地下連續(xù)墻寬度為1m，總長度為56m，插入基坑開挖面以下 35.6 m;坑內(nèi)設(shè)4 道支撐，分別距地表3 m，7.7 m，12.4 m 和17.1 m。建立如圖3所示的有限元模型。選用多孔彈性模型(Porous Elasticity)和臨界狀態(tài)塑性模型(Clay Plasticity)聯(lián)合使用模擬粘土的受力變形特點;其余土層選用摩爾庫侖模型。

圖3 有限元模型示意圖

土體、地連墻及建筑物用CPE4平面應(yīng)變單元模擬;支撐的主要作用是限制土體向基坑內(nèi)部位移，故假設(shè)支撐是剛性的，采用位移約束的條件來實現(xiàn)。模型左右邊界選用位移/轉(zhuǎn)角約束，限制水平方向上的位移;模型底部約束水平及豎直兩個方向上的位移。土體開挖分10個分析步，每步開挖深度依次為3 m，4.7 m，4.7 m，4.7 m和3.32 m。數(shù)值模擬中不考慮坑外地表有超載存在。計算參數(shù)如表2所示。

表2 計算參數(shù)

4.2 有限元模型的檢驗

ABAQUS軟件中可以采用用戶子程序自定義土體初始孔隙比的變化規(guī)律。土體的初始孔隙比隨深度變化如圖4所示，與室內(nèi)壓縮試驗結(jié)果規(guī)律相一致。證明了ABAQUS嵌入子程序的合理性。

圖4 初始孔隙比隨深度的變化

在有限元模型中，提取監(jiān)測點處沉降時程曲線如圖5所示。由圖5可知，模擬的建筑物最大沉降為11.79 mm，與實際監(jiān)測結(jié)果相差不大?；娱_挖過程(“kw”代表開挖過程)，建筑物沉降變化較大;添加內(nèi)支撐過程中(“zc”代表支撐)，建筑物沉降有所增加，但增加量較小。證明數(shù)值模擬成果是符合基坑實際變形過程的。

4.3 基坑開挖對支護結(jié)構(gòu)影響分析

圖6給出了地連墻的水平位移隨開挖過程的變化。kw1～kw5對應(yīng)于基坑的5個開挖步，這里規(guī)定墻體向基坑內(nèi)側(cè)移動時水平位移為正。深層水平位移最大值為22.57 mm，小于預(yù)警值，對應(yīng)于地面以下26.3 m處。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著開挖的進行，地連墻的水平位移呈現(xiàn)墻底和墻頂變形較小，墻身變形較大的趨勢。隨著開挖的進行，最大水平位移點逐漸下移，這是由于開挖引起地下連續(xù)墻兩側(cè)的土壓力差增大，坑底沒有支撐約束，因而最大水平位移點下移。

圖5 監(jiān)測點沉降—時程圖

圖6 地連墻深層水平位移隨深度的變化

圖7 給出了地連墻的軸力隨開挖過程的變化曲線。圖7中，kw1～kw5對應(yīng)于基坑的5個開挖步，以拉為正。墻身軸力沿墻身自上而下先增大后減小，這是由于墻頂一定范圍內(nèi)地基土較疏松，導(dǎo)致墻土接觸面法向應(yīng)力較小，側(cè)摩阻力無法發(fā)揮，墻身中性點處與土體相對位移接近于零，軸力最大，中性點以下為負摩阻力，又削弱了樁身軸力。

圖7 地連墻墻身軸力隨時間變化圖

圖8 中給出了基坑開挖過程中地連墻墻身彎矩的分布情況。由于墻身彎矩主要受土體側(cè)向位移的控制，因此隨著開挖過程的進行，土體側(cè)向位移逐漸增大，墻身彎矩逐漸增加。

圖8 地連墻墻身彎矩隨時間變化圖

4.4 基坑開挖對建筑物的影響分析

圖9 中給出了基坑開挖過程中墻后地表位移的變化規(guī)律。由圖9可知，基坑周圍地表總體呈沉降趨勢，最大值為7.75 mm。墻后地表出現(xiàn)較明顯的沉降槽，在距墻體0 m～20 m范圍內(nèi)。開挖影響墻后地表的最大范圍約為2倍的開挖深度。

圖9 墻后地表沉降示意圖

5 結(jié)語

本基坑開始土方開挖至基礎(chǔ)底板澆筑完成，整個基坑支護體系未發(fā)生破壞，保證了基坑的支護結(jié)構(gòu)及坑外周邊環(huán)境的安全。

1)ABAQUS數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)較為吻合，表明ABAQUS軟件可以較好模擬深基坑開挖全過程;多孔彈性模型(Porous Elasticity)和臨界狀態(tài)塑性模型(Clay Plasticity)聯(lián)合使用可以較合理地模擬粘土的受力變形特點。

2)深基坑開挖過程中，地連墻的最大水平位移為22.57 mm，小于預(yù)警值，對應(yīng)于地面以下26.3 m處;基坑周圍地表總體呈沉降趨勢，最大值為7.75 mm。表明地連墻+內(nèi)支撐的支護形式可以很好地控制支護結(jié)構(gòu)以及周邊地表土體的變形，保證施工及既有建筑物的安全。