基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑影響的對(duì)比分析

常志凱 唐毅 黃世斌 王家全

摘要：以廣西某加油站油庫(kù)和附近樓盤基坑開(kāi)挖為例，通過(guò)ABAOUS有限元軟件建立對(duì)應(yīng)三維模型，分別模擬了油庫(kù)基坑和樓盤基坑的開(kāi)挖過(guò)程，同時(shí)考慮基坑一地基一鄰近建筑結(jié)構(gòu)的相互作用，分析基坑開(kāi)挖引起的鄰近建筑物變形，根據(jù)建筑物地基控制標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)油庫(kù)和樓盤基坑開(kāi)挖分析對(duì)鄰近建筑物的影響，分析表明：模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)中建筑物情況一致，并且基坑陽(yáng)角處變形及影響范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陰角;基坑變形對(duì)周圍的影響呈現(xiàn)出以中心向四周擴(kuò)散的特點(diǎn)，其最大水平位移處于臨邊中部;在同一支護(hù)深度下，基坑邊緣最大水平位移與臨邊長(zhǎng)度呈正相關(guān)。

關(guān)鍵詞：基坑開(kāi)挖;鄰近建筑物;不均勻沉降;有限元模擬

中圖分類號(hào)：TU 476.4DOI：10.16375/j.cnki，cn45-1395/t，2020.02.006

0引言

20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)城市化進(jìn)程逐漸加快，導(dǎo)致土地資源日益緊張，推動(dòng)著城市建筑逐漸向高空和地下發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了巖土工程的發(fā)展，在城市化過(guò)程中，許多新建項(xiàng)目周邊存在商場(chǎng)、住宅區(qū)等建筑物，因而在地基開(kāi)挖過(guò)程中需要保證基坑穩(wěn)固，同時(shí)還需要減小基坑變形對(duì)周圍已有建筑和道路的影響，由于基坑工程中設(shè)計(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)多為臨時(shí)性結(jié)構(gòu)，只考慮基坑穩(wěn)定性，較少考慮基坑變形對(duì)周圍建筑的影響，導(dǎo)致實(shí)際工程中經(jīng)常出現(xiàn)由于基坑工程施工導(dǎo)致周邊建筑和道路發(fā)生開(kāi)裂的現(xiàn)象。

許多學(xué)者在基坑開(kāi)挖對(duì)周圍建筑影響方面進(jìn)行了研究，范凡等提出了一種基坑施工引起緊鄰建筑物沉降的簡(jiǎn)化計(jì)算方法;王洪新根據(jù)基坑寬度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度之比，將基坑分為窄基坑、一般寬度基坑和寬基坑，分析表明基坑越深，寬度越小，越要考慮基坑寬度對(duì)穩(wěn)定向的影響;Finno等以地鐵站基坑開(kāi)挖為研究對(duì)象，分析了基坑變形影響區(qū)域和變形對(duì)鄰近建筑物的影響;Laefer和Bryson等通過(guò)模型試驗(yàn)研究了在剛性支護(hù)條件下，基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物的影響;丁永春等通過(guò)建立三維整體計(jì)算模型，動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和鄰近高架樁基的變形形態(tài)，并采取相應(yīng)的變形控制措施，有效保護(hù)了鄰近建筑的安全;Liyanapathirana等通過(guò)有限元模擬，研究了基坑開(kāi)挖引起的地基變形對(duì)鄰近樁體的影響;羊科印利用MIDAS/GTS模擬基坑施工的動(dòng)態(tài)施工過(guò)程，將模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬可以較好地模擬基坑變形情況;徐長(zhǎng)節(jié)等利用Plaxis研究了樁基礎(chǔ)施工與基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑的影響;吳昌將等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)深大基坑開(kāi)挖過(guò)程中的基坑變形性狀和對(duì)鄰近建筑的影響進(jìn)行了研究;張仁偉利用ANSYS和FLAC3D對(duì)深基坑開(kāi)挖過(guò)程中建筑物變形特征進(jìn)行分析，總結(jié)了地下連續(xù)墻埋深和支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對(duì)地面沉降的影響，并提出了減小建筑物差異沉降的方法。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)基坑的研究主要集中于單個(gè)基坑施工對(duì)鄰近建筑物變形量及其特征影響，較少考慮在基坑一地基一鄰近建筑結(jié)構(gòu)共同相互作用下，不同基坑施工對(duì)鄰近建筑物變形的影響，本文以廣西某加油站旁油庫(kù)和鄰近樓盤基坑開(kāi)挖為對(duì)象，構(gòu)建基坑一地基一鄰近建筑物有限元模型，分別探討油庫(kù)和樓盤基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物變形的影響，并與現(xiàn)場(chǎng)建筑物變形情況進(jìn)行對(duì)比，最后，通過(guò)基坑開(kāi)挖過(guò)程中地表和建筑物沉降變形特征和建筑物地基控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)基坑鄰近建筑物安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1工程概況

廣西某加油站營(yíng)業(yè)廳為2層磚混建筑，房屋高8.0m，建筑面積為112.0m²，該房屋周圍環(huán)境較為復(fù)雜，房屋東南側(cè)為加油站油庫(kù)基坑，油庫(kù)頂部周長(zhǎng)約為40.0m，油庫(kù)開(kāi)挖深度約為4.6m，其中油庫(kù)基坑距離房屋最近處為5.0m，房屋西南側(cè)為樓盤基坑，該基坑頂部的周長(zhǎng)約為165.0m（底邊約為132.4m），深度約為8.0m，營(yíng)業(yè)廳建筑距離樓盤基坑最近處約為4.9m，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況，基坑采用鉆孔灌注樁+土層錨桿支護(hù)的支護(hù)方式，圍護(hù)樁直徑φ800mm，平面圖如圖1所示。

2沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)

在基坑施工過(guò)程中，除了要保證基坑自身穩(wěn)定性以外，還要保證基坑變形及施工擾動(dòng)不會(huì)影響周圍建筑物的正常使用要求，

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007-2011）條文說(shuō)明，工業(yè)與民用建筑地基土為中、低壓縮性土?xí)r，相鄰柱基的沉降差不能大于0.002x相鄰柱基的中心距離（mm），因此，建議基坑開(kāi)挖時(shí)加油站建筑物基礎(chǔ)不均勻沉降控制在7mm以內(nèi)。

基坑開(kāi)挖深度為8m，根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）及《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50202-2018），本樓盤基坑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，重要性系數(shù)為1.0.圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體最大位移監(jiān)控值為8mm，地面最大沉降監(jiān)控值為6mm。

3數(shù)值模擬計(jì)算

3.1模型參數(shù)

為了能夠真實(shí)模擬基坑開(kāi)挖對(duì)加油站建筑物的影響，根據(jù)相對(duì)位置關(guān)系及平面尺寸建立三維有限元模型，實(shí)際工程中樓盤基坑開(kāi)挖深度為8.0m，油庫(kù)開(kāi)挖深度為4.6m，考慮基坑開(kāi)挖影響范圍為開(kāi)挖深度的2-5倍，模型中地基尺寸為長(zhǎng)×寬×高=118mx80mx40m，鄰近房屋為長(zhǎng)×寬×高=28mx4mx8m，按照實(shí)際工況分別進(jìn)行油庫(kù)和樓盤基坑開(kāi)挖模擬，有限元數(shù)值模擬按照如下原則建立：

1）基坑內(nèi)外土體均采用C3D8R實(shí)體單元，其本構(gòu)模型采用摩爾一庫(kù)倫模型;

2）基坑支護(hù)排樁的模擬利用剛度等效原理等效為地下連續(xù)墻，并采用殼單元;

3）建筑物結(jié)構(gòu)采用線單元，對(duì)其賦予相應(yīng)的截面尺寸和相關(guān)材料屬性，建筑物與土體采用嵌入的方式與土體連接。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，基坑場(chǎng)地內(nèi)上部土層主要以雜填土為主，對(duì)模型賦予上述相應(yīng)參數(shù)，土體參數(shù)如表1所示，建筑物結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，所建立的有限元模型見(jiàn)圖2.建筑物沉降測(cè)量點(diǎn)布置圖如圖3所示，油庫(kù)及樓盤基坑開(kāi)挖平面圖及尺寸如圖4所示。

3.2油庫(kù)基坑開(kāi)挖分析

結(jié)合油庫(kù)基坑開(kāi)挖的實(shí)際情況，在模擬中將基坑開(kāi)挖過(guò)程劃分為5個(gè)步驟進(jìn)行，具體步驟如表3所示，基坑開(kāi)挖不僅會(huì)使基坑本身產(chǎn)生變形，也會(huì)引起周圍土體變形以及鄰近建筑物沉降，由圖5（a）和（b）油庫(kù)基坑開(kāi)挖后的水平位移云圖可知，建筑物位于油庫(kù)基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)，這與白海峰等學(xué)者研究得到的基坑開(kāi)挖地表沉降主要影響范圍一致;并且基坑x、y向最大水平位移接近，其最大水平位移為2.24mm，同時(shí)呈現(xiàn)出基坑臨邊中部水平位移最大，向兩角逐漸減小的特點(diǎn)，從基坑變形影響范圍的角度進(jìn)一步分析可知，油庫(kù)基坑位于建筑物偏右位置，在油庫(kù)基坑一地基一臨近建筑物的共同作用下，油庫(kù)基坑上側(cè)的水平位移影響范圍遠(yuǎn)大于下側(cè)：由圖5（c）和（d）可知，基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的土壓力差，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向基坑內(nèi)側(cè)的變形;由表4可知，油庫(kù)開(kāi)挖后建筑物最大沉降為1.05mm，表明建筑物距離基坑越近，建筑物地基沉降豎向沉降越大，建筑物與基坑間的荷載效應(yīng)越顯著。

根據(jù)測(cè)量點(diǎn)處建筑物沉降可知，油庫(kù)開(kāi)挖后建筑物最大沉降為1.05mm，建筑物最大沉降差為0.97mm，由地基變形控制標(biāo)準(zhǔn)可知，油庫(kù)開(kāi)挖使建筑物產(chǎn)生的不均勻沉降并未影響建筑物的正常使用。

3.3樓盤基坑開(kāi)挖分析

進(jìn)行樓盤基坑開(kāi)挖，在模擬中劃分為7個(gè)步驟進(jìn)行，具體步驟見(jiàn)表5。

由圖6和圖7可知，樓盤基坑變形對(duì)周圍地基的影響呈現(xiàn)出以基坑為圓心，向外均勻擴(kuò)散的特點(diǎn)，基坑陽(yáng)角處臨邊變形影響范圍遠(yuǎn)大于陰角，此時(shí)基坑變形對(duì)周邊建筑的影響程度增加，反映出基坑陽(yáng)角為變形的敏感區(qū)域，并且由樓盤基坑開(kāi)挖總位移云圖可知，建筑物一側(cè)地基變形影響范圍遠(yuǎn)大于其余各支護(hù)面，這與上文中油庫(kù)開(kāi)挖后地基變形影響范圍研究結(jié)果一致，在設(shè)計(jì)中，基坑要盡量減少出現(xiàn)陽(yáng)角，并且在支護(hù)時(shí)要加強(qiáng)陽(yáng)角部位的支護(hù)強(qiáng)度以及增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量;由圖8可知，在同一支護(hù)深度下，基坑臨邊最大水平位移隨基坑寬度的增加而增大，并且樓盤開(kāi)挖導(dǎo)致的基坑臨邊最大水平位移達(dá)到了171.50mm;在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形方面，圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入土體部分并未產(chǎn)生水平位移，最大水平位移出現(xiàn)在坑底以上支護(hù)結(jié)構(gòu)的中部，這與吳昌將等學(xué)者研究結(jié)果一致，說(shuō)明基坑臨邊變形時(shí)會(huì)發(fā)生土體沉降并產(chǎn)生向基坑內(nèi)側(cè)的擠壓作用，這容易導(dǎo)致基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中部的水平位移過(guò)大而發(fā)生破壞，因此需要將圍護(hù)結(jié)構(gòu)中部增加錨索或內(nèi)支撐提高坑底以上圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)強(qiáng)度;由表6可知，樓盤基坑的開(kāi)挖對(duì)建筑物沉降影響十分顯著，節(jié)點(diǎn)1處沉降差為18.88mm，隨著建筑物距離基坑開(kāi)挖邊緣距離的增加，基坑一地基一鄰近建筑物間的相互作用隨之減小，地表沉降也迅速減小，其中測(cè)量點(diǎn)1沉降量為18.95mm，測(cè)量點(diǎn)9沉降量為3.31mm，這表明基坑一地基一鄰近建筑物間的相互作用越強(qiáng)，房屋基礎(chǔ)差異沉降程度越明顯，根據(jù)前述上文沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)可知，樓盤基坑開(kāi)挖導(dǎo)致鄰近建筑物下部地基產(chǎn)生的不均勻沉降量己超過(guò)最大變形控制標(biāo)準(zhǔn)，這與實(shí)際勘測(cè)中油庫(kù)基坑開(kāi)挖后鄰近房屋墻體未開(kāi)裂，樓盤基坑開(kāi)挖后房屋開(kāi)裂的情況相一致，詳見(jiàn)圖9。

綜合油庫(kù)和基坑施工過(guò)程中的基坑變形和建筑物地基不均勻沉降特征可知，鄰近建筑物的不均勻沉降與基坑變形程度密切相關(guān)，基坑開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和鄰近地基變形，同時(shí)鄰近建筑物會(huì)進(jìn)一步加劇鄰近地基的變形，最終導(dǎo)致房屋基礎(chǔ)差異沉降過(guò)大產(chǎn)生坍塌，因此，在進(jìn)行基坑施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)基坑臨邊以及周圍建筑的監(jiān)測(cè)，若監(jiān)測(cè)值接近變形控制標(biāo)準(zhǔn)，立即對(duì)建筑物進(jìn)行跟蹤注漿加固處理。

4結(jié)論

通過(guò)ABAQus有限元分別模擬分析了廣西某加油站油庫(kù)和樓盤基坑開(kāi)挖對(duì)加油站建筑物的影響，分析表明：本文建立的有限元模型與實(shí)際工程較為符合，能夠?qū)娱_(kāi)挖進(jìn)行合理分析，并得出以下結(jié)論：

1）鄰近建筑物地基的沉降與基坑臨邊變形量密切相關(guān)，建筑物距離基坑越近，建筑物基礎(chǔ)差異沉降越大，并且基坑一地基一鄰近建筑物之間的相互作用越強(qiáng)，基礎(chǔ)差異沉降程度和影響范圍越大;

2）基坑陽(yáng)角處的水平位移量以及影響范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陰角，因此，在設(shè)計(jì)基坑開(kāi)挖形狀時(shí)要盡量避免陽(yáng)角出現(xiàn)，并在施工時(shí)加強(qiáng)陽(yáng)角部位的支護(hù)和監(jiān)測(cè)強(qiáng)度;

3）基坑變形對(duì)周圍的影響呈現(xiàn)出以基坑為圓心，向外均勻擴(kuò)散的特點(diǎn)，并且基坑臨邊的最大水平位移出現(xiàn)在臨邊中部;

4）當(dāng)支護(hù)處于同一支護(hù)深度時(shí)，基坑邊緣最大水平位移與臨邊長(zhǎng)度呈正相關(guān)，