基坑開挖和堆載對(duì)鄰近建筑物基礎(chǔ)的影響模擬

陳 家 康

(安徽鐵建工程有限公司，安徽 蚌埠 233000)

0 引言

伴隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)城市化的進(jìn)程日益加快，而施工技術(shù)的日趨成熟也使得城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)。有限的城市用地使得土地的稀缺性顯得尤為突出，這使得許多已建成建筑物不可避免會(huì)受到其他工程活動(dòng)的影響，例如基坑工程[1,2]，隧道工程[3]，地鐵盾構(gòu)施工[4-6]和地下水抽取[7]等一系列的工程活動(dòng)。其中，基坑工程中坑外的土體會(huì)由基坑開挖、鄰近堆載等工程建設(shè)活動(dòng)引起應(yīng)力重分布，地基土體不僅會(huì)由于二次固結(jié)導(dǎo)致不均勻沉降，而且附近結(jié)構(gòu)也會(huì)因此受到水平荷載的作用[8]。在軟土地區(qū)，堆載則會(huì)對(duì)既有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響[9-11]?；娱_挖和鄰近的堆載會(huì)造成結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)產(chǎn)生負(fù)摩阻力、附加彎矩和水平位移，如地基位移過大，將導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)開裂，嚴(yán)重的甚至造成上部結(jié)構(gòu)傾覆[12,13]。因此，研究基坑開挖與鄰近堆載對(duì)建筑物的影響具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。

1 數(shù)值計(jì)算簡(jiǎn)介

1.1 工程背景

本文擬對(duì)上海市梅隴鎮(zhèn)26號(hào)地塊商品住宅項(xiàng)目蓮花河畔景苑7號(hào)樓的整體傾倒建立數(shù)值模型，考察結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形等特性，考察樓房整體傾倒原因。

據(jù)資料調(diào)查可知：上海市梅隴鎮(zhèn)26號(hào)地塊商品住宅項(xiàng)目共由12棟樓及地下車庫(kù)等16個(gè)單位工程組成。蓮花河畔景苑7號(hào)樓位于在建車庫(kù)北側(cè)，臨淀浦河。該樓于2008年年底結(jié)構(gòu)封頂，同時(shí)期開始進(jìn)行12號(hào)樓的地下室開挖。根據(jù)甲方的要求，土方單位將挖出的土堆在5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)樓與防汛墻之間，距防汛墻約10 m，距離7號(hào)樓約20 m，堆土高約3 m～4 m。

2009年6月1日，5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)樓前的0號(hào)車庫(kù)土方開挖，表層1.5 m深度范圍內(nèi)的土方外運(yùn)。6月20日開挖1.5 m以下土方，根據(jù)甲方要求，繼續(xù)堆在5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)樓和防汛墻之間，主要堆在第一次土方和6號(hào)、7號(hào)樓之間20 m的空地上，堆土高約8 m～9 m。此時(shí)，尚有部分土方在此無法堆放，即堆在11號(hào)樓和防汛墻之間。6月25日11號(hào)樓后防汛墻發(fā)生險(xiǎn)情，水務(wù)部門對(duì)防汛墻位置進(jìn)行搶險(xiǎn)，也卸掉部分防汛墻位置的堆土。6月27日，清晨5時(shí)35分左右大樓開始整體由北向南傾倒，在30 s內(nèi)，就整體倒下，倒塌后，其整體結(jié)構(gòu)基本沒有遭到破壞，甚至其中玻璃都完好無損，大樓底部的樁基則基本完全斷裂。由于倒塌的高樓尚未竣工交付使用，所以，事故并沒有釀成特大居民傷亡事故。

1.2 工程地質(zhì)概況

土層分布詳細(xì)參數(shù)見表1?；A(chǔ)類型：樁—十字條形基礎(chǔ)，埋深1.9 m，承臺(tái)底面標(biāo)高-2.6 m；樁：PHC(預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土)管樁，共118根，樁長(zhǎng)33 m；堆土：北面堆土面積有足球場(chǎng)那么大，最高處達(dá)10 m，由北向南造成的側(cè)向力約有3 000 t。

表1 地質(zhì)資料及土層參數(shù)

1.3 計(jì)算模型及基本假定

本文采用ABAQUS CAE 2017軟件進(jìn)行二維有限元分析，針對(duì)商品住宅項(xiàng)目蓮花河畔景苑7號(hào)樓工程，主要考慮基坑開挖和堆載對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形影響?；炯俣ㄈ缦拢?/p>

1)模型中土體采用各向均質(zhì)同性彈塑性體，采用摩爾—庫(kù)侖本構(gòu)模型；

2)擋土墻和建筑物基礎(chǔ)的樁均采用線彈性模型模擬；

由圖6可知，納米粒子熱失重可以分為2個(gè)階段，第1階段是從室溫升到100℃時(shí)，納米粒子的失重率為2.19%到1.26%之間，這主要是因?yàn)槲饺軇┑膿]發(fā)所致；第2階段從100℃升到800℃，該階段樣品的質(zhì)量流失則主要?dú)w因于有機(jī)基團(tuán)的分解。比較3與納米二氧化硅的熱失重，可以計(jì)算出納米粒子3中的氨基含量為 0.61 mmol/g。納米粒子4、5是以納米粒子3 為原料合成的，因此比較它們與納米粒子3的熱失重，可以計(jì)算出各自官能團(tuán)的接枝率(表2)。從接枝率的數(shù)據(jù)可以看出，在納米粒子3合成4和5的反應(yīng)中，并非所有的氨基完成了轉(zhuǎn)化，其中納米粒子4中的氨基轉(zhuǎn)化率較低，5的轉(zhuǎn)化率較高。

3)不考慮土體流變的影響。

ABAQUS的分析框架是按分析步(STEP)進(jìn)行的，一般分析步可以模擬巖土工程分析的施工和運(yùn)行順序。在某一個(gè)一般分析步中，不同的載荷可以按不同的順序施加到結(jié)構(gòu)的不同部分，甚至載荷的大小可以隨時(shí)間變化。ABAQUS的計(jì)算框架本身就提供了過程分析的能力，可以方便地模擬各種施工過程。

盡管由于土是長(zhǎng)期自然沉積形成的，在實(shí)際的工程中，天然地基沿深度方向的分布并非是均質(zhì)的，而是沿深度方向?qū)訝罘植迹紤]到多層土在前期建模及后期數(shù)值計(jì)算中的復(fù)雜性，本文計(jì)算模型將地基土體簡(jiǎn)化為一層土，地基土體的本構(gòu)模型選取摩爾—庫(kù)侖(Mohr-Coulomb)強(qiáng)度理論，該模型對(duì)于大多數(shù)巖土工程問題具有較好的適用性，在工程界應(yīng)用廣泛。

本文計(jì)算模型以商品住宅項(xiàng)目蓮花河畔景苑7號(hào)樓工程為背景，建立的模型分為三個(gè)部分，分別為土體、擋土墻和建筑物的基礎(chǔ)，裝配后的模型如圖1，圖2所示，基坑開挖的深度為10 m，擋土墻深度為20 m，建筑物的樁基礎(chǔ)同樣假設(shè)埋深為20 m。

模型底部限制其水平方向位移和豎直方向位移，水平方向的邊界都采用固定水平方向位移，上表面為地表面，設(shè)為自由邊界。在計(jì)算中，為滿足研究需求，本文參考實(shí)際工程定義模型參數(shù)，采取最簡(jiǎn)化的模型，土體彈性模量為22 MPa，泊松比為0.2，土體重度為20 kN/m3，黏聚力8 kPa，內(nèi)摩擦角為30°，剪脹角為0；擋土墻和建筑物地基均采用混凝土結(jié)構(gòu)模擬，彈性模量為28 GPa，泊松比為0.15；擋土墻和樁基礎(chǔ)與土之間的摩擦角為30°，摩擦系數(shù)為0.577，在模型中，擋土墻和樁與土地接觸均為：切向方向的摩擦公式選取“罰”，法向選擇硬接觸。

1.4 數(shù)值模擬過程

在數(shù)值模擬研究過程中，基坑開挖和鄰近堆載造成的建筑物地基及樁產(chǎn)生的應(yīng)力及變形不容忽視。本文二維模型中設(shè)定基坑為一次開挖，堆載為基坑開挖后施加壓強(qiáng)模擬堆載。數(shù)值分析過程如下：

1)建立初始應(yīng)力狀態(tài)下的二維數(shù)值模型，并讓擋土墻和建筑物基礎(chǔ)均和土體一起在初始地應(yīng)力下地應(yīng)力平衡；

2)在建筑物基礎(chǔ)上施加150 kPa的壓強(qiáng)模擬建筑物的荷載；

3)將基坑開挖到指定位置(本模型中基坑開挖深度為10 m)；

4)在模型指定位置施加70 kPa的壓強(qiáng)代替模擬逐步增加的堆載，本模型中堆載中心距建筑中心距離為18.5 m。

在上述分析過程中，涉及到模擬基坑開挖方法的關(guān)鍵步驟為：

1)在模型建立時(shí)，土體模型部分建立兩個(gè)集合，一個(gè)集合為基坑開挖前的全部土體，另外一個(gè)集合為之后要開挖的土體；

2)在分析步中建立一個(gè)開挖土體的分析步，本文的模型定義為“Remove”，便于后面方便選取開挖的土體；

3)在相互作用中，在“Remove”分析步中定義一個(gè)型號(hào)改變的相互作用，使基坑開挖的土體在“Remove”這個(gè)分析步中無效，用以模擬基坑開挖工程。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

本文主要模擬了三種不同的施工工況對(duì)樁和土體變形的影響：

1)工況1：模擬開挖基坑對(duì)樁和土體變形的影響，在這種情況中，不施加建筑物的荷載與外部土體的堆載，這種情況下的水平方向變形云圖如圖3所示。

2)工況2：模擬建筑荷載和開挖基坑對(duì)樁和土體變形的影響，在這種情況中，地應(yīng)力平衡后，在建筑物基礎(chǔ)表面施加壓強(qiáng)，然后再開挖基坑，這種情況不施加堆載，水平方向最終變形云圖如圖4所示。

3)工況3：模擬建筑物荷載、基坑開挖和堆載對(duì)樁和土變形的影響，在這種情況中，地應(yīng)力平衡后施加建筑物荷載，接著開挖基坑，最后施加堆載，水平方向最終變形云圖如圖5所示。

比較三種不同工況下的最終變形云圖可以看出，基坑底部基本沒有產(chǎn)生水平位移，基坑底部靠近擋土墻的土體向左發(fā)生位移，此外，擋土墻、建筑基礎(chǔ)和兩者間的土體同樣向左產(chǎn)生了位移。對(duì)本文分析的三種不同工況，模型中最大的位移均為擋土墻表面，而土體最大位移位置為靠近擋土墻處的土體，另外，當(dāng)基坑外側(cè)鄰近土體受到荷載作用越大時(shí)，擋土墻向左產(chǎn)生的位移越小。

3 數(shù)值模擬分析

三種不同工況下，基坑開挖后不同深度處的擋土墻的水平位移值如圖6所示。從圖6中可以看出，基坑開挖后，由于開挖卸載的作用，會(huì)引起擋土墻向左發(fā)生位移，且開挖深度越深，擋土墻向坑內(nèi)發(fā)生的位移越大。比較工況1與工況2可以看出，在開挖基坑之前，基坑外部有豎向荷載作用時(shí)，可以有效減少基坑開挖后擋土墻向坑內(nèi)產(chǎn)生的變形；通過工況2和工況3還可以看出，當(dāng)基坑開挖之后，遠(yuǎn)處有外部荷載作用可減少基坑開挖后擋土墻向基坑內(nèi)發(fā)生的變形。

基坑開挖與鄰近堆載對(duì)既有建筑物基礎(chǔ)的影響如圖7，圖8所示。比較工況1和工況2可以看出，基坑開挖將會(huì)導(dǎo)致建筑物樁基礎(chǔ)產(chǎn)生橫向變形，建筑物自身的荷載作用將使樁身頂部水平位移增大；比較工況2和工況3可以看出，施加堆載將使樁身底部水平位移增大，同時(shí)會(huì)減小樁身頂部的水平位移，從而會(huì)使樁身中部彎矩增大，鄰近樁樁身中部彎矩增大尤為明顯，使得樁身中部斷裂風(fēng)險(xiǎn)增大，這可能就是蓮花河畔景苑7號(hào)樓底部樁基完全斷裂的主要原因。

4 結(jié)論與建議

基坑開挖和堆載會(huì)改變已有建筑原有的平衡狀態(tài)，引起建筑的基礎(chǔ)產(chǎn)生很大的變形，誘發(fā)一系列的安全隱患。本文利用ABAQUS CAE 2017有限元分析軟件，采用數(shù)值模擬分析了基坑開挖和鄰近堆載對(duì)既有建筑物的影響，分析了不同工況對(duì)擋土墻和建筑物樁基礎(chǔ)的影響，主要得到的結(jié)論如下：

1)本文建立了基坑工程對(duì)既有建筑物的影響模型，能夠考慮基礎(chǔ)上部不同荷載，基礎(chǔ)鄰近堆載對(duì)擋土墻和建筑物樁身的影響，且可以通過改變荷載分析不同外荷載下基坑開挖對(duì)既有建筑的影響。

2)通過分析表明，當(dāng)基坑開挖時(shí)，不論是開挖前和開挖后，在基坑外側(cè)一定距離施加一定強(qiáng)度的荷載能夠減少基坑開挖后擋土墻的水平變形。

3)基坑開挖將會(huì)導(dǎo)致建筑物樁基礎(chǔ)產(chǎn)生橫向變形，建筑物自身的荷載作用將使樁身頂部水平位移增大；施加堆載將使樁身中部彎矩增大，鄰近樁樁身中部彎矩增大尤為明顯，使得樁身中部斷裂風(fēng)險(xiǎn)增大。