鄰近建筑物荷載對深基坑坑角效應(yīng)分析

肖羅發(fā) 邱紅勝 朱萬鑫 黃偉洪

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430061) (珠海航空城工程建設(shè)有限公司2) 珠海 519040)

0 引 言

在修建有著復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建筑物時，有時必須在常規(guī)深基坑中開挖小型基坑，即坑中坑型深基坑.在深基坑工程中，基坑坑角側(cè)墻提供了額外的約束,相較于非坑角的側(cè)墻擁有更高的系統(tǒng)剛度,坑角附近的變形和受力受到應(yīng)力集中的影響，其變形偏小，稱為坑角效應(yīng).Zhandos等[1]通過對實際工程的監(jiān)控分析，研究得出基坑開挖引起的地表沉降模式可分為“三角形”及“凹槽形”兩種,地基沉降的適用范圍分別為有懸臂式支護結(jié)構(gòu)的基坑和有內(nèi)支撐支護的基坑.Moorak[2]進一步拓展，提出了地表沉降主影響區(qū)及次影響區(qū)的概念，得到了“三角形”及“凹槽形”地面沉降模式的深度和位移的折現(xiàn)圖.

對于建筑物與基坑相互影響的研究已成為近年來的研究熱點.張艷書等[3]通過對實際工程的監(jiān)控觀察，研究了基坑開挖對附近建筑物的影響，提出了三種推導(dǎo)建筑物損害的方法，認為考慮土體水平位移的預(yù)測方法更為準(zhǔn)確.錢天平[4]對某在建基坑進行監(jiān)控，利用有限元進行了建模分析.Finno等[5]研究了不同結(jié)構(gòu)類型的建筑物對基坑的影響，結(jié)合有限元分析方法，提出了對建筑物損害的預(yù)測因結(jié)合結(jié)構(gòu)開裂前后的表現(xiàn)形式.Blackburn等[6-7]研究了不同軟土層厚度、埋置深度以及基坑的開挖深度對基坑的影響，系統(tǒng)地分析了狹長型基坑中這些因素對基坑周圍地表沉降的影響規(guī)律.

以上研究都是側(cè)重于普通深基坑，也沒有將鄰近建筑物對基坑產(chǎn)生的坑角效應(yīng)對圍護結(jié)構(gòu)的影響進行具體的分析.文中結(jié)合實際工程，通過有限元分析軟件MIDAS GTSNX對其進行模擬，分析在鄰近建筑物荷載作用的條件下，基坑陰角及陽角附近的坑角效應(yīng)，得到了陰角及陽角坑角效應(yīng)的影響范圍及規(guī)律.

1 工程概況和模型建立

1.1 工程環(huán)境概況

某在建大型辦公樓及其附屬設(shè)施由一座35層搞得塔樓和8層的裙樓組成，基坑為坑中坑異性深基坑.工程周圍的主要環(huán)境見圖1，基坑北部和東部為城市主干道，交通量較大；南側(cè)為某公司的6層辦公樓和其附屬廠庫；西側(cè)為一小區(qū)，多為老式的磚混構(gòu)造，基礎(chǔ)埋深2 m.

圖1 基坑周圍環(huán)境圖

1.2 基坑的圍護體系

綜合考慮到基坑的環(huán)境和周圍建筑物的安全后，決定采用φ1 000@1 300、φ1 200@1 500兩種類型鉆孔灌注樁，混凝土等級為C35，共331根.由于工程復(fù)雜，采用了31 m和38 m兩種深度的支護樁.為簡化建模的操作和方便計算分析，文中將支護樁等代替換為地下連續(xù)墻，相關(guān)計算公式為

EIP=E(πD4/64S)

式中：E為混凝土彈性模量；Ip為每延米地下連續(xù)墻抗彎剛度，IP=h3/12，h為等效地連墻厚度,m；D為支護樁直徑,m；S為相鄰支護樁樁芯距,m.

對φ1 000@1 300和φ1 200@1 500的支護樁進行等剛度替換得到地下連續(xù)墻厚度分別為h1=0.768 m和h2=0.934 m.

基坑內(nèi)部的支護結(jié)構(gòu)采用了內(nèi)支撐加支護樁的形式，設(shè)置3道內(nèi)支撐，通過角撐加對撐的形式構(gòu)成了穩(wěn)定的內(nèi)支撐體系.第一道內(nèi)支撐中心標(biāo)高為-1.0 m，所用鋼筋的截面大小為0.9 m×0.9 m；第二道內(nèi)支撐中心標(biāo)高為-11.00 m，鋼筋截面為1.4 m×1.2 m.在這兩道支撐之外為加強坑中坑附近的支護體系強度，在坑中坑處設(shè)置了第三道內(nèi)支撐，中心標(biāo)高為-16.0 m，鋼筋截面為1.2 m×1.2 m.為使支護體系更加完整和牢固，還設(shè)置了一道冠梁和兩道腰梁.冠梁鋼筋截面為1.4 m×0.8 m、腰梁鋼筋截面為1.6 m×1.2 m、1.5 m×1.2 m，與內(nèi)支撐均采用C40混凝土澆筑.坑中坑位置及內(nèi)支撐布置見圖2.

圖2 內(nèi)支撐及坑中坑位置示意圖(單位：m)

1.3 模型建立

根據(jù)文獻[4]的研究結(jié)果，基坑建模的最佳尺寸為：縱向為開挖深度的2～4倍，水平方向為開挖深度的3～5倍.本工程中，外坑開挖深度為19 m，坑中坑開挖深度為26 m.綜合考慮后，決定后基坑模型大小為342 m×283 m×80 m.建成后的基坑模型見圖3.

圖3 基坑總體模型圖

土體的本構(gòu)模型采用修正Mohr-Coulomb本構(gòu)模型.為簡化計算和分析的時間，平衡計算效率和計算精度的關(guān)系，假設(shè)土體在所屬土層中完全均勻完整的分布，經(jīng)過考慮取舍后，只保留雜填土、粉質(zhì)黏土、中分化粉砂質(zhì)泥巖、微分化粉砂質(zhì)泥巖.根據(jù)地參報告各土層物理參數(shù)見表1.

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

確定各支護結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)，為方便建模將鉆孔灌注樁運用等剛度替換的方法轉(zhuǎn)換為地下連續(xù)墻，各組成部分參數(shù)見表2.

表2 各支護結(jié)構(gòu)材料及參數(shù)表

支護結(jié)構(gòu)的單元模型建立見圖4.

圖4 圍護結(jié)構(gòu)單元布置圖

根據(jù)工程實際的開挖順序，將開挖過程分為九個工況.

1) 地應(yīng)力平衡，位移清零 建立四層水平土體，并對土體施加重力荷載，提供土體的初始應(yīng)力場并消除土體自重沉降位移.

2) 建筑物的修建，位移清零 建立鄰近建筑物的基礎(chǔ)，并依據(jù)相關(guān)規(guī)范，以每層15 kPa將建筑物荷載等代施加在基礎(chǔ)上，從而將建筑物的影響引入模型；模型計算得到加入建筑物施作后的應(yīng)力場，并且消除建筑物修筑引起的位移.

3) 地連墻及立柱樁施作，位移清零 激活地下連續(xù)墻及立柱樁，模擬地下連續(xù)墻及立柱樁的施工，同時利用位移清零，消去施工引發(fā)的土體位移.

4) 第一次開挖 開挖至-2 m，并施作冠梁及第一道內(nèi)支撐.

5) 第二次開挖 挖至-8 m.

6) 第三次開挖 開挖至-14 m，施作第一道腰梁及第二道內(nèi)支撐.

7) 第四次開挖 開挖至外坑基底(-19 m)，施作第二道腰梁及第三道內(nèi)支撐.

8) 坑中坑地連墻施加作用力.

9) 第五次開挖 開挖至坑中坑基底(-26 m).

1.4 模型驗證

為驗證所建模型的合理性和計算結(jié)果的精度，本文選取了鉆孔灌注樁中的7號樁進行了監(jiān)控.僅選取工況⑤和工況⑥進行對比選取各階段圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移值及最大水平位移深度，見表3.

表3 圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移表

由表3可知：在最大位移處僅有8%的誤差，可以認為建立的模型比較好的模擬了實際情況.

2 模擬結(jié)果分析

為了研究在附近有建筑物的條件下坑角效應(yīng)對基坑支護結(jié)構(gòu)的影響，本文將指定一個基礎(chǔ)大小為20 m×10 m的建筑物，規(guī)定建筑物與基坑邊緣大的水平距離為10 m，分別作用于基坑陽角與陰角附近，得出其對基坑圍護結(jié)構(gòu)的影響范圍差異.建筑物與基坑位置見圖5.

圖5 建筑物相對基坑位置

2.1 陰角附近的坑角效應(yīng)分析

由于坑角效應(yīng)的影響，當(dāng)建筑物與坑角水平距離D不同的情況下，鄰近建筑物對圍護結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生不同的影響.選取建筑物平面大小為20 m×10 m，建筑物與基坑邊長水平距離B為10 m，分別將建筑物作用在陰角及陽角附近，得出鄰近建筑物作用受坑角效應(yīng)的影響規(guī)律及其對圍護結(jié)構(gòu)影響范圍的差異.

由于文中所用的實際工程中包含一個坑中坑，其會對下面將要進行的對圍護結(jié)構(gòu)的受力分析產(chǎn)生不必要的影響，因此下面選取常規(guī)深基坑開挖至-19 m作為分析的工況.當(dāng)建筑物荷載p分別作用于距陰角D為0，10，20，35，50 m處時，東側(cè)圍護結(jié)構(gòu)水平方向位移云圖見圖6.

圖6 各開挖階段圍護結(jié)構(gòu)水平變形云圖

由圖7可知，當(dāng)距離D逐漸增大時，東側(cè)圍護結(jié)構(gòu)的最大水平位移也同時增大，最大位移發(fā)生的位置也同時隨之變化.無建筑物作用時最大位移發(fā)生在距陰角46 m處，D=10 m時，最大位移發(fā)生在距陰角41.5 m處；而當(dāng)D增大到50 m時，最大水平位移發(fā)生位置又重新回到了距陰角46 m附近.

提取不同工況下，建筑物位置對應(yīng)圍護結(jié)構(gòu)的水平位移見圖7.各建筑物與陰角水平距離D下圍護結(jié)構(gòu)水平變形見圖8.

圖7 不同工況下下圍護結(jié)構(gòu)水平變形圖

圖8 各建筑物與陰角水平距離D下圍護結(jié)構(gòu)水平變形圖

由圖7可知，在鄰近建筑物荷載的作用下，圍護結(jié)構(gòu)的水平位移隨深度的變化規(guī)律并為改變，均是沿深度先增加后回落的表現(xiàn)形式，同時可以看出相較于無鄰近建筑物的0號對照組，最大水平位移均明顯增長，當(dāng)D=10 m時，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移δmax為6.207 mm，較無建筑物模型該處位移的5.304 mm增長了17.02%；當(dāng)D=50 m時，則增長了22.26%.故，鄰近建筑物的作用受坑角效應(yīng)影響顯著.

為分析在坑角效應(yīng)影響下，鄰近建筑物對圍護結(jié)構(gòu)影響的范圍，從模型中提取D=0，10，20，35，50 m的情況下，基坑開挖至-19 m時，-16 m深處靠近建筑物一側(cè)的圍護結(jié)構(gòu)的水平變形見圖9.

圖9 -16 m深處圍護結(jié)構(gòu)處水平位移圖

由圖9可知，在距坑角小于10 m的范圍內(nèi)和超過80 m的范圍外時，6段曲線幾乎重合，可知在建筑物從D=10 m變化到D=50 m的過程中，對超過坑角80 m的范圍外的圍護結(jié)構(gòu)水平位移δ幾乎沒有影響.其原因可能為：內(nèi)支撐在基坑坑中坑上方加入了第三道內(nèi)支撐進行加固，圖2恰好在80 m的范圍外，且該處圍護結(jié)構(gòu)厚度為0.934 m，剛度較大；所以當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)距陰角d大于80 m以上時，鄰近建筑物對該處圍護結(jié)構(gòu)幾乎無影響；而當(dāng)d在0-10 m的范圍內(nèi)時無影響，其原因可能為：坑角處有坑角效應(yīng)且變化陡峭因此在極小的范圍內(nèi)無影響.

2.2 陽角附近的坑角效應(yīng)分析

取基坑開挖至-19 m時，鄰近建筑物作用在與陽角水平距離D分別為15，25，35，40，45 m條件下，陽角附近東側(cè)圍護結(jié)構(gòu)水平方向位移云圖見圖10.

圖10 各建筑物與陽角水平距離D下圍護結(jié)構(gòu)水平變形云圖

由圖10可知，當(dāng)有鄰近建筑物影響時，陽角附近的圍護結(jié)構(gòu)的水平變形云圖呈現(xiàn)由內(nèi)向外環(huán)形擴散狀，中部部分水平位移δmax大，向四周擴散時逐漸減小，但其增大趨勢逐漸減小.建筑物距陽角D=15 m時，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移δmax為8.873 mm；D=35 m時，最大水平位移為10.008 mm；D繼續(xù)從35m增大至45 m時，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移保持在10.010 mm附近.當(dāng)D從15 m增大至45 m時，建筑物所處位置對應(yīng)的圍護結(jié)構(gòu)與無建筑物同處圍護結(jié)構(gòu)水平位移對比圖見圖11.

圖11 不同工況下圍護結(jié)構(gòu)水平變形圖

由圖11可知，相比于對照組無鄰近建筑物，有鄰近建筑物的部分水平位移隨深度的變化規(guī)律沒有改變，均為隨著深度增加，先增大在逐漸回落的過程.但最大水平位移的增加明顯.當(dāng)D=15 m時，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移δmax相較無建筑物時增大了11.3%；當(dāng)D=40 m時，則加大到18.6%.分析原因為：當(dāng)D=15 m時，即所取圍護結(jié)構(gòu)距陽角15 m，該處受到陽角坑角效應(yīng)的影響，綜合第三道內(nèi)支撐布設(shè)位置影響，圍護結(jié)構(gòu)水平位移發(fā)展相對較?。欢?dāng)D=40 m時，所取圍護結(jié)構(gòu)距陽角40 m，幾乎不受陽角處坑角效應(yīng)的影響，且受第三道內(nèi)支撐的影響較小，故而圍護結(jié)構(gòu)水平位移增速較D=15 m時增速大.

為分析各建筑物與陽角水平距離D變化下，鄰近建筑物對圍護結(jié)構(gòu)水平位移的影響范圍，提取各模型中，-14 m處圍護結(jié)構(gòu)的水平位移見圖12.

圖12 -14 m處圍護結(jié)構(gòu)水平位移圖

由圖12可知，建筑物與陽角水平距離D不同時，其對各處圍護結(jié)構(gòu)的影響也不一.陽角處圍護結(jié)構(gòu)變形相較陰角處圍護結(jié)構(gòu)更易受到外荷載影響.分析其原因可能為相對于陰角一側(cè)在陽角一側(cè)并沒有內(nèi)支撐的強化和鋼筋的強化，所以全段都會受到鄰近建筑物的影響.

3 結(jié) 論

1) 當(dāng)鄰近建筑物與坑角水平距離D從0～50 m的過程中，靠近建筑物一側(cè)的圍護結(jié)構(gòu)的水平位移與深度的變化與無鄰近建筑物時相比變化規(guī)律沒有變化，同樣為隨著深度先增加后慢慢回落的變化規(guī)律，但由于鄰近建筑物施加的荷載使圍護結(jié)構(gòu)最大變形δmax產(chǎn)生了顯著的差異.在陰角附近，當(dāng)D=20 m時，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移δmax為8.744 mm，較無建筑物模型該處位移增長了1.626 mm；當(dāng)D=50 m時，則增長了1.893 mm.對于陽角處，當(dāng)D=35 m時，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移δmax相較無建筑物時增長了1.380 mm，增大了17.9%；當(dāng)D=45 m時，增速則加大到18.6%.

2) 坑角效應(yīng)影響了鄰近建筑物對深基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形程度.當(dāng)建筑物距坑角水平距離D較小時，建筑物影響的范圍及程度均受到了坑角效應(yīng)的限制，表現(xiàn)為對圍護結(jié)構(gòu)的橫向變形的抑制，具體表現(xiàn)為：基坑坑角側(cè)墻提供了額外的約束,相較于非坑角的側(cè)墻擁有更高的系統(tǒng)剛度,坑角附近的變形和受力受到應(yīng)力集中的影響，其變形偏小.當(dāng)建筑逐漸原理坑角時表現(xiàn)為圍護結(jié)構(gòu)的變形增速呈現(xiàn)上升趨勢，說明坑角效應(yīng)的影響在降低，基坑圍護結(jié)構(gòu)不再受到基坑坑角側(cè)墻提供的額外約束的影響.

3) 圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律不隨距坑角水平距離d增大而變化，僅圍護結(jié)構(gòu)的最大水平位移δmax隨距坑角水平距離d的增大而增大，且增大幅度逐漸減小，最后趨于定值.在本工程中，陽角處坑角效應(yīng)影響范圍大于陰角影響范圍.由于基坑坑角效應(yīng)的存在，在設(shè)計過程中，可以考慮減小基坑陰角附近圍護結(jié)構(gòu)的強度及剛度，并可考慮減小陰角附近內(nèi)支撐密度，且增大對基坑陽角的支護，以保證工程安全性的前提下，降低成本.