卵石地層基坑開挖對鄰近建筑物影響研究

梁鵬亮,張曉春,王 震

(山東高速工程建設(shè)集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250000)

1 工程背景

郫都區(qū)太清路南延線工程項(xiàng)目位于成都市郫都區(qū)德源新城,太清路綜合管廊全長約2 486 m,道路為城市主干路,主車行道為雙向6車道,設(shè)計(jì)車速主線為60 km/h。太清路綜合管廊工程為四艙標(biāo)準(zhǔn)斷面,所設(shè)艙室分別為低壓電艙、高壓電艙、綜合艙、燃?xì)馀摗Ｌ迓纺涎泳€擬建管廊全線采用明挖施工,開挖深度6.7～13.2 m,管頂覆土3.0～9.5 m,在太清綜合管廊施工中鄰近變電站、小區(qū)、廠區(qū)等。在道路樁號K0+350～K0+450區(qū)段處,地下管廊邊線東側(cè)鄰近德源輸變電站,其結(jié)構(gòu)形式采用框架結(jié)構(gòu),地下半層,地上2層。

鄰近德源輸變電站處的太清路綜合管廊基坑采用灌注樁+內(nèi)支撐支護(hù)形式?；娱_挖8 m,灌注樁采用C30混凝土,其直徑為1 000 mm,間距為1 800 mm,圍護(hù)樁嵌入比為5 500 mm;圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)支撐為一道,采用Q235鋼材圓管,其外直徑為609 mm,壁厚為16 mm,水平間距為5 000 mm?；铀幫翆右缘谒南等斯ぬ钔?Q4 ml)與第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl)為主,開挖范圍內(nèi)土層為:素填土、松散卵石、稍密卵石、中密卵石、密實(shí)卵石。由于基坑所處位置土層主要以卵石地層為主,基坑每層土方開挖深度≤1.5 m,對于松散卵石地層,基坑每層土方開挖深度≤0.75 m。

2 模擬規(guī)律研究

2.1 建立模型

根據(jù)基坑與德源輸變電站位置情況,取1-1斷面采用二維有限元軟件模擬。模型尺寸為110 m×30 m,模型劃分為13 366個(gè)單元,13 557個(gè)節(jié)點(diǎn)?；訉挾葹?2 m,開挖深度為8 m,既有建筑物與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)距離為24 m。

模型中既有建筑物簡化為3跨,每跨6 m,既有建筑物地上高8 m,地下既有結(jié)構(gòu)埋置1.5 m,基礎(chǔ)埋深為2.5 m;模型中既有建筑物的板與柱采用梁單元模擬、基礎(chǔ)采用2D單元模擬。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬,并采用等效截面抗彎剛度法,將圍護(hù)樁等效為連續(xù)墻,其直徑簡化為700 mm,樁長為13 500 mm。模型的側(cè)向邊界采用水平約束,底部邊界采用水平約束與豎向約束。模型中各土層進(jìn)行簡化,其各土層深度與力學(xué)參數(shù)如表1所示,模型中圍護(hù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)支撐物理參數(shù)如表2所示。

表1 各土層物理參數(shù)

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)支撐物理參數(shù)

模擬采用修正摩爾庫倫本構(gòu),模擬的施工過程為:(1)初始階段,模型位移清零;(2)施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)階段,施作圍護(hù)樁,并且不考慮圍護(hù)樁對既有建筑物的影響,位移清零;(3)第一次開挖階段,基坑開挖3 m,開挖土層為2.5 m的素填土與0.5 m的松散卵石,并施作第一道鋼支撐;(4)第二次開挖階段,基坑開挖3 m,開挖土層為2.5 m的松散卵石與0.5 m的稍密卵石;(5)第三次開挖階段,基坑開挖2 m,開挖土層為2 m的稍密卵石。

2.2 數(shù)值模擬分析

既有建筑物的沉降隨模擬基坑開挖深度的增加而增加,當(dāng)基坑開挖至8 m時(shí)既有建筑物產(chǎn)生的沉降、水平位移最大。在既有建筑物的基礎(chǔ)底部取C1、C2、C3、C4四個(gè)點(diǎn),比較四個(gè)點(diǎn)沉降量隨基坑開挖深度的變化,如圖1所示,在模擬基坑開挖過程中既有建筑物底部基礎(chǔ)不設(shè)變形縫,既有建筑物的最大沉降發(fā)生在靠近基坑側(cè),最小沉降量發(fā)生在遠(yuǎn)離基坑側(cè),既有建筑物最大沉降量為0.32 mm,最小沉降為0.18 mm。模擬中既有建筑物的最大水平位移為0.34 mm,并且既有建筑物的水平位移整體向左側(cè)移動(dòng),即向基坑側(cè)移動(dòng)。

圖1 既有建筑物沉降量

在數(shù)值模擬中,基坑開挖2 m深度較淺,并且基坑未開挖至既有建筑物基礎(chǔ)底面高程處,模擬中的地表沉降量較小;當(dāng)基坑開挖至6 m時(shí),由于受既有建筑物的影響,地表在20～40 m處產(chǎn)生的沉降量比兩側(cè)偏大,并且地表沉降量在距離圍護(hù)樁0.5H處最大,最大沉降量為2.6 mm;當(dāng)基坑開挖至8 m時(shí),地表沉降量在距離圍護(hù)樁0.5H處達(dá)到7.60 mm。在基坑開挖過程中最大地表沉降量發(fā)生在距離基坑圍護(hù)樁外側(cè)的一定距離處,由于受既有建筑物的影響,地表最大沉降量發(fā)生在距離基坑坑壁外側(cè)0.5H(H基坑深度)處,如圖2所示。

圖2 地表沉降

既有建筑物受基坑開挖的影響下,既有建筑產(chǎn)生向基坑側(cè)傾斜的狀態(tài),基坑與既有建筑之間土體產(chǎn)生擠壓作用,使圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到主動(dòng)土壓力作用,圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平位移。隨著基坑開挖深度的不斷增加,基坑圍護(hù)樁產(chǎn)生的水平位移逐漸增大,圍護(hù)樁逐漸向基坑內(nèi)側(cè)移動(dòng),又考慮受既有建筑物的影響,其圍護(hù)樁最大水平位移發(fā)生在樁長為0.55H處,最大的水平位移為12.73 mm,如圖3所示。

圖3 圍護(hù)樁水平位移

基坑鄰近既有建筑物時(shí),既有建筑物的沉降量隨遠(yuǎn)離基坑而逐漸減小,最靠近基坑側(cè)既有建筑物的沉降量最大,沉降量最大處的既有建筑與基坑間的土體產(chǎn)生沉降,鄰近既有建筑物的圍護(hù)樁呈現(xiàn)內(nèi)凹基坑的形式,既有建筑物整體向基坑方向呈現(xiàn)向下傾斜狀態(tài)。

2.3 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬對比

太清路南延線項(xiàng)目綜合管廊基坑鄰近德源輸變電站,現(xiàn)場布置監(jiān)測點(diǎn)。對德源輸變電站的監(jiān)測點(diǎn)布置8個(gè)為B1～B8,水泵房監(jiān)測點(diǎn)布置2個(gè)為B9～B10,監(jiān)測的基準(zhǔn)點(diǎn)為A1～A4。沉降監(jiān)測使用液體靜力水準(zhǔn)儀,將10臺(tái)液體靜力水準(zhǔn)儀作為沉降監(jiān)測點(diǎn)分別安裝在德源輸變電站承重墻、柱底部,4臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀作為基準(zhǔn)點(diǎn)安裝在遠(yuǎn)離施工影響區(qū)域的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)上。監(jiān)測頻率為每2 h一次,監(jiān)測對太清路南線綜合管廊施工影響的德源輸變電站進(jìn)行實(shí)時(shí)沉降數(shù)據(jù)采集。

通過對B1點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理匯總,德源輸變電站隨著地下綜合管廊基坑開挖產(chǎn)生一定范圍的沉降,并且現(xiàn)場每天監(jiān)測沉降值不大于0.04 mm。將B1監(jiān)測的沉降值累加,在其監(jiān)測點(diǎn)處總沉降值為0.39 mm,而在數(shù)值模擬中既有建筑物的最大沉降值為0.32 mm。通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,如圖4所示。模擬中既有建筑物最大沉降值產(chǎn)生的位置為最靠近基坑側(cè)點(diǎn),在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)采用1-1斷面,故與B1點(diǎn)重合,并且數(shù)值模擬值與實(shí)際監(jiān)測點(diǎn)值相接近,故采用的模擬參數(shù)合理。

圖4 B1點(diǎn)處現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比

3 卵石地層基坑對周圍地表建筑物的影響分區(qū)

3.1 數(shù)值模擬分區(qū)分析

卵石地層松散,并且黏聚力低、自穩(wěn)性差。在卵石地層基坑施工時(shí),基坑開挖對周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng),周圍既有建筑物因土體的變化,將會(huì)產(chǎn)生沉降與傾斜。在基坑施工前要考慮既有建筑物受基坑開挖影響的諸多因素,而對于既有建筑與基坑外邊緣的間距作為最主要的因素應(yīng)該重點(diǎn)考慮。針對基坑與既有建筑物的間距建立數(shù)值模擬。

模擬中基坑與既有建筑物的位置關(guān)系,基坑開挖深度為H=8 m, 既有建筑物與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外側(cè)間距為e,e的取值為0.1H、0.2H、0.3H、0.4H、0.5H、0.6H、0.7H、0.8H、0.9H、1.0H、1.5H、2.0H、2.5H、3.0H、4.0H。根據(jù)e的取值建立15個(gè)有限元模型。對于各土層深度的劃分與各土層的物理參數(shù)如表1所示;圍護(hù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)支撐物理參數(shù)如表2所示;模型側(cè)向邊界采用水平活動(dòng)鉸支座形式,底部邊界采用固定鉸支座形式。

既有建筑物的最大沉降量與傾斜率隨基坑與既有建筑間距變化如圖5所示,隨著e的逐漸增加,既有建筑物的最大沉降量逐漸減小,在基坑與既有建筑間距>1.5H時(shí),既有建筑物最大沉降量隨間距增加趨于平緩,如圖5(a)所示。通過既有建筑物的沉降量進(jìn)行既有建筑物傾斜率的計(jì)算,既有建筑物的傾斜率采用最大沉降量與最小沉降量差值比上出現(xiàn)沉降量最值的間距確定,既有建筑物傾斜率隨間距的變化如圖5(b)所示。

圖5 既有建筑物隨基坑間距變化數(shù)據(jù)圖

3.2 影響分區(qū)

參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》對建筑物基礎(chǔ)允許傾斜率規(guī)定,將既有建筑物受基坑開挖影響分區(qū)劃分為強(qiáng)影響區(qū)、弱影響區(qū)以及無影響區(qū),劃分如表3所示。

表3 近接既有建筑物影響分區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)圖5中既有建筑物的傾斜率與間距關(guān)系,依據(jù)表4近接既有建筑物影響分區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn),考慮卵石地層基坑開挖對建筑物的影響范圍可知,強(qiáng)影響區(qū)與弱影響區(qū)的劃分邊界為0.75H,弱影響區(qū)與無影響區(qū)的邊界為2H。

針對卵石地層基坑開挖對建筑物影響范圍考慮,基坑開挖時(shí),周邊建筑物位于強(qiáng)影響區(qū)內(nèi),要加強(qiáng)基坑開挖的穩(wěn)定性、控制建筑物的變形,對于基坑方面,可以采用鉆孔灌注樁或地下連續(xù)墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu),對于建筑物,可以采用建筑物基礎(chǔ)注漿加固或基礎(chǔ)托換的方式,降低建筑物的沉降量,保證建筑物的安全性。基坑開挖時(shí),周邊建筑物位于弱影響區(qū)范圍內(nèi),要對建筑物加強(qiáng)監(jiān)測,多布置監(jiān)測點(diǎn),對建筑物的沉降量要及時(shí)觀測。基坑開挖時(shí),周邊建筑物位于無影響區(qū)內(nèi),通常不采取措施。

4 結(jié) 論

(1)建立數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,將模型參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化,采用修正摩爾庫倫本構(gòu),模擬既有建筑物在卵石地層基坑開挖時(shí)造成的影響,模擬中卵石地層地表最大沉降量發(fā)生在距基坑0.5倍基坑深度的地表處,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移發(fā)生在0.55倍基坑深度的樁長處,既有建筑物整體向基坑方向呈現(xiàn)向下傾斜狀態(tài)。

(2)通過建立與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比的模型,進(jìn)行影響分區(qū)的模擬,根據(jù)既有建筑物至基坑外側(cè)邊緣的間距劃分工況,通過建筑物基礎(chǔ)傾斜率進(jìn)行影響分區(qū)的劃分。在卵石地層的既有建筑物受基坑開挖時(shí),影響范圍為:強(qiáng)影響區(qū)為≤0.75倍的基坑深度,弱影響區(qū)為0.75倍的基坑深度至2倍的基坑深度,無影響區(qū)為≥2倍的基坑深度。

(3)根據(jù)影響分區(qū)的劃分,考慮其建筑物在不同影響分區(qū)控制措施,強(qiáng)影響區(qū)內(nèi),要對基坑與建筑物進(jìn)行加固;弱影響區(qū)內(nèi),多進(jìn)行監(jiān)測;無影響區(qū)內(nèi),通常不采取措施。