基坑開(kāi)挖中建筑物超載施加方式適用性研究

彭 晶 王荃迪

(1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

基坑開(kāi)挖中建筑物超載施加方式適用性研究

彭 晶1，2王荃迪1

(1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

通過(guò)使用PLAXIS2D有限元計(jì)算軟件，分析了存在鄰近建筑物時(shí)基坑變形情況，驗(yàn)證了使用框架模型代替建筑物超載的適用性,為相近地區(qū)存在鄰近建筑物的基坑工程的施工與設(shè)計(jì)提供參考。

鄰近建筑物，基坑，開(kāi)挖，變形

城市建設(shè)過(guò)程中很多基坑工程都存在鄰近建筑物，如何施加鄰近建筑物荷載則是基坑開(kāi)挖模擬的重難點(diǎn)。在目前研究鄰近建筑物超載對(duì)基坑變形影響的相關(guān)文獻(xiàn)中，常將建筑物超載視為一般性荷載，這與實(shí)際情況并不符合[1,2]。張愛(ài)英和鄭剛[3，4]分別通過(guò)使用FLAC3D及PLAXIS3D直接添加構(gòu)筑物材料建立三維立體模型來(lái)模擬建筑物；袁厚海[5]則使用PLAXIS2D將建筑物上部結(jié)構(gòu)直接簡(jiǎn)化為均布荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了更好的分析基坑開(kāi)挖與鄰近建筑物兩者之間的相互作用規(guī)律，且考慮到平面有限元計(jì)算簡(jiǎn)便，可以在PLAXIS2D模型中通過(guò)搭建與建筑物類(lèi)似的框架結(jié)構(gòu)來(lái)模擬實(shí)際存在的建筑物。本文結(jié)合實(shí)際工程算例，對(duì)此類(lèi)施加方式的適用性進(jìn)行研究。

1 工程實(shí)例及有限元模型

1.1 工程實(shí)例簡(jiǎn)介

上海地區(qū)宜山路某典型車(chē)站基坑工程[6]，基坑寬度為13.6 m，開(kāi)挖深度為16.6 m，沿基坑長(zhǎng)度方向車(chē)站東側(cè)270 m范圍內(nèi)均為7層民宅，埋深2 m，距基坑 0.3 m～3 m。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，基坑西側(cè)地連墻(遠(yuǎn)民宅側(cè)，斷面設(shè)為A1)墻深28.5 m，東側(cè)地連墻(近民宅側(cè)，斷面設(shè)為A2)墻深36 m；設(shè)置4道內(nèi)支撐，支撐剛度分別為405.88 MN/m2，53.8 MN/m2，74.88 MN/m2，

74.88 MN/m2。圖1為基坑工程樁—內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)剖面圖。

文獻(xiàn)中尚未提及地下連續(xù)墻參數(shù)及支撐截面尺寸，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)計(jì)算取地下連續(xù)墻容重25 kN/m3，彈性模量E=30 GPa，泊松比v=0.2，取內(nèi)支撐截面800 mm×1 000 mm，支撐間距設(shè)置為6.0 m。由上至下基坑地層條件及其基本參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)表

1.2 有限元模型

建立PLAXIS2D有限元平面應(yīng)變模型，土體采用硬化土(HS)模型，網(wǎng)格剖分使用15節(jié)點(diǎn)三角形單元。基坑?xùn)|面7層民房等價(jià)為70 kN/m2的均布力，作用在基礎(chǔ)埋深2 m下，范圍距基坑為2 m～22 m，計(jì)算時(shí)建筑物墻體通過(guò)抗彎剛度等效的原則等效為地下連續(xù)墻。計(jì)算時(shí)考慮分步開(kāi)挖，根據(jù)已有研究，在軟土地區(qū)使用PLAXIS2D進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)建議采取水土合算[7]。因此在使用PLAXIS2D進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，不考慮坑內(nèi)外降水情況。圖2為基坑開(kāi)挖進(jìn)行的有限元模擬，整個(gè)模型尺寸為100 m×70 m。鄰近基坑的建筑物用框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，其外形輪廓設(shè)置為長(zhǎng)方形，在模型中建筑物的墻體及樓板作為理想彈性材料來(lái)考慮，在PLAXIS2D中使用板單位來(lái)模擬墻體和樓板。實(shí)際基坑工程中鄰近建筑物的剛度各異，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值來(lái)選擇參數(shù)，考慮樓板厚度取0.10 m，彈性模量E=30 GPa，泊松比取0.2，墻體厚度取0.24。根據(jù)鄭剛[4]對(duì)基坑工程中鄰近建筑物的研究，該設(shè)置較為合理。建筑物框架內(nèi)部填充容重為0的線彈性材料，建筑物超載大小通過(guò)等效為建筑物框架柱和梁的總重量進(jìn)行施加，作用于建筑物基礎(chǔ)埋深處。

為了模擬鄰近建筑物先于基坑開(kāi)挖前已經(jīng)完成自身固結(jié)的應(yīng)力狀態(tài)，在進(jìn)行開(kāi)挖計(jì)算之前土體應(yīng)該先根據(jù)自身重力生成初始地應(yīng)力場(chǎng)，再將其變形假設(shè)為0。同時(shí)由于鄰近建筑物存在于基坑開(kāi)挖之前，相當(dāng)于已經(jīng)有臨時(shí)超載作用在土體上，其必然會(huì)導(dǎo)致原有地應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，并產(chǎn)生相應(yīng)的位移變形。所以在初始地應(yīng)力置零并激活鄰近建筑物模型之后應(yīng)該再次將基坑的整體位移設(shè)置為零，以此模擬基坑開(kāi)挖前真實(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。兩次置零后再根據(jù)基坑順作法開(kāi)挖的步驟進(jìn)行數(shù)值模擬。表2為開(kāi)挖至坑底后兩側(cè)圍護(hù)樁最大水平位移計(jì)算值及實(shí)測(cè)值數(shù)值。

表2 兩側(cè)圍護(hù)樁最大水平位移值 mm

2 計(jì)算結(jié)果分析

圖3為有限元計(jì)算模型下基坑變形圖，圖4為鄰近建筑物超載條件下兩側(cè)基坑圍護(hù)樁水平位移變形圖。結(jié)合圖4和表2可知:

1)同一側(cè)基坑圍護(hù)樁的實(shí)測(cè)變形與有限元計(jì)算變形形態(tài)一致，圍護(hù)樁最大水平位移值出現(xiàn)位置均在開(kāi)挖面附近，實(shí)測(cè)值和計(jì)算值兩者曲線基本吻合。2)對(duì)比兩側(cè)變形可知兩側(cè)圍護(hù)樁變形形態(tài)并不一致，有限元計(jì)算中遠(yuǎn)超載側(cè)圍護(hù)樁最大變形值為24.24 mm，近超載側(cè)為27.44 mm，兩者相差約3 mm，整體曲線近超載側(cè)變形值明顯大于遠(yuǎn)超載側(cè)，可見(jiàn)近超載側(cè)對(duì)遠(yuǎn)超載側(cè)圍護(hù)樁變形具有一定保護(hù)作用。且近超載側(cè)圍護(hù)樁樁頂具有一定位移，而遠(yuǎn)超載側(cè)樁頂基本無(wú)位移。3)A1側(cè)(遠(yuǎn)超載側(cè))支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移計(jì)算最大值為24.24 mm，實(shí)測(cè)圍護(hù)樁水平位置最大值為24.78 mm，兩者基本相等。有限元計(jì)算值在整體上比實(shí)測(cè)值略偏小1 mm～2 mm，原因可能是實(shí)際基坑工程中施工時(shí)對(duì)近超載側(cè)土體進(jìn)行了加固，從而在一定程度上減小了遠(yuǎn)超載側(cè)的土體變形，對(duì)這一側(cè)提供了保護(hù)。4)A2側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂水平位移比實(shí)測(cè)大3 mm～5 mm，根據(jù)文獻(xiàn)介紹，7層民房下有深層攪拌樁地基加固，建筑物的樁基能有效的分擔(dān)一部分土壓力，從而在開(kāi)挖初始階段減小樁頂位移，造成計(jì)算值大于實(shí)測(cè)值的情況。但是從整體看來(lái)，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值可以說(shuō)是基本一致。基坑開(kāi)挖工程實(shí)例的計(jì)算結(jié)果表明，在模擬計(jì)算存在既有鄰近建筑物超載的基坑開(kāi)挖工程方面具有較好的適用性，其計(jì)算結(jié)果可用于對(duì)實(shí)際基坑工程結(jié)果的預(yù)測(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

1)使用建筑物框架模型模擬既有建筑物超載情況下具有較好的適用性，計(jì)算結(jié)果可靠，可用于對(duì)實(shí)際基坑工程結(jié)果的預(yù)測(cè)。

2)存在非對(duì)稱(chēng)建筑物超載時(shí)兩側(cè)圍護(hù)樁變形具有一定的差異，近超載側(cè)變形值明顯大于遠(yuǎn)超載側(cè)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將其納入考慮。

3)在非對(duì)稱(chēng)鄰近建筑物超載作用下近超載側(cè)圍護(hù)樁樁頂位移較大，施工時(shí)應(yīng)該特別注意。

[1] 楊國(guó)偉,劉建航.鄰近建筑物或地面超載作用下圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移與坑周地表沉降關(guān)系研究[J].地下工程與隧道,2002(3):11-14,32.

[2] 劉登攀,劉國(guó)彬.鄰近建筑物對(duì)某基坑變形影響的分析[J].巖土工程技術(shù),2007,21(1):28-31,45.

[3] 張愛(ài)英.基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物影響的數(shù)值模擬分析[D].西安：西安科技大學(xué)，2008．

[4] 鄭 剛，李志偉.基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近不同樓層建筑物影響的有限元分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(5)：41-44.

[5] 袁厚海.深基坑開(kāi)挖與鄰近建筑物的相互作用研究[D].海口：海南大學(xué),2012.

[6] 校月鈿,傅德明.明珠二期宜山路站圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移與結(jié)構(gòu)外地表沉降關(guān)系研究[J].巖土工程界,2004,7(8):36-39.

[7] 劉小麗,馬 悅,郭冠群,等.PLAXIS2D模擬計(jì)算基坑開(kāi)挖工程的適用性分析[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,42(4):19-25.

Adaptability research on building overload in foundation pit excavation

PENG Jing1,2WANG Quan-di1

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China;2.KeyLaboratoryofMarineEnvironmentandEcology,MinistryofEducation,Qingdao266100,China)

Through applying PLAXIS2D finite element calculation software, the paper analyzes foundation pit deformation conditions of adjacent building, proves the adaptability of frame model replacing building overload, which has provided some guidance for foundation pit engineering construction and design of adjacent building.

adjacent building, foundation pit, excavation, deformation

1009-6825(2014)22-0055-02

2014-04-21

彭 晶(1990- )，女，在讀碩士； 王荃迪(1993- )，女，在讀本科生

TU463

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