基坑開挖中建筑物超載施加方式適用性研究

彭 晶 王荃迪

(1.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266100； 2.海洋環境與生態教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

基坑開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.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266100； 2.海洋環境與生態教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

通過使用PLAXIS2D有限元計算軟件，分析了存在鄰近建筑物時基坑變形情況，驗證了使用框架模型代替建筑物超載的適用性,為相近地區存在鄰近建筑物的基坑工程的施工與設計提供參考。

鄰近建筑物，基坑，開挖，變形

城市建設過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挖模擬的重難點。在目前研究鄰近建筑物超載對基坑變形影響的相關文獻中，常將建筑物超載視為一般性荷載，這與實際情況并不符合[1,2]。張愛英和鄭剛[3，4]分別通過使用FLAC3D及PLAXIS3D直接添加構筑物材料建立三維立體模型來模擬建筑物；袁厚海[5]則使用PLAXIS2D將建筑物上部結構直接簡化為均布荷載進行設計。為了更好的分析基坑開挖與鄰近建筑物兩者之間的相互作用規律，且考慮到平面有限元計算簡便，可以在PLAXIS2D模型中通過搭建與建筑物類似的框架結構來模擬實際存在的建筑物。本文結合實際工程算例，對此類施加方式的適用性進行研究。

1 工程實例及有限元模型

1.1 工程實例簡介

上海地區宜山路某典型車站基坑工程[6]，基坑寬度為13.6 m，開挖深度為16.6 m，沿基坑長度方向車站東側270 m范圍內均為7層民宅，埋深2 m，距基坑 0.3 m～3 m。基坑圍護結構采用地下連續墻，基坑西側地連墻(遠民宅側，斷面設為A1)墻深28.5 m，東側地連墻(近民宅側，斷面設為A2)墻深36 m；設置4道內支撐，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—內支撐結構剖面圖。

文獻中尚未提及地下連續墻參數及支撐截面尺寸，根據以往經驗計算取地下連續墻容重25 kN/m3，彈性模量E=30 GPa，泊松比v=0.2，取內支撐截面800 mm×1 000 mm，支撐間距設置為6.0 m。由上至下基坑地層條件及其基本參數如表1所示。

表1 土層參數表

1.2 有限元模型

建立PLAXIS2D有限元平面應變模型，土體采用硬化土(HS)模型，網格剖分使用15節點三角形單元。基坑東面7層民房等價為70 kN/m2的均布力，作用在基礎埋深2 m下，范圍距基坑為2 m～22 m，計算時建筑物墻體通過抗彎剛度等效的原則等效為地下連續墻。計算時考慮分步開挖，根據已有研究，在軟土地區使用PLAXIS2D進行數值模擬時建議采取水土合算[7]。因此在使用PLAXIS2D進行有限元數值模擬計算時，不考慮坑內外降水情況。圖2為基坑開挖進行的有限元模擬，整個模型尺寸為100 m×70 m。鄰近基坑的建筑物用框架結構進行模擬，其外形輪廓設置為長方形，在模型中建筑物的墻體及樓板作為理想彈性材料來考慮，在PLAXIS2D中使用板單位來模擬墻體和樓板。實際基坑工程中鄰近建筑物的剛度各異，可根據經驗值來選擇參數，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。根據鄭剛[4]對基坑工程中鄰近建筑物的研究，該設置較為合理。建筑物框架內部填充容重為0的線彈性材料，建筑物超載大小通過等效為建筑物框架柱和梁的總重量進行施加，作用于建筑物基礎埋深處。

為了模擬鄰近建筑物先于基坑開挖前已經完成自身固結的應力狀態，在進行開挖計算之前土體應該先根據自身重力生成初始地應力場，再將其變形假設為0。同時由于鄰近建筑物存在于基坑開挖之前，相當于已經有臨時超載作用在土體上，其必然會導致原有地應力場發生改變，并產生相應的位移變形。所以在初始地應力置零并激活鄰近建筑物模型之后應該再次將基坑的整體位移設置為零，以此模擬基坑開挖前真實的應力狀態。兩次置零后再根據基坑順作法開挖的步驟進行數值模擬。表2為開挖至坑底后兩側圍護樁最大水平位移計算值及實測值數值。

表2 兩側圍護樁最大水平位移值 mm

2 計算結果分析

圖3為有限元計算模型下基坑變形圖，圖4為鄰近建筑物超載條件下兩側基坑圍護樁水平位移變形圖。結合圖4和表2可知:

1)同一側基坑圍護樁的實測變形與有限元計算變形形態一致，圍護樁最大水平位移值出現位置均在開挖面附近，實測值和計算值兩者曲線基本吻合。2)對比兩側變形可知兩側圍護樁變形形態并不一致，有限元計算中遠超載側圍護樁最大變形值為24.24 mm，近超載側為27.44 mm，兩者相差約3 mm，整體曲線近超載側變形值明顯大于遠超載側，可見近超載側對遠超載側圍護樁變形具有一定保護作用。且近超載側圍護樁樁頂具有一定位移，而遠超載側樁頂基本無位移。3)A1側(遠超載側)支護結構水平位移計算最大值為24.24 mm，實測圍護樁水平位置最大值為24.78 mm，兩者基本相等。有限元計算值在整體上比實測值略偏小1 mm～2 mm，原因可能是實際基坑工程中施工時對近超載側土體進行了加固，從而在一定程度上減小了遠超載側的土體變形，對這一側提供了保護。4)A2側支護結構樁頂水平位移比實測大3 mm～5 mm，根據文獻介紹，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一部分土壓力，從而在開挖初始階段減小樁頂位移，造成計算值大于實測值的情況。但是從整體看來，實測值與計算值可以說是基本一致。基坑開挖工程實例的計算結果表明，在模擬計算存在既有鄰近建筑物超載的基坑開挖工程方面具有較好的適用性，其計算結果可用于對實際基坑工程結果的預測。

3 結語

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，計算結果可靠，可用于對實際基坑工程結果的預測。

2)存在非對稱建筑物超載時兩側圍護樁變形具有一定的差異，近超載側變形值明顯大于遠超載側，設計時應將其納入考慮。

3)在非對稱鄰近建筑物超載作用下近超載側圍護樁樁頂位移較大，施工時應該特別注意。

[1] 楊國偉,劉建航.鄰近建筑物或地面超載作用下圍護結構水平位移與坑周地表沉降關系研究[J].地下工程與隧道,2002(3):11-14,32.

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

[3] 張愛英.基坑開挖對鄰近建筑物影響的數值模擬分析[D].西安：西安科技大學，2008．

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

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

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

[7] 劉小麗,馬 悅,郭冠群,等.PLAXIS2D模擬計算基坑開挖工程的適用性分析[J].中國海洋大學學報(自然科學版),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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