鄰近建筑基坑施工對周圍環(huán)境影響的數(shù)值模擬

陳運榮，趙永獻

(浙江城建勘察研究院有限公司，浙江杭州 310005)

鄰近建筑基坑施工對周圍環(huán)境影響的數(shù)值模擬

陳運榮，趙永獻

(浙江城建勘察研究院有限公司，浙江杭州 310005)

針對某鄰近建筑的基坑開挖施工，建立了考慮土與結構物作用的三維有限元數(shù)值模型，通過對基坑開挖過程的數(shù)值模擬分析，研究了圍護結構及周邊建筑的位移變化。結果表明：基坑開挖造成了基坑坑底土體向上隆起，引起了鄰近建筑發(fā)生豎向沉降，合理的施工過程可以保證建筑結構安全性控制在允許范圍之內。同時，與現(xiàn)場監(jiān)測結果對比良好的一致性，也驗證了有限元數(shù)值模擬用于地下結構安全性評價中的合理性。

基坑開挖; 周邊建筑; 安全性; 數(shù)值模擬; 現(xiàn)場監(jiān)測

隨著我國經(jīng)濟建設和改革開放所取得的驕人成績，國民經(jīng)濟也高速增長，各種大中型建設項目如雨后春筍般蓬勃興起[1]。地基與基礎工程作為建筑領域的前期和基礎性工作，經(jīng)過了無數(shù)科技工作者進行理論上的探討和研究，從勘察、設計、施工到監(jiān)測均已達到一個全新的水平，工程質量、安全、工期均得以優(yōu)化[2]。在城市建設過程中，大量基坑工程緊鄰已有建筑或建筑群[3]，基坑施工過程中的開挖卸荷導致坑底土體變形隆起[4]。土體變形造成周邊環(huán)境的不穩(wěn)定，地表土體沉降[5-6]，從而導致周邊建筑的正常使用受到較大影響甚至造成嚴重危害[7]，為保證基坑開挖過程中周邊建筑的安全，須嚴格控制基坑圍護方案并對施工過程嚴密監(jiān)管[8]。

本文建立了考慮周邊建筑的基坑施工三維有限元數(shù)值分析模型，以實現(xiàn)基坑開挖對鄰近周邊環(huán)境影響的數(shù)值模擬，研究基坑開挖引起的建筑結構的沉降變形和基坑圍護結構的變形及內力分布規(guī)律，對基坑施工安全性給予評價。

1 工程概況

1.1 基坑工程概況

基坑呈狹長型，南北長80 m，東西寬130 m，周長420 m，面積約為10 495 m2，開挖深度6.6 m。基坑支護采用φ700@850灌注樁圍護結構，入土深度19.5 m。第一道水平支撐為800 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐，第二道水平支撐為700 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐，支撐直接支撐于壓頂梁上，設計圈梁尺寸為1100 mm×800 mm，C30混凝土。

1.2 周邊建筑概況

基坑呈狹長型，根據(jù)業(yè)主提供資料和現(xiàn)場踏勘，擬建基坑周邊環(huán)境情況為：

(1)基坑東側：該側基坑邊線與紅線最近距離為21.3 m(東南角轉角處僅為10.7 m)，紅線以外緊鄰上海惠工縫紉機三廠，主要為2層車間廠房，磚混結構，基礎形式為淺基礎，距離基坑邊線最近23.5 m。

(2)基坑南側：該側基坑邊線與本場地1幢5層待拆建筑外墻邊線最近距離僅2.6 m(距離該建筑基礎邊線最近1.5 m)，該建筑鋼混結構，基礎形式為復合樁基礎，采用250 mm×250 mm預制方樁，樁長19 m。本工程建設過程中正常使用，待本工程建成后予以拆除。

(3)基坑西側：該側基坑邊線與場地西側圍墻最近距離1.1 m(據(jù)業(yè)主介紹，圍護施工前該側圍墻向西側移位約3 m)，圍墻以外為2幢9層保留建筑，鋼筋混凝土結構，基礎形式為樁基礎，與基坑邊線最近距離為12.9 m。

(4)基坑北側：該側基坑邊線與紅線最近距離為21.0 m，紅線以外為若干棟1層建筑(據(jù)業(yè)主介紹，本工程施工前部分建筑予以拆除作為施工出入口)，磚混結構，基礎形式為淺基礎，距離基坑邊線最近24.2 m。

場地周邊建(構)筑物性質情況(表1)，環(huán)境示意(圖1)。

表1 場地周邊建(構)筑物性質情況

圖1 基坑與周邊建筑關系示意

1.3 場地地質條件

根據(jù)勘察資料，本場地受基坑開挖影響土體的參數(shù)見表2。

表2 地基土參數(shù)

2 有限元數(shù)值模擬計算

2.1 數(shù)值模型

假定土層均質分布，土體采用實體單元模擬，土體采用M-C本構模型。基坑支護為地下連續(xù)墻、基坑底板及頂板采用板單元模擬，結構中梁柱、支護結構中的水平支撐、圈梁等采用梁單元模擬，混凝土構件均采用線彈性本構模型。周邊建筑簡化處理，為了充分考慮基坑開挖對周邊建筑的影響，采用混凝土實體單元模擬建筑荷載。根據(jù)理正基坑支護計算中的經(jīng)驗，建筑荷載按照建筑基礎形式分別為：淺基礎建筑采用20 kPa每層加載；樁基礎建筑采用20 kPa每層并乘以0.2的折減系數(shù)。為了考慮施工過程中基坑周邊的施工活動，并在基坑施工影響范圍內施加了15 kPa的地面荷載。有限元計算中土體的計算參數(shù)根據(jù)巖土勘察報告提供的相關參數(shù)確定，土體的強度指標采用三軸固結不排水(CU)試驗結果。土體的彈性模量取土的壓縮模量的3倍。C30混凝土的彈性模量E取30 GPa，泊松比0.2，密度取為2 480 kg/m3。

根據(jù)基坑幾何尺寸大小，結合基坑開挖施工對鄰近環(huán)境影響范圍的現(xiàn)場監(jiān)測經(jīng)驗，有限元計算區(qū)域取為300 m×150 m×60 m。綜合計算模型大小，綜合考慮計算時間和計算精確度，共計剖分單元46 804個。計算區(qū)域有限元網(wǎng)格見圖2(a)，基坑支護結構有限元網(wǎng)格見圖2(b)。

2.2 計算步驟

基坑開挖屬于臨時性地下工程，工期較短，可按照不排水條件下總應力法進行分析，結合基坑開挖實際施工工況，數(shù)值模擬計算步驟如表3所示。

3 數(shù)值模擬與結構安全性分析

有限元計算結果分析表明，計算工況6 (即開挖土體至基坑設計標高)得到的基坑支護結構以及周圍土體的變形最大，后續(xù)的地下室施工和拆撐施工等工程活動未引起車站結構位移的進一步增加，故下面的討論著重以工況6的計算結果進行分析。

3.1 基坑支護結構位移

基坑支護結構Y方向水平位移較X方向水平位移大，Y方向最大水平位移為21.2 mm，發(fā)生在靠近建筑物4的支護段。靠近建筑物1、建筑物5和建筑物6由于距離基坑較遠，鄰近側的基坑水平位移較小。

(a)模型整體網(wǎng)格

(b)基坑支護網(wǎng)格圖2 有限元網(wǎng)格劃分

計算步驟計 算 內 容1重力場初始化2地下連續(xù)墻、立柱、立柱樁，位移置零3開挖第一層土(1500mm)4加支撐5開挖第二層土(3000mm)6開挖第三層土(2100mm)7底板施工8施工墻體(地下室5100mm)9拆支撐+施工墻體(地下室1900mm)10施工頂板

由于靠近建筑物一側支護結構平面布置上與建筑物整體平行，沒有出現(xiàn)陽角等支護結構薄弱位置，但在靠前段與建筑物4最近距離只有3.2 m，因此基坑前側支護結構靠左端應當適當加強支撐剛度，以減少水平位移。地下連續(xù)墻位移分布(工況6)如圖3所示。

3.2 基坑坑底土體位移

基坑坑底土體隆起量最大為4.37 cm，它的大小沿著基坑邊沿先增大后減小，在基坑邊沿的隆起量最小。基坑周圍的沉降量，離基坑的距離不斷增大而增大，而后又隨著距離的增大而減小，在集中荷載附近的隆起出現(xiàn)局部最大，如圖4。

(a) X方向位移

(b) Y方向位移

(c) 西側

(d)東側

(e) 南側

(f)北側圖3 地連墻的水平位移

圖4 基坑坑底土體豎向位移

由圖4可以看出隆起量最大值出現(xiàn)在沒有立柱樁的位置，四邊角點位置隆起量最小。這是由于基坑為矩形，且在基坑開挖卸荷過程中，基坑周圍土體向基坑底部運動造成的。

3.3 周邊建筑豎向位移

基坑開挖施工引起周邊建筑結構發(fā)生豎向沉降位移，從而建筑結構中產生次應力，可能對建筑結構的安全帶來不利的影響。根據(jù)數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測結果得到周邊建筑的沉降對比，見圖5所示。

(a) 建筑1

(b) 建筑2

(c) 建筑3

(d) 建筑4

(e) 建筑5

(f) 建筑6圖5 建筑沉降對比

4 結 論

通過數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析得到如下結論。

(1)基坑開挖過程中，周邊建筑出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，且隨基坑

開挖深度的增大而增大，開挖至坑底后的施工過程中，地表土體沉降趨緩。

(2)基坑開挖土體卸荷，圍護結構發(fā)生位移變形，對基坑施工帶來不利影響。

通過與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析，數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場監(jiān)測規(guī)律上保持一致，驗證了有限元數(shù)值模擬的合理性。基坑開挖對鄰近建筑的豎向沉降造成了一定的影響，但在建筑結構安全性要求的控制范圍之內。

[1] 錢七虎. 迎接我國城市地下空間開發(fā)高潮[J]. 巖土工程學報, 1998, (1): 112-113

[2] 李新星.鄰近基坑開挖的運營地鐵車站結構安全度分析[J]. 巖土力學, 2009, 30(2): 382-386

[3] 高文華, 沈蒲生, 楊林德. 基坑開挖中地層移動的影響因素分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2002, 21(8): 1153-1157

[4] 楊敏, 周洪波, 楊樺. 基坑開挖與臨近樁基相互作用分析[J]. 土木工程學報, 2005, 38(4): 91-96

[5] 王素霞. 基坑開挖對臨近建筑物影響的數(shù)值分析研究[D]. 南京工業(yè)大學, 2006

[6] 應宏偉，謝新宇.軟土深基坑開挖的有限元分析[J].建筑結構學報，1999, 20(4): 59-64

[7] 唐孟雄，趙錫宏.深基坑周圍地表沉降及變形分析[J]. 建筑科學，1996, (4)

[8] 侯學淵，陳永福.深基坑開挖引起周圍地基土的沉降的計算[J]. 巖土工程師，1989, (1): 3-13

陳運榮(1957～),男，高級工程師，巖土工程方向。

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