深基坑開挖對(duì)臨近建筑物影響的數(shù)值模擬分析

王春婷

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州　510000)

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深基坑開挖對(duì)臨近建筑物影響的數(shù)值模擬分析

王春婷

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510000)

摘要:為了優(yōu)化地鐵車站深基坑施工方案，應(yīng)用Flac3D研究了基坑開挖過(guò)程中自身的穩(wěn)定性及其對(duì)臨近建筑物穩(wěn)定性的影響，通過(guò)分析其開挖后自身應(yīng)力與位移變化和臨近建筑物基礎(chǔ)的位移變化情況，提出基坑開挖后影響自身穩(wěn)定性和臨近建筑物安全的關(guān)鍵位置，以便制定出有針對(duì)性的控制措施。

關(guān)鍵詞:深基坑，臨近建筑物，沉降位移，數(shù)值模擬

0　引言

基坑開挖過(guò)程就是土體原始應(yīng)力的破壞、變化、再次達(dá)到平衡的一個(gè)過(guò)程。基坑開挖過(guò)程中由于土體應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致坑內(nèi)的邊角產(chǎn)生應(yīng)力集中，一般使坑內(nèi)底部的中心發(fā)生隆起，其隆起的大小是影響基坑穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。同時(shí)隨著基坑開挖深度的不斷加大，坑外的土體也會(huì)產(chǎn)生變形，對(duì)周圍建筑物的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。坑外土體的水平方向的位移和垂直方向的位移均將會(huì)造成基坑周圍建筑物產(chǎn)生位移，由于位移的不均性將造成建筑物的自身產(chǎn)生附加應(yīng)力，當(dāng)此應(yīng)力值超出特定值時(shí)，建筑物會(huì)發(fā)生開裂，最終導(dǎo)致建筑發(fā)生損壞，嚴(yán)重威脅居民的生命安全。

本文結(jié)合某地鐵車站深基坑工程實(shí)際情況，采用Flac3D在深基坑開挖過(guò)程中對(duì)周圍建筑物進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，分析基坑開挖過(guò)程中自身的穩(wěn)定性和對(duì)周圍建筑物的影響，進(jìn)而提出合理的基坑施工方案，提出有針對(duì)性的控制措施。

1　工程概況

該車站基坑設(shè)計(jì)長(zhǎng)270 m，寬35 m，深21 m，緊鄰車站南側(cè)有一棟4層高民用建筑(見圖1)。最近點(diǎn)距車站邊緣約為19 m。框架混凝土結(jié)構(gòu)，分析中采用筏板基礎(chǔ)形式。基坑開挖設(shè)計(jì)分五個(gè)步驟完成，第一步開挖2 m，第二、三步均開挖6 m，第四步開挖4 m，最后一步開挖3 m。車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)為車站主體基坑選用連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)形式。

圖1　基坑與周圍建筑位置圖（單位：m）

2　數(shù)值模擬計(jì)算

2．1模型建立

考慮軟件計(jì)算速度的原因，模型從中間對(duì)稱點(diǎn)取有建筑一側(cè)，最外側(cè)與建筑保留距離約30 m，如圖2所示。根據(jù)土體力學(xué)理論可知基坑開挖影響區(qū)域尺寸一般為3倍～5倍最合理，同時(shí)能滿足數(shù)據(jù)精度和計(jì)算速度的要求，因此模型大小為270 m×180 m× 25 m(長(zhǎng)×寬×高)，模型產(chǎn)生47 378個(gè)單元，38 060個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2．2計(jì)算模型及參數(shù)選取

圖2　計(jì)算模型圖

土體計(jì)算本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，地連墻及內(nèi)支撐采用彈性模型。土體計(jì)算參數(shù)取于地質(zhì)勘察報(bào)告，如表1所示，其他構(gòu)件參數(shù)取通用實(shí)驗(yàn)室參數(shù)。

表1　土層的物理力學(xué)參數(shù)

3　計(jì)算結(jié)果分析

3．1應(yīng)力分析

圖3　最大應(yīng)力分布云圖

如圖3所示為該基坑開挖后最大應(yīng)力云圖，由圖3可知，在基坑的底部邊角均產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，而基坑底部的中間產(chǎn)生了拉應(yīng)力，其值為0．5 MPa;基坑靠近地表附近產(chǎn)生了拉應(yīng)力區(qū)，其值為1．0 MPa，超出該位置土體本身的抗拉強(qiáng)度，易發(fā)生頂部垮塌，需加強(qiáng)支護(hù);在基坑的端部邊幫產(chǎn)生了最大應(yīng)力分布區(qū)，其值為2．453 MPa，遠(yuǎn)超出該位置土體的極限抗拉強(qiáng)度，易發(fā)生垮幫現(xiàn)象，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)該位置的支護(hù)。同時(shí)，基坑周邊的民用建筑基礎(chǔ)出現(xiàn)了部分拉應(yīng)力分布區(qū)，在距離基坑遠(yuǎn)端位置拉應(yīng)力區(qū)基本貫通，在近端其拉應(yīng)力區(qū)未貫通，且拉應(yīng)力區(qū)的值為0．25 MPa，由應(yīng)力判據(jù)可知建筑物基礎(chǔ)基本能保持穩(wěn)定。

因此，基坑在開挖過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)其邊幫和底部的支護(hù)，以保證其自身的穩(wěn)定和降低對(duì)周邊建筑物的影響。

3．2位移分析

圖4　水平方向位移云圖

圖5　豎直方向位移云圖

圖4，圖5分別為基坑開挖水平方向和豎直方向位移云圖。由水平位移云圖可知，基坑底部受應(yīng)力集中其兩側(cè)均產(chǎn)生較大的水平位移，分別為30．2 mm和26．7 mm，周邊建筑物產(chǎn)生均勻的位移變形，整體穩(wěn)定性相對(duì)較好。由豎直位移云圖可知，在基坑底部有較大的隆起，其位移量達(dá)150 mm，其端部產(chǎn)生最大隆起位移量，其值達(dá)199 mm。基坑周邊的建筑物在垂直方向的位移量較小，且分布均勻，表明其整體穩(wěn)定性較好。

在建筑物基礎(chǔ)的各角點(diǎn)位置分別布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別監(jiān)測(cè)其水平位移和豎直位移，如圖6，圖7所示。

圖6　建筑物基礎(chǔ)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置

圖7　建筑物頂部豎直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置

圖8為建筑物基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移變化曲線，由圖8可知，在靠近基坑端水平方向位移先為正值后為負(fù)值，即隨著基坑的開挖，建筑物基礎(chǔ)先向靠近基坑方向運(yùn)動(dòng)然后向遠(yuǎn)離基坑方向運(yùn)動(dòng)，其變化幅值相差較小，表明基坑施工過(guò)程中應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)對(duì)側(cè)幫的支護(hù);而在距離基坑遠(yuǎn)端水平方向位移為負(fù)值，即建筑物基礎(chǔ)向靠近基坑方向運(yùn)動(dòng)，其最大值為30 mm，由此表明基坑側(cè)幫的支護(hù)對(duì)控制其附近的位移量有效，對(duì)遠(yuǎn)端的作用較小。因此，在施工中可適當(dāng)采用長(zhǎng)錨索支護(hù)，以增加其支護(hù)控制范圍。

圖9為建筑物基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降位移變化曲線，由圖9可知，靠近基坑附近的建筑物基礎(chǔ)位移量為正值，即其發(fā)生隆起，而距離基坑遠(yuǎn)端位置位移量基本為負(fù)值，即其發(fā)生沉降，由此可見建筑物基礎(chǔ)整體發(fā)生不均勻沉降，這樣將會(huì)引起建筑物發(fā)生彎曲或剪切變形，嚴(yán)重威脅建筑物的安全，因此，在基坑施工過(guò)程中有針對(duì)性地采用有效措施，以控制其對(duì)建筑物基礎(chǔ)的影響，保證建筑物的穩(wěn)定安全。

圖8　建筑物基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移曲線

圖9　建筑物基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降位移曲線

4　結(jié)論與建議

1)在開挖過(guò)程中，基坑底部隆起，底部周邊土體向中間移動(dòng)，出現(xiàn)類似“管涌”現(xiàn)象。這也是引起遠(yuǎn)端沉降大的主要原因，可見，在開挖過(guò)程中，控制底部隆起尤為重要。2)在基坑開挖過(guò)程中，由于地連墻的作用，沉降最大點(diǎn)不是出現(xiàn)在距離基坑近端;在靠近基坑附近出現(xiàn)了相對(duì)穩(wěn)定的“保護(hù)區(qū)”。沉降呈隔區(qū)分布情況。3)在基坑施工過(guò)程中，及時(shí)對(duì)基坑側(cè)幫進(jìn)行支護(hù)，并適當(dāng)采用長(zhǎng)錨索進(jìn)行支護(hù)以增加支護(hù)控制范圍，減小對(duì)臨近建筑物的影響。

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中圖分類號(hào):TU463

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1009-6825(2016)17-0073-03

收稿日期:2016-04-03

作者簡(jiǎn)介:王春婷(1988-)，女，助理工程師

Analysis on numerical simulation of near buildings in deep excavation of subway station

Wang Chunting
(Architectural Design and Research Institute of Guangdong Province，Guangzhou 510000，China)

Abstract:In order to optimize the construction program，F(xiàn)lac3D was applied to study the stability of deep excavation and the influences on the near buildings．The stress and displacements were adopted to discuss the stability of deep excavation，and the horizontal and vertical displacements were used to study the effect on the near buildings．The key locations were put forward which were affect the stability of the deep excavation and near buildings，so that the targeted control measures were proposed in the construction．

Key words:deep excavation，near buildings，settlement displacement，numerical simulation