變電站基坑開挖對地表沉降及建筑物的影響分析

謝 輝， 卓 越， 劉 洪， 翟景國

(四川電力設計咨詢有限責任公司，四川成都 610065)

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變電站基坑開挖對地表沉降及建筑物的影響分析

謝 輝， 卓 越， 劉 洪， 翟景國

(四川電力設計咨詢有限責任公司，四川成都 610065)

文章針對復雜周邊環境下的變電站基坑開挖，采用Flac3D軟件作為數值模擬的工具，深入分析了變電站基坑開挖對于附近一定范圍內的地層水平位移以及地表沉降所產生的影響。

地基開挖； 水平位移分析； 地層沉降分析； 數值分析

變電站修建中經常需大面積的基坑開挖，尤其是城市里面的戶內變電站。變電站基坑開挖工程對周圍土體及建筑物有著重大影響，如果開挖不當，就會引起周圍建筑物產生水平位移和不均勻沉降并開裂，帶來重大的經濟損失，尤其在建筑物比較密集的市區，基坑周圍的地下管線和需要保護的歷史性建筑比較多，基坑開挖一旦出現問題，將產生嚴重的后果。因此關于深基坑開挖工程的研究一直受到工程界的重視[1-2]。

國內外很多學者對這一問題的研究表明[3-4]，基坑開挖所引起的地基變形及建筑物沉降開裂，是多種因素綜合作用的結果，實際工程中的計算理論很難考慮多種因素之間的相互作用[5]。而伴隨著計算機技術在工程中的廣泛應用，數值模擬逐漸在工程中得到應用，數值模擬能夠很好的考慮多種因素之間的相互作用，使得分析結果與實際工程更為接近。因此基于計算機的數值模擬方法成為分析基坑變形的一種有效方法[6-7]。

在這種情況下，針對某變電站的基坑開挖，本文選擇了以有限差分法為理論基礎編制的大型工程軟件Flac作為數值模擬的工具，并運用其三維版本Flac3D，以對三維空間效應比較明顯的基坑支護-土體-近鄰建筑物體系進行更準確的模擬分析。

1 軟件相關信息

1.1 軟件原理及邊界條件

Flac3D是二維的有限差分程序Flac2D的拓展，能夠進行土質、巖石和其它材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析。通過調整三維網格中的多面體單元來擬合實際的結構。單元材料可采用線性或非線性本構模型，在外力作用下，當材料發生屈服流動后，網格能夠相應發生變形和移動(大變形模式)。Flac3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區技術，能夠非常正確地模擬材料的塑性破壞和流動。由于無須形成剛度矩陣，因此，基于較小內存空間就能夠求解大范圍的三維問題。

求解問題的邊界條件包括面力、集中荷載以及位移邊界；另外體力和初始應力條件也是需要施加的。程序開始時，所有的應力和節點速度都為0，然后初始應力開始施加。集中荷載指定在表面的節點上，位移邊界條件是由節點的速度來精確控制的。體力和面力在內部被轉化成一系列等效的節點荷載。以上構成了數值計算的初始狀態。

1.2 軟件優勢

針對某變電站的基坑開挖，所采用的模擬軟件Flac3D有以下幾個優勢：

(1)對模擬塑性破壞和塑性流動采用的是“混合離散法”。這種方法比有限元法中通常采用的“離散集成法”更為準確、合理。

(2)即使模擬的系統是靜態的，仍采用了動態運動方程，這使得Flac3D在模擬物理上的不穩定過程不存在數值上的障礙。

(3)采用了一個“顯式解”方案。因此，顯式解方案對非線性的應力-應變關系的求解所花費的時間，幾乎與線性本構關系相同，而隱式求解方案將會花費較長的時間求解非線性問題。而且，它沒有必要存儲剛度矩陣，這就意味著，采用中等容量的內存可以求解多單元結構；模擬大變形問題幾乎并不比小變形問題多消耗更多的計算時間，因為沒有任何剛度矩陣要被修改。

2 工程概述及模型建立

2.1 工程概況

某變電站施工過程中基坑周邊一人行道與小區圍墻相交，由于圍墻邊的人行道高程與圍墻底部高程相差近5 m，若按正常放坡，將會占用人行道，現采用圍墻外側澆筑樁板墻回收邊坡。某工程局按照設計方案進行樁板墻施工過程中，附近某小區靠近該路基坑側部分路面出現下沉、裂縫，小區院墻部分地段開裂。

在該工程范圍內，鉆孔深度范圍內所揭露地層為第四系全新統人工填土層(Q4ml)、第四系中下更新統冰水沉積層(Q1+2fgl)和白堊系上下統夾關組(K1-2j)，其力學參數如表1所示。

該施工路段區地表水主要為農田灌溉渠水，其補給源為河水及大氣降水。在本路段區鉆探過程中，該水渠水位0.5～1.0 m，流速0.2 m/s，主要為賦存于第四系人工填土中的上層滯水，其主要補給來源為大氣降水、生活用水和區域地表水等。該地下水無穩定統一水位，且連通性較差。

表1 土的主要物理力學參數

根據工程經驗，場地內有賦存于低洼地段白堊系上下統夾關組砂質泥巖中的裂隙水，其主要補給來源為大氣降水、地表水。風化裂隙為主要含水層，其水量受匯水情況和裂隙發育程度影響，一般水量較小，流通性較差，無統一水位標高。

2.2 建立計算模型

在采用數值計算方法求解偏微分方程時，若由有限差分近似將每一處的導數替代，從而把求解偏微分方程的問題轉化為求解代數方程的問題，這就是有限差分法的定義。有限差分法求解偏微分方程的步驟如下：

步驟1，區域離散化，即把所給偏微分方程的求解區域細分成由有限個格點組成的網格。

步驟2，近似替代，即采用有限差分公式替代每一個格點的導數。

步驟3，逼近求解。換而言之，這一過程可以看作是用一個插值多項式及其微分來代替偏微分方程的解的過程。

通過以上3步驟，連續介質的運動定律轉化為離散單元節點上的牛頓定律。隨后即可由虛功原理求出下一時步的節點不平衡力，進入下一時步的計算。

現場勘測小區圍墻距建筑物8.5 m，圍墻距建筑物后邊緣距離26 m，開挖深度為5 m，強風化砂質泥巖平均厚度為1 m，填土厚度約為4 m。根據樁板墻施工與建筑物位置關系(圖1)簡化受力條件(圖2)，建立數值計算模型，計算模型長度為56 m，其中護坡長度為30 m，現有圍墻到建筑物后墻長度為26 m(圖3)。

圖1 樁板墻施工與建筑物位置關系示意

圖2 受力條件簡化示意

圖3 計算模型

由于護坡在計算中需挖去，護坡的具體形態對整個邊坡的穩定性影響不大，同時為了計算結果更加正確，網格劃分采用0.5 m×0.5 m。

3 模擬過程和分析

應用以上模型，可以設定本構模型和材料特性、設置應力邊界條件和位移邊界條件等操作，最終進行求解。在求解過程中，護坡開挖之前應先求解一次，使模型在原始應力狀態下達到平衡，護坡開挖后再求解一次，以便得到穩定系數、水平方向位移和垂直方向位移，整個計算精度設置為1×10-5N，即最大不平衡力達到1×10-5N時，認為計算收斂。由于實際工程中邊坡一直向外滲水，計算模型中需設置滲水通道。

3.1 水平方向位移

護坡開挖后，計算穩定時模型的水平方向位移計算結果如圖4、圖5所示。

圖4 水平方向位移云圖

圖5 土體破壞形式

從圖4中可以看出，由于護坡的開挖，小區地面最大水平位移為5.36 cm，水平位移影響范圍較大。從圖中得，在現有圍墻以內20 m范圍內都將出現大于1 cm的水平位移，距離圍墻26 m處水平位移較小，小于0.5 cm，對于建筑的影響相對較小，加之建筑物地基較深，對地基影響很小。可見，開挖面距離建筑物的距離最少應在20 m以外，避免對建筑物造成不利影響。

從圖5可以簡單的得出，護坡開挖后，圍墻后側土體大部分范圍出現拉破壞，這也在一定程度上驗證了現場地面裂縫和建筑物附屬結構的部分變形特點，圖中看出只有在開挖面底角附近出現剪切破壞，剪切破壞直接影響邊坡穩定。

3.2 垂直方向位移

為了更加直觀地看出由于護坡的開挖對小區的影響，計算過程中監測了距離現有圍墻5 m、12 m、15 m時的垂直方向位移。計算曲線如圖6～圖8所示。

圖6 距離圍墻5m垂直方向位移

圖7 距離圍墻12m垂直方向位移

圖8 距離圍墻15m垂直方向位移

從圖6～圖8中可以看出，計算穩定時(最大不平衡力達到1×10-5N)，距離圍墻5 m處，土體沉降量達到7.4 cm；距離圍墻12 m處，土體沉降量達到3.3 cm；距離圍墻15 m處，土體沉降量為0.5 cm，此時對建筑物的影響較小。通過垂直方向位移計算結果表明，邊坡開挖應距離建筑物15 m左右，避免建筑物受到破壞。

以上是在一定的滲流通道情況下的土體破壞形式，并沒有考慮由于滲流作用引起流土時的土體變形破壞形式。當土體發生流土時，土質變松，土體內出現空隙或者通道，邊坡開挖的影響范圍將更大，影響較以上分析結果更大。

4 結論

(1)根據數值計算水平方向位移計算結果，由于護坡的開挖，小區地面最大水平位移為5.36 cm，水平位移影響范圍較大，從圖中可知，在現有圍墻以內20 m范圍內都將出現大于1 cm的水平位移，距離圍墻26 m處水平位移較小，小于0.5 cm，對于建筑的影響相對較小，加之建筑物地基較深，對地基影響很小。可見，施工作業面距離建筑物的距離最少應在20 m以外，避免對建筑造成不利影響。護坡開挖后，圍墻后側土體大部分范圍出現拉破壞，這也在一定程度上驗證了現場地面裂縫和建筑物附屬結構的部分變形特點，由圖5可以看出在開挖面底角附近出現剪切破壞，直接造成了邊坡的不穩定。

(2)基于數值計算垂直方向位移計算結果，計算穩定時(最大不平衡力達到1×10-5N)，距離圍墻5 m處，土體沉降量達到7.4 cm；距離圍墻12 m處，土體沉降量達到3.3 cm；距離圍墻15 m處，土體沉降量為0.5 cm，按照《建筑地基基礎設計規范》的規定，此時對建筑物的影響較小。通過垂直方向位移計算結果表明，邊坡開挖應距離建筑物15 m左右，避免建筑物受到破壞。

[1] 李進軍，王衛東，邸國恩，等． 基坑工程對鄰近建筑物附加變形影響的分析[J]． 巖土力學，2007，28( 增刊) :623-629.

[2] 劉國彬，劉登攀． 基坑施工對周圍建筑物沉降的影響分析[J]． 建筑結構，2008，37(11) : 79-83.

[3] 陳觀勝，嚴洪龍． 深基坑開挖對周圍建筑物的保護[J]． 城市道橋與防洪，2003(2) : 74-77.

[4] 張亞奎． 深基坑開挖對近鄰建筑物變形影響的研究[D]． 北京: 北京工業大學，2003.

[5] 王廣國，杜明芳，候學淵． 深基坑的大變形分析[J]． 巖石力學與工程學報，2000，19(4) : 509-512.

[6] 朱華，鐘岱輝，王宇佳． 開挖方式對支護結構和建筑物影響的數值分析[J]． 山東建筑大學學報，2013，28(2) : 134-138.

[7] 王宇佳．基坑開挖施工對既有框架結構影響的數值分析研究[D]．濟南: 山東建筑大學，2012.

謝輝(1989～)，男，碩士，從事電力工程設計工作。

TU94+3.9

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[定稿日期]2016-12-04