基坑開挖對鄰近建筑物影響的數值模擬研究

李 杰

(中冶建設投資發展有限公司 貴陽 550081)

隨著經濟的發展，城市軌道交通建設項目日益增加，越來越多的深基坑工程出現在建筑密集的城市區域。基坑開挖對相鄰建筑物所造成的不利影響主要表現為基坑開挖土體位移對建筑物安全性的影響，嚴重時可能導致建筑物的開裂、傾斜或倒塌[1-2]。因此，對鄰近深基坑建筑物的沉降規律展開研究，評估周邊建筑物的安全性則顯得非常重要。

近年來，基坑開挖對鄰近建筑物安全性的影響一直是國內外的研究熱點。例如，王衛東等[3]在工程實例的基礎上提出了預估鄰近建筑物附加變形的計算方法及安全性判定標準。信磊磊[4]針對深基坑開挖問題，基于大量的基坑變形控制標準，采用土體小應變HSS模型研究了基坑開挖對不同距離的建筑物安全性影響。鄭剛等[5-6]采用數值模擬方法研究了圍護結構類型在基坑開挖時對建筑物的防護作用。陳彪等[7]采用midas GTS (geotechnical and tunnel analysis system)軟件對環境條件復雜的基坑開挖進行了數值模擬，研究結果表明有限元方法在預測基坑開挖變形時可發揮有效作用。張祖林[8]通過數值分析方法研究了軟土地區考慮時間效應的深基坑支護在基坑開挖時對周邊環境的保護作用，結果表明，基坑變形會隨開挖深度、暴露時間的增長而變大。Finno等[9]在評估受開挖影響的建筑物潛在損害時，提出可采用板和夾層來模擬鄰近建筑物的樓板、墻體和柱的共同作用，并為該方法命名為疊合梁法。

以上研究多集中于探討基坑開挖過程中鄰近建筑物的位移和變形規律，而對于不同基坑支護類型的加固效果則研究較少。為此，本文以某城際鐵路實際工程為背景，采用midas GTS有限元軟件對基坑開挖的全過程進行模擬，探究基坑開挖對其周邊建筑物的影響大小和規律，論證開挖方案的可行性和周圍建筑物的安全性，以為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

基坑支護平面圖見圖1，擬建工程位于某城際鐵路車站南側25～30 m。混凝土支護樁沿基坑周邊設置，布置有雙排直徑1 400 mm、間距2 000 mm和單排直徑1 400、間距2 000 mm、直徑1 200 mm、間距2 000 mm的支護樁，設計AB段樁長22.8 m、BC段樁長16.3 m、DE段樁長10.1 m、FA段樁長10.1 m，EF段為1∶2.0放坡，混凝土強度等級為C30混凝土。

圖1 基坑支護平面圖

1.2 地層狀況

工程區原始地貌單元為山前沖洪積扇，區內地質構造比較復雜。根據野外鉆探揭露，擬建場地的地層自上而下主要為：人工填土、粉質黏土、全風化板巖和強風化板巖。該區域的土體參數見表1。

表1 土體參數

1.3 支護方案

1) 為了加強基坑開挖過程中土體的自穩定性，同時提供支護作用以減小基坑開挖對鄰近建筑物樁柱的影響，對于已經開挖完成的I區域土體，見圖2，擬采用角撐支護，同時將剩余的土體分為IV、III、IV、V 4個部分順次開挖。

2) 支護結構中的樁、梁和角撐采用C30混凝土澆筑，噴射式混凝土采用C20澆筑。樁采用HRB 400鋼筋，冠梁和連梁采用HPB 300鋼筋。

圖2 基坑支護剖面圖(單位：mm)

各段梁和樁的配筋率可根據基坑支護剖面圖計算。各梁的橫截面尺寸見表2。

表2 各種梁的橫截面參數 m × m

3) 基坑鄰近建筑物支撐臺階的樁柱分別為左右6根，對稱分布，其樁地上部分的長度從外到內分別為13.9，11，6 m，地下樁部分統一為22 m長。

2 midas GTS 模型建立

midas GTS是一款主要用于巖土與隧道分析設計的有限元軟件，該軟件可以快速進行3D建模及圖形后處理，并能自動準確地生成模型網格，現已廣泛應用于基坑開挖支護分析、邊坡穩定性分析、地下水滲流分析等工程領域。

2.1 支護結構模擬

結合基坑規模大小、開挖深度、周圍建筑物分布，采用midas GTS軟件建立的基坑模型見圖3。

圖3 基坑三維有限元分析模型

本次模擬的主要目的是研究基坑開挖對鄰近建筑的影響。鄰近建筑距離基坑最近的排樁是受影響最大的，因此從建模的方便性和分析最危險位置出發，取這一排樁作為本次模擬對象，從而可以得出基坑開挖對建筑物樁柱的最大影響。此外，在開挖區域周邊圍滿了旋挖樁，鑒于其間距相對于基坑的尺寸較小，樁間土充分擠密，因此在建模的過程中可采用板單元(板樁)來模擬排樁。同理，由于基坑AB段有2排支護樁，并且在2排樁上有連系梁連接，連系梁的間距較小，因此AB段可以等效為板單元。此外，冠梁采用梁單元，樓梯承臺采用實體單元模擬。

基坑AB段為最主要的影響段，同時AB段的排樁又與接下來基坑開挖的土體相接觸，因此其排樁是最主要支護結構。BC段和AF段排樁的排布同建筑物樁柱的排布方向垂直，其對建筑物的樁柱影響很小，而其主要作用為保證土體在接下來的開挖過程中不會發生橫向的垮塌。此外，其他段的排樁大多同之前開挖的土體相接觸，與接下來開挖的土體無直接的接觸，同時距離建筑物的樁柱較遠，其影響基本可以忽略不計。基于以上分析，同時從數值模擬建模的便捷性和模擬分析突出重點出發，本次模擬將重點研究AB段的雙排樁，其他段如BC，AF段等仍然施加板樁以保證土體不會垮塌，但此文對其不做細致處理。

2.2 建筑物模擬

建模過程中采用二維板單元模擬建筑物的樓板和樁柱，見圖4。假定建筑物是穩定的，將樓板柱嵌固足夠深度，同時在樓板柱上施加Y方向位移約束。樓板延伸至基坑雙排板樁作為接下來土體開挖的支撐。

圖4 樓板柱、樓板和樁墻示意圖

靠近基坑一側的鄰近建筑物的前排樁由兩端臺階的支撐樁柱和中間站房的樁柱組成，由于站場主體結構具有較大的剛度和抗變形能力，基坑開挖所引起的站場主體結構的位移可忽略不計。因此，可對圖3中的樁柱進行簡化，只保留兩側的臺階的樁柱結構。通過在樁端和樁周定義接觸單元來模擬臺階部分的地下樁與周圍土體相互作用。簡化后的建筑物樁柱見圖5。為了便于描述，對需要研究的站場臺階的樁柱進行了編號。

圖5 臺階樁柱編號

2.3 施工步定義

基坑開挖模型建立完成后，需要定義施工步以模擬接下來的土體開挖和基坑支護方案。B、C、D、E區土體、樓板及剩余土體開挖順序見圖6。

圖6 基坑開挖施工順序

3 數值模擬結果分析

由于施工步位移計算結果的累加性，為了簡化分析可采用模型位移的最終狀態來評估基坑開挖對建筑物的影響。在下面的分析中，水平位移為平行于總體坐標軸x方向位移，垂直位移為平行于總體坐標軸y軸方向位移，豎直位移為平行于總體坐標軸z向位移。

本次模擬主要研究基坑開挖引起的鄰近建筑物樁柱位移，并評估其是否超過規定的預警值(預警值由鐵路部門提供)。

3.1 鄰近建筑物的樁柱位移與沉降變形

本次模擬計算主要通過水平位移、垂直位移、豎直位移、橫向沉降差和縱向沉降差5個模型計算參數來分析鄰近建筑物的受影響程度，站場臺階各樁柱計算結果見表3。

表3 柱體計算結果匯總

以A-01樁柱為例，由表3可知A-01樁柱柱底水平位移，見圖8a)為0.63 mm，柱頂水平位移為-0.07 mm；柱底垂直位移，見圖8b)為-0.97 mm，柱頂垂直位移為2.25 mm。經換算，其水平和垂直方向的垂直度(位移/地上柱子的長度)分別為0.005%和0.023%，小于預警值0.12%，滿足JGJ 94-2008 《建筑樁基技術規范》垂直度要求。由圖8c)可知地上柱和地下樁的豎直位移沿柱長方向基本保持不變。因此，本次模擬重點在于研究臺階柱子底部和頂部的位移，以及計算和判斷柱子橫向和縱向的沉降差是否符合要求。由表3及圖8d)、8e)可知A-01的柱頂的橫向和縱向沉降差，絕對值分別為0.80，0.62 mm，小于最小預警值4 mm，因此A-01樁柱橫向沉降差滿足規范要求。

圖8 A-01樁柱位移(單位：m)

同理，由表3可知模擬計算得到的所有樁柱的垂直度和沉降差均滿足JGT 94-2008技術要求。

3.2 地表位移

現有研究表明，基坑開挖對周邊建筑物樁柱的影響主要是通過開挖過程中產生的水平位移來體現[10]。此外，在研究基坑開挖引起的站房兩側臺階結構樁柱的位移變化時，由于主體結構的抗變形能力較大，而臺階結構的剛度和抗變形能力較小，因此可采用簡化分析臺階樁柱的位移得到臺階相對于站房的相對位移，并通過分析基坑開挖過程中站房和橋梁位置處的地面位移大小和分布來保守評估基坑開挖對于站房主體結構樁基和橋梁樁基的影響。

參照圖2，并結合站房和橋梁分布區地表水平位移(見圖9)可知，站房和橋梁分布區域地表土體由于基坑開挖而產生的土體水平位移隨距基坑邊緣的距離增大而快速減小，其中地表土體最大水平位移為1.16 mm(位于平面圖右下部)。由于站房和橋梁的樁基最底端嵌固進足夠深且強度較高的強風化板巖中，因此基坑開挖引起的站房和橋梁樁基區域地表土體實際水平偏轉度必然小于0.005 3%，小于預警值。

圖9 站房和橋梁分布區地表水平位移(單位：mm)

基坑開挖引起的站房和橋梁分布區地表土體的垂直位移見圖10。從圖中可以看出站房和橋梁分布區域由于基坑開挖而產生的土體垂直位移

隨距基坑邊緣距離的增大而快速減小，其中土體最大垂直位移約為4.66 mm(位于AB段中部區域)。因為站房和橋梁的樁基最底端嵌固進足夠深且強度較高的強風化板巖中，因此基坑開挖引起的站房和橋梁樁基的實際垂直偏轉度必然小于0.21，小于預警值。

圖10 站房和橋梁分布區地表土體垂直位移(單位：mm)

站房和橋梁分布區地表土體沉降見圖11。由圖可知，站房和橋梁分布區域地表土體由于基坑開挖而產生的沉降隨著距基坑邊緣距離的增大而快速減小，地表土體最大沉降值約為4.82 mm(位于AB段上部)。由于基坑變形具有較明顯時間效應的區域多位于軟土地區或者因資金短缺和設計變更等因素出現長期停工的閑置基坑區域，而本研究中的擬建場地土體現狀穩定，施工期較短，故暫未考慮基坑開挖過程中的時間效應。此外，在基坑開挖結束后，隨著時間的推移，土體固結效應將越來越弱，可使得開挖結束后很長一段時間內鄰近建筑物的水平位移變化較小。故綜上所述，可得出基坑開挖對于鄰近建筑物樁基影響很小，不會對其造成安全問題的結論。

圖11 站房和橋梁分布區地表土體沉降(單位：mm)

4 結語

結合某城際鐵路基坑開挖工程實例，通過對基坑和建筑物進行數值模擬分析，得出以下主要結論。

1) 基于本文所采用的支護加固方案，基坑開挖后，鄰近柱頂端產生的最大位移為2.81 mm(B-02)，柱體水平和垂直2個方向上的垂直度均小于預警值0.12%，柱頂最大沉降值為0.89 mm，縱向和橫向沉降差最大值均小于預警值4 mm。因此，采用此加固方案后，基坑開挖過程對鄰近建筑物不造成安全影響。

2) 通過數值模擬基坑開挖對周圍建筑物分布區域地表土體位移和沉降的影響，結果表明，由于基坑開挖而引起的樁基附近地面(地表)土體的最大水平位移為1.16 mm，最大垂直位移4.66 mm，最大沉降4.82 mm。綜上所述，在該種支護體系圍護下的基坑開挖不會造成鄰近建筑物的安全問題。