基坑開挖和堆載對鄰近建筑物基礎的影響模擬

陳 家 康

(安徽鐵建工程有限公司，安徽 蚌埠 233000)

0 引言

伴隨著國家經濟的發展，我國城市化的進程日益加快，而施工技術的日趨成熟也使得城市化進程不斷推進。有限的城市用地使得土地的稀缺性顯得尤為突出，這使得許多已建成建筑物不可避免會受到其他工程活動的影響，例如基坑工程[1,2]，隧道工程[3]，地鐵盾構施工[4-6]和地下水抽取[7]等一系列的工程活動。其中，基坑工程中坑外的土體會由基坑開挖、鄰近堆載等工程建設活動引起應力重分布，地基土體不僅會由于二次固結導致不均勻沉降，而且附近結構也會因此受到水平荷載的作用[8]。在軟土地區，堆載則會對既有結構的穩定性產生很大影響[9-11]。基坑開挖和鄰近的堆載會造成結構基礎產生負摩阻力、附加彎矩和水平位移，如地基位移過大，將導致上部結構開裂，嚴重的甚至造成上部結構傾覆[12,13]。因此，研究基坑開挖與鄰近堆載對建筑物的影響具有重要的理論及現實意義。

1 數值計算簡介

1.1 工程背景

本文擬對上海市梅隴鎮26號地塊商品住宅項目蓮花河畔景苑7號樓的整體傾倒建立數值模型，考察結構應力、變形等特性，考察樓房整體傾倒原因。

據資料調查可知：上海市梅隴鎮26號地塊商品住宅項目共由12棟樓及地下車庫等16個單位工程組成。蓮花河畔景苑7號樓位于在建車庫北側，臨淀浦河。該樓于2008年年底結構封頂，同時期開始進行12號樓的地下室開挖。根據甲方的要求，土方單位將挖出的土堆在5號、6號、7號樓與防汛墻之間，距防汛墻約10 m，距離7號樓約20 m，堆土高約3 m～4 m。

2009年6月1日，5號、6號、7號樓前的0號車庫土方開挖，表層1.5 m深度范圍內的土方外運。6月20日開挖1.5 m以下土方，根據甲方要求，繼續堆在5號、6號、7號樓和防汛墻之間，主要堆在第一次土方和6號、7號樓之間20 m的空地上，堆土高約8 m～9 m。此時，尚有部分土方在此無法堆放，即堆在11號樓和防汛墻之間。6月25日11號樓后防汛墻發生險情，水務部門對防汛墻位置進行搶險，也卸掉部分防汛墻位置的堆土。6月27日，清晨5時35分左右大樓開始整體由北向南傾倒，在30 s內，就整體倒下，倒塌后，其整體結構基本沒有遭到破壞，甚至其中玻璃都完好無損，大樓底部的樁基則基本完全斷裂。由于倒塌的高樓尚未竣工交付使用，所以，事故并沒有釀成特大居民傷亡事故。

1.2 工程地質概況

土層分布詳細參數見表1。基礎類型：樁—十字條形基礎，埋深1.9 m，承臺底面標高-2.6 m；樁：PHC(預應力高強混凝土)管樁，共118根，樁長33 m；堆土：北面堆土面積有足球場那么大，最高處達10 m，由北向南造成的側向力約有3 000 t。

表1 地質資料及土層參數

1.3 計算模型及基本假定

本文采用ABAQUS CAE 2017軟件進行二維有限元分析，針對商品住宅項目蓮花河畔景苑7號樓工程，主要考慮基坑開挖和堆載對結構的應力變形影響。基本假定如下：

1)模型中土體采用各向均質同性彈塑性體，采用摩爾—庫侖本構模型；

2)擋土墻和建筑物基礎的樁均采用線彈性模型模擬；

由圖6可知，納米粒子熱失重可以分為2個階段，第1階段是從室溫升到100℃時，納米粒子的失重率為2.19%到1.26%之間，這主要是因為吸附溶劑的揮發所致；第2階段從100℃升到800℃，該階段樣品的質量流失則主要歸因于有機基團的分解。比較3與納米二氧化硅的熱失重，可以計算出納米粒子3中的氨基含量為 0.61 mmol/g。納米粒子4、5是以納米粒子3 為原料合成的，因此比較它們與納米粒子3的熱失重，可以計算出各自官能團的接枝率(表2)。從接枝率的數據可以看出，在納米粒子3合成4和5的反應中，并非所有的氨基完成了轉化，其中納米粒子4中的氨基轉化率較低，5的轉化率較高。

3)不考慮土體流變的影響。

ABAQUS的分析框架是按分析步(STEP)進行的，一般分析步可以模擬巖土工程分析的施工和運行順序。在某一個一般分析步中，不同的載荷可以按不同的順序施加到結構的不同部分，甚至載荷的大小可以隨時間變化。ABAQUS的計算框架本身就提供了過程分析的能力，可以方便地模擬各種施工過程。

盡管由于土是長期自然沉積形成的，在實際的工程中，天然地基沿深度方向的分布并非是均質的，而是沿深度方向層狀分布，但考慮到多層土在前期建模及后期數值計算中的復雜性，本文計算模型將地基土體簡化為一層土，地基土體的本構模型選取摩爾—庫侖(Mohr-Coulomb)強度理論，該模型對于大多數巖土工程問題具有較好的適用性，在工程界應用廣泛。

本文計算模型以商品住宅項目蓮花河畔景苑7號樓工程為背景，建立的模型分為三個部分，分別為土體、擋土墻和建筑物的基礎，裝配后的模型如圖1，圖2所示，基坑開挖的深度為10 m，擋土墻深度為20 m，建筑物的樁基礎同樣假設埋深為20 m。

模型底部限制其水平方向位移和豎直方向位移，水平方向的邊界都采用固定水平方向位移，上表面為地表面，設為自由邊界。在計算中，為滿足研究需求，本文參考實際工程定義模型參數，采取最簡化的模型，土體彈性模量為22 MPa，泊松比為0.2，土體重度為20 kN/m3，黏聚力8 kPa，內摩擦角為30°，剪脹角為0；擋土墻和建筑物地基均采用混凝土結構模擬，彈性模量為28 GPa，泊松比為0.15；擋土墻和樁基礎與土之間的摩擦角為30°，摩擦系數為0.577，在模型中，擋土墻和樁與土地接觸均為：切向方向的摩擦公式選取“罰”，法向選擇硬接觸。

1.4 數值模擬過程

在數值模擬研究過程中，基坑開挖和鄰近堆載造成的建筑物地基及樁產生的應力及變形不容忽視。本文二維模型中設定基坑為一次開挖，堆載為基坑開挖后施加壓強模擬堆載。數值分析過程如下：

1)建立初始應力狀態下的二維數值模型，并讓擋土墻和建筑物基礎均和土體一起在初始地應力下地應力平衡；

2)在建筑物基礎上施加150 kPa的壓強模擬建筑物的荷載；

3)將基坑開挖到指定位置(本模型中基坑開挖深度為10 m)；

4)在模型指定位置施加70 kPa的壓強代替模擬逐步增加的堆載，本模型中堆載中心距建筑中心距離為18.5 m。

在上述分析過程中，涉及到模擬基坑開挖方法的關鍵步驟為：

1)在模型建立時，土體模型部分建立兩個集合，一個集合為基坑開挖前的全部土體，另外一個集合為之后要開挖的土體；

2)在分析步中建立一個開挖土體的分析步，本文的模型定義為“Remove”，便于后面方便選取開挖的土體；

3)在相互作用中，在“Remove”分析步中定義一個型號改變的相互作用，使基坑開挖的土體在“Remove”這個分析步中無效，用以模擬基坑開挖工程。

2 數值模擬結果

本文主要模擬了三種不同的施工工況對樁和土體變形的影響：

1)工況1：模擬開挖基坑對樁和土體變形的影響，在這種情況中，不施加建筑物的荷載與外部土體的堆載，這種情況下的水平方向變形云圖如圖3所示。

2)工況2：模擬建筑荷載和開挖基坑對樁和土體變形的影響，在這種情況中，地應力平衡后，在建筑物基礎表面施加壓強，然后再開挖基坑，這種情況不施加堆載，水平方向最終變形云圖如圖4所示。

3)工況3：模擬建筑物荷載、基坑開挖和堆載對樁和土變形的影響，在這種情況中，地應力平衡后施加建筑物荷載，接著開挖基坑，最后施加堆載，水平方向最終變形云圖如圖5所示。

比較三種不同工況下的最終變形云圖可以看出，基坑底部基本沒有產生水平位移，基坑底部靠近擋土墻的土體向左發生位移，此外，擋土墻、建筑基礎和兩者間的土體同樣向左產生了位移。對本文分析的三種不同工況，模型中最大的位移均為擋土墻表面，而土體最大位移位置為靠近擋土墻處的土體，另外，當基坑外側鄰近土體受到荷載作用越大時，擋土墻向左產生的位移越小。

3 數值模擬分析

三種不同工況下，基坑開挖后不同深度處的擋土墻的水平位移值如圖6所示。從圖6中可以看出，基坑開挖后，由于開挖卸載的作用，會引起擋土墻向左發生位移，且開挖深度越深，擋土墻向坑內發生的位移越大。比較工況1與工況2可以看出，在開挖基坑之前，基坑外部有豎向荷載作用時，可以有效減少基坑開挖后擋土墻向坑內產生的變形；通過工況2和工況3還可以看出，當基坑開挖之后，遠處有外部荷載作用可減少基坑開挖后擋土墻向基坑內發生的變形。

基坑開挖與鄰近堆載對既有建筑物基礎的影響如圖7，圖8所示。比較工況1和工況2可以看出，基坑開挖將會導致建筑物樁基礎產生橫向變形，建筑物自身的荷載作用將使樁身頂部水平位移增大；比較工況2和工況3可以看出，施加堆載將使樁身底部水平位移增大，同時會減小樁身頂部的水平位移，從而會使樁身中部彎矩增大，鄰近樁樁身中部彎矩增大尤為明顯，使得樁身中部斷裂風險增大，這可能就是蓮花河畔景苑7號樓底部樁基完全斷裂的主要原因。

4 結論與建議

基坑開挖和堆載會改變已有建筑原有的平衡狀態，引起建筑的基礎產生很大的變形，誘發一系列的安全隱患。本文利用ABAQUS CAE 2017有限元分析軟件，采用數值模擬分析了基坑開挖和鄰近堆載對既有建筑物的影響，分析了不同工況對擋土墻和建筑物樁基礎的影響，主要得到的結論如下：

1)本文建立了基坑工程對既有建筑物的影響模型，能夠考慮基礎上部不同荷載，基礎鄰近堆載對擋土墻和建筑物樁身的影響，且可以通過改變荷載分析不同外荷載下基坑開挖對既有建筑的影響。

2)通過分析表明，當基坑開挖時，不論是開挖前和開挖后，在基坑外側一定距離施加一定強度的荷載能夠減少基坑開挖后擋土墻的水平變形。

3)基坑開挖將會導致建筑物樁基礎產生橫向變形，建筑物自身的荷載作用將使樁身頂部水平位移增大；施加堆載將使樁身中部彎矩增大，鄰近樁樁身中部彎矩增大尤為明顯，使得樁身中部斷裂風險增大。