基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響研究

唐 鈴，劉 娟，宗 麗

(四川省冶勘設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，成都 610000)

1 概 述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)城市化進(jìn)程呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢(shì)，城市人口愈來愈多，城市可用土地資源愈加緊張。因此，越來越多的高層建筑出現(xiàn)，并且建筑變得更加的密集，這就導(dǎo)致了基坑工程向著更深、面積更大的方向發(fā)展，基坑工程也變得愈加的復(fù)雜。深基坑工程的施工會(huì)給周邊環(huán)境及周邊構(gòu)建筑物帶來嚴(yán)重的影響，甚至危害其安全，這給基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來巨大的挑戰(zhàn)。

眾多科研工作者對(duì)基坑開挖工程問題進(jìn)行了一系列的研究，并取得了豐碩的科研成果[1-3]。李淑等[4-5]基于北京某地鐵車站基坑工程，利用有限元軟件建立三維耦合模型，對(duì)基坑施工過程進(jìn)行模擬，獲得周邊地表的變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，總結(jié)了深基坑工程施工對(duì)周邊環(huán)境的影響規(guī)律。周大勇[6]基于天津某高層建筑的深基坑工程，通過對(duì)周邊建筑和地表的監(jiān)測(cè)，獲得了周邊地表和建筑物的變形規(guī)律，進(jìn)一步結(jié)合數(shù)值模擬手段，通過對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形分析，研究了敏感參數(shù)的影響。孫鈞[7]基于某實(shí)際基坑工程，研究地下連續(xù)墻支護(hù)對(duì)周邊環(huán)境的影響，并提出了預(yù)防措施。國(guó)外學(xué)者也對(duì)基坑工程施工對(duì)周邊構(gòu)建筑及環(huán)境的影響做了大量的研究[8-10]。本文基于某基坑工程，對(duì)地下連續(xù)墻支護(hù)效果進(jìn)行研究，所得結(jié)論對(duì)于今后類似工程具有重要的參考和借鑒價(jià)值。

2 工程概況

某擬建大型商業(yè)中心周邊建筑物較多，環(huán)境復(fù)雜。工程總建造面積273 262 m2，地下室面積24 701 m2，該高層建筑集辦公用房、會(huì)展中心、酒店、會(huì)議等功能，地下共5層。本工程基坑深度為17.1 m，基坑工程采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)，地連墻深度約28 m，共4層內(nèi)支撐。

該高層建筑基坑所處地層主要為黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂性土。地質(zhì)縱斷面見圖1，各土層巖性特征見表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

3 深基坑的數(shù)值模型

3.1 有限元模型的建立

圖2為模型示意圖及網(wǎng)格劃分圖。模型整體尺寸為300 m×150 m×50 m?；由疃葹?7 m，基坑支護(hù)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐聯(lián)合支護(hù)，從基坑頂部起分別在1.4、5、8和12.7 m共設(shè)置4道。

圖2 模型示意圖及網(wǎng)格劃分圖

3.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)當(dāng)?shù)乜碧綀?bào)告，土體取值見表1。地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐參數(shù)取值見表2。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.3 模擬過程

數(shù)值模擬過程嚴(yán)格按照實(shí)際工程設(shè)置，具體施工步見表3。

表3 具體施工步

4 計(jì)算結(jié)果分析

圖3為基坑開挖后豎向位移云圖。從圖3中可以看出，邊坡的位移場(chǎng)符合一般規(guī)律，表明計(jì)算參數(shù)、計(jì)算邊界條件、施工步驟的設(shè)計(jì)較為合理，為后續(xù)計(jì)算獲得合理結(jié)果奠定了基礎(chǔ)。

圖3 基坑開挖后豎向位移云圖

4.1 地下連續(xù)墻厚度的影響

本節(jié)研究不同地下連續(xù)墻厚度下基坑施工對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的影響。分別建立4種不同地連墻厚度模型，即0.6、0.8、1.0和1.2 m(研究中控制其他變量不變，只改變地連墻厚度)，取基坑長(zhǎng)邊的中點(diǎn)橫斷面進(jìn)行分析。

圖4為4種地連墻厚度工況的地連墻水平位移曲線。圖4中可以看出，地表處地連墻無變形，其水平位移沿著地連墻的深度迅速增大，在地連墻中部約14 m處變形達(dá)到峰值，隨后又迅速減小，直至趨于穩(wěn)定。當(dāng)?shù)剡B墻厚度為0.6 m時(shí)，其最大水平位移為5.5 cm；當(dāng)?shù)剡B墻厚度增大至0.8、1.0和1.2 m時(shí)，其最大水平位移分別減小至4.2、3.5和3.2 cm，較厚度0.6 m工況分別減小24%、37%和42%。可見，地連墻厚度對(duì)地連墻自身變形有顯著影響。但是隨著地連墻厚度的增大，這種影響越來越弱。因此在實(shí)際施工時(shí)，考慮對(duì)施工成本的控制，應(yīng)合理選擇地連墻厚度。

圖4 不同地連墻厚度工況的地連墻水平位移曲線

不同地連墻厚度工況下的地表沉降見圖5。從圖5中可以看出，基坑施工對(duì)距離基坑10 m范圍內(nèi)地表土體引起沉降最為顯著，隨著距離的增大，基坑施工的影響越來越小，當(dāng)距離基坑超過50 m，基坑施工不會(huì)引起地表土體沉降。基坑施工引起的地表最大沉降發(fā)生在距離基坑8 m處。當(dāng)?shù)剡B墻厚度分別為0.6、0.8、1.0和1.2 m時(shí)，最大地表沉降分別為1.9、1.25、0.88和0.65 cm。可見，地表變形與地連墻厚度呈現(xiàn)反相關(guān)，即地表變形隨著地連墻厚度增大而減小。但隨著地連墻厚度增大，這種地表變形減小幅度越來越小。因此，不能一味地增大地連墻厚度，不經(jīng)濟(jì)。

圖5 不同地連墻厚度工況下的地表沉降曲線

4.2 內(nèi)支撐剛度的影響

本節(jié)研究不同內(nèi)支撐剛度下基坑施工對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的影響。分別建立4種不同剛度模型，即0.5E、1.0E、1.5E和2.0E(研究中控制其他變量不變，只改變內(nèi)支撐剛度)。同樣，取基坑長(zhǎng)邊的中點(diǎn)橫斷面進(jìn)行分析。

圖6為不同內(nèi)支撐剛度下的地連墻水平位移曲線。圖6中可以看出，地連墻變形規(guī)律與上述規(guī)律一致。當(dāng)內(nèi)支撐剛度為0.5E、1.0E、1.5E和2.0E時(shí)，地連墻最大水平位移分別為6.0、4.2、3.2和2.8 cm?？梢?，內(nèi)支撐剛度同樣對(duì)地連墻變形有顯著影響，但是這種影響隨著內(nèi)支撐剛度的增大逐漸減弱。因此在實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)該合理選擇內(nèi)支撐剛度。

圖6 不同內(nèi)支撐剛度下的地連墻水平位移曲線

不同內(nèi)支撐剛度下的地表沉降見圖7。當(dāng)內(nèi)支撐剛度為0.5E、1.0E、1.5E和2.0E時(shí)，地連墻最大水平位移分別為2.1、1.25、0.85和0.78 cm?？梢姡瑑?nèi)支撐剛度同樣對(duì)周邊環(huán)境有顯著影響，且影響隨著剛度增大逐漸變小。

圖7 不同內(nèi)支撐剛度下的地表沉降曲線

4.3 數(shù)值結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖8分別為地連墻水平位移和地表沉降的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對(duì)比結(jié)果(地連墻厚度為0.8 m，內(nèi)支撐剛度1.0E)。由圖8中可以看出，實(shí)測(cè)結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果的變化趨勢(shì)同樣一致。由圖8(a)可知，地連墻最大水平位移的數(shù)值結(jié)果為4.2 cm，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果為4.4 cm，兩者誤差在10%以內(nèi)。由圖8(b)可知，地表最大沉降的數(shù)值結(jié)果為1.25 cm，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果為1.3 cm，兩者誤差同樣在10%以內(nèi)，均在合理范圍之內(nèi)。綜上所述，對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性。

圖8 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比

5 結(jié) 論

本文采用地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑工程，利用Plaxis 3D有限元軟件對(duì)施工過程進(jìn)行模擬，獲得了地連墻和地表沉降變形規(guī)律，并研究了地連墻厚度和內(nèi)支撐剛度的影響。同時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比。得到以下結(jié)論：

1)地連墻水平位移沿著地連墻深度先迅速變大后迅速減小，最大位移發(fā)生在地連墻中部約14 m處；地表沉降隨著距基坑距離越來越小，且基坑施工對(duì)距離基坑10 m范圍內(nèi)地表土體影響最為顯著。

2)地連墻和地表變形隨著地連墻厚度增大而減小，隨著內(nèi)支撐剛度增大也隨之減小。但其影響隨著地連墻厚度和內(nèi)支撐剛度的增大而逐漸減弱。