鄰近建筑物荷載對深基坑坑角效應分析

肖羅發(fā) 邱紅勝 朱萬鑫 黃偉洪

(武漢理工大學交通與物流工程學院1) 武漢 430061) (珠海航空城工程建設有限公司2) 珠海 519040)

0 引 言

在修建有著復雜結構的建筑物時，有時必須在常規(guī)深基坑中開挖小型基坑，即坑中坑型深基坑.在深基坑工程中，基坑坑角側墻提供了額外的約束,相較于非坑角的側墻擁有更高的系統(tǒng)剛度,坑角附近的變形和受力受到應力集中的影響，其變形偏小，稱為坑角效應.Zhandos等[1]通過對實際工程的監(jiān)控分析，研究得出基坑開挖引起的地表沉降模式可分為“三角形”及“凹槽形”兩種,地基沉降的適用范圍分別為有懸臂式支護結構的基坑和有內支撐支護的基坑.Moorak[2]進一步拓展，提出了地表沉降主影響區(qū)及次影響區(qū)的概念，得到了“三角形”及“凹槽形”地面沉降模式的深度和位移的折現(xiàn)圖.

對于建筑物與基坑相互影響的研究已成為近年來的研究熱點.張艷書等[3]通過對實際工程的監(jiān)控觀察，研究了基坑開挖對附近建筑物的影響，提出了三種推導建筑物損害的方法，認為考慮土體水平位移的預測方法更為準確.錢天平[4]對某在建基坑進行監(jiān)控，利用有限元進行了建模分析.Finno等[5]研究了不同結構類型的建筑物對基坑的影響，結合有限元分析方法，提出了對建筑物損害的預測因結合結構開裂前后的表現(xiàn)形式.Blackburn等[6-7]研究了不同軟土層厚度、埋置深度以及基坑的開挖深度對基坑的影響，系統(tǒng)地分析了狹長型基坑中這些因素對基坑周圍地表沉降的影響規(guī)律.

以上研究都是側重于普通深基坑，也沒有將鄰近建筑物對基坑產(chǎn)生的坑角效應對圍護結構的影響進行具體的分析.文中結合實際工程，通過有限元分析軟件MIDAS GTSNX對其進行模擬，分析在鄰近建筑物荷載作用的條件下，基坑陰角及陽角附近的坑角效應，得到了陰角及陽角坑角效應的影響范圍及規(guī)律.

1 工程概況和模型建立

1.1 工程環(huán)境概況

某在建大型辦公樓及其附屬設施由一座35層搞得塔樓和8層的裙樓組成，基坑為坑中坑異性深基坑.工程周圍的主要環(huán)境見圖1，基坑北部和東部為城市主干道，交通量較大；南側為某公司的6層辦公樓和其附屬廠庫；西側為一小區(qū)，多為老式的磚混構造，基礎埋深2 m.

圖1 基坑周圍環(huán)境圖

1.2 基坑的圍護體系

綜合考慮到基坑的環(huán)境和周圍建筑物的安全后，決定采用φ1 000@1 300、φ1 200@1 500兩種類型鉆孔灌注樁，混凝土等級為C35，共331根.由于工程復雜，采用了31 m和38 m兩種深度的支護樁.為簡化建模的操作和方便計算分析，文中將支護樁等代替換為地下連續(xù)墻，相關計算公式為

EIP=E(πD4/64S)

式中：E為混凝土彈性模量；Ip為每延米地下連續(xù)墻抗彎剛度，IP=h3/12，h為等效地連墻厚度,m；D為支護樁直徑,m；S為相鄰支護樁樁芯距,m.

對φ1 000@1 300和φ1 200@1 500的支護樁進行等剛度替換得到地下連續(xù)墻厚度分別為h1=0.768 m和h2=0.934 m.

基坑內部的支護結構采用了內支撐加支護樁的形式，設置3道內支撐，通過角撐加對撐的形式構成了穩(wěn)定的內支撐體系.第一道內支撐中心標高為-1.0 m，所用鋼筋的截面大小為0.9 m×0.9 m；第二道內支撐中心標高為-11.00 m，鋼筋截面為1.4 m×1.2 m.在這兩道支撐之外為加強坑中坑附近的支護體系強度，在坑中坑處設置了第三道內支撐，中心標高為-16.0 m，鋼筋截面為1.2 m×1.2 m.為使支護體系更加完整和牢固，還設置了一道冠梁和兩道腰梁.冠梁鋼筋截面為1.4 m×0.8 m、腰梁鋼筋截面為1.6 m×1.2 m、1.5 m×1.2 m，與內支撐均采用C40混凝土澆筑.坑中坑位置及內支撐布置見圖2.

圖2 內支撐及坑中坑位置示意圖(單位：m)

1.3 模型建立

根據(jù)文獻[4]的研究結果，基坑建模的最佳尺寸為：縱向為開挖深度的2～4倍，水平方向為開挖深度的3～5倍.本工程中，外坑開挖深度為19 m，坑中坑開挖深度為26 m.綜合考慮后，決定后基坑模型大小為342 m×283 m×80 m.建成后的基坑模型見圖3.

圖3 基坑總體模型圖

土體的本構模型采用修正Mohr-Coulomb本構模型.為簡化計算和分析的時間，平衡計算效率和計算精度的關系，假設土體在所屬土層中完全均勻完整的分布，經(jīng)過考慮取舍后，只保留雜填土、粉質黏土、中分化粉砂質泥巖、微分化粉砂質泥巖.根據(jù)地參報告各土層物理參數(shù)見表1.

表1 各土層物理力學參數(shù)

確定各支護結構的材料參數(shù)，為方便建模將鉆孔灌注樁運用等剛度替換的方法轉換為地下連續(xù)墻，各組成部分參數(shù)見表2.

表2 各支護結構材料及參數(shù)表

支護結構的單元模型建立見圖4.

圖4 圍護結構單元布置圖

根據(jù)工程實際的開挖順序，將開挖過程分為九個工況.

1) 地應力平衡，位移清零 建立四層水平土體，并對土體施加重力荷載，提供土體的初始應力場并消除土體自重沉降位移.

2) 建筑物的修建，位移清零 建立鄰近建筑物的基礎，并依據(jù)相關規(guī)范，以每層15 kPa將建筑物荷載等代施加在基礎上，從而將建筑物的影響引入模型；模型計算得到加入建筑物施作后的應力場，并且消除建筑物修筑引起的位移.

3) 地連墻及立柱樁施作，位移清零 激活地下連續(xù)墻及立柱樁，模擬地下連續(xù)墻及立柱樁的施工，同時利用位移清零，消去施工引發(fā)的土體位移.

4) 第一次開挖 開挖至-2 m，并施作冠梁及第一道內支撐.

5) 第二次開挖 挖至-8 m.

6) 第三次開挖 開挖至-14 m，施作第一道腰梁及第二道內支撐.

7) 第四次開挖 開挖至外坑基底(-19 m)，施作第二道腰梁及第三道內支撐.

8) 坑中坑地連墻施加作用力.

9) 第五次開挖 開挖至坑中坑基底(-26 m).

1.4 模型驗證

為驗證所建模型的合理性和計算結果的精度，本文選取了鉆孔灌注樁中的7號樁進行了監(jiān)控.僅選取工況⑤和工況⑥進行對比選取各階段圍護結構最大水平位移值及最大水平位移深度，見表3.

表3 圍護結構最大水平位移表

由表3可知：在最大位移處僅有8%的誤差，可以認為建立的模型比較好的模擬了實際情況.

2 模擬結果分析

為了研究在附近有建筑物的條件下坑角效應對基坑支護結構的影響，本文將指定一個基礎大小為20 m×10 m的建筑物，規(guī)定建筑物與基坑邊緣大的水平距離為10 m，分別作用于基坑陽角與陰角附近，得出其對基坑圍護結構的影響范圍差異.建筑物與基坑位置見圖5.

圖5 建筑物相對基坑位置

2.1 陰角附近的坑角效應分析

由于坑角效應的影響，當建筑物與坑角水平距離D不同的情況下，鄰近建筑物對圍護結構將產(chǎn)生不同的影響.選取建筑物平面大小為20 m×10 m，建筑物與基坑邊長水平距離B為10 m，分別將建筑物作用在陰角及陽角附近，得出鄰近建筑物作用受坑角效應的影響規(guī)律及其對圍護結構影響范圍的差異.

由于文中所用的實際工程中包含一個坑中坑，其會對下面將要進行的對圍護結構的受力分析產(chǎn)生不必要的影響，因此下面選取常規(guī)深基坑開挖至-19 m作為分析的工況.當建筑物荷載p分別作用于距陰角D為0，10，20，35，50 m處時，東側圍護結構水平方向位移云圖見圖6.

圖6 各開挖階段圍護結構水平變形云圖

由圖7可知，當距離D逐漸增大時，東側圍護結構的最大水平位移也同時增大，最大位移發(fā)生的位置也同時隨之變化.無建筑物作用時最大位移發(fā)生在距陰角46 m處，D=10 m時，最大位移發(fā)生在距陰角41.5 m處；而當D增大到50 m時，最大水平位移發(fā)生位置又重新回到了距陰角46 m附近.

提取不同工況下，建筑物位置對應圍護結構的水平位移見圖7.各建筑物與陰角水平距離D下圍護結構水平變形見圖8.

圖7 不同工況下下圍護結構水平變形圖

圖8 各建筑物與陰角水平距離D下圍護結構水平變形圖

由圖7可知，在鄰近建筑物荷載的作用下，圍護結構的水平位移隨深度的變化規(guī)律并為改變，均是沿深度先增加后回落的表現(xiàn)形式，同時可以看出相較于無鄰近建筑物的0號對照組，最大水平位移均明顯增長，當D=10 m時，圍護結構最大水平位移δmax為6.207 mm，較無建筑物模型該處位移的5.304 mm增長了17.02%；當D=50 m時，則增長了22.26%.故，鄰近建筑物的作用受坑角效應影響顯著.

為分析在坑角效應影響下，鄰近建筑物對圍護結構影響的范圍，從模型中提取D=0，10，20，35，50 m的情況下，基坑開挖至-19 m時，-16 m深處靠近建筑物一側的圍護結構的水平變形見圖9.

圖9 -16 m深處圍護結構處水平位移圖

由圖9可知，在距坑角小于10 m的范圍內和超過80 m的范圍外時，6段曲線幾乎重合，可知在建筑物從D=10 m變化到D=50 m的過程中，對超過坑角80 m的范圍外的圍護結構水平位移δ幾乎沒有影響.其原因可能為：內支撐在基坑坑中坑上方加入了第三道內支撐進行加固，圖2恰好在80 m的范圍外，且該處圍護結構厚度為0.934 m，剛度較大；所以當圍護結構距陰角d大于80 m以上時，鄰近建筑物對該處圍護結構幾乎無影響；而當d在0-10 m的范圍內時無影響，其原因可能為：坑角處有坑角效應且變化陡峭因此在極小的范圍內無影響.

2.2 陽角附近的坑角效應分析

取基坑開挖至-19 m時，鄰近建筑物作用在與陽角水平距離D分別為15，25，35，40，45 m條件下，陽角附近東側圍護結構水平方向位移云圖見圖10.

圖10 各建筑物與陽角水平距離D下圍護結構水平變形云圖

由圖10可知，當有鄰近建筑物影響時，陽角附近的圍護結構的水平變形云圖呈現(xiàn)由內向外環(huán)形擴散狀，中部部分水平位移δmax大，向四周擴散時逐漸減小，但其增大趨勢逐漸減小.建筑物距陽角D=15 m時，圍護結構最大水平位移δmax為8.873 mm；D=35 m時，最大水平位移為10.008 mm；D繼續(xù)從35m增大至45 m時，圍護結構最大水平位移保持在10.010 mm附近.當D從15 m增大至45 m時，建筑物所處位置對應的圍護結構與無建筑物同處圍護結構水平位移對比圖見圖11.

圖11 不同工況下圍護結構水平變形圖

由圖11可知，相比于對照組無鄰近建筑物，有鄰近建筑物的部分水平位移隨深度的變化規(guī)律沒有改變，均為隨著深度增加，先增大在逐漸回落的過程.但最大水平位移的增加明顯.當D=15 m時，圍護結構最大水平位移δmax相較無建筑物時增大了11.3%；當D=40 m時，則加大到18.6%.分析原因為：當D=15 m時，即所取圍護結構距陽角15 m，該處受到陽角坑角效應的影響，綜合第三道內支撐布設位置影響，圍護結構水平位移發(fā)展相對較小；而當D=40 m時，所取圍護結構距陽角40 m，幾乎不受陽角處坑角效應的影響，且受第三道內支撐的影響較小，故而圍護結構水平位移增速較D=15 m時增速大.

為分析各建筑物與陽角水平距離D變化下，鄰近建筑物對圍護結構水平位移的影響范圍，提取各模型中，-14 m處圍護結構的水平位移見圖12.

圖12 -14 m處圍護結構水平位移圖

由圖12可知，建筑物與陽角水平距離D不同時，其對各處圍護結構的影響也不一.陽角處圍護結構變形相較陰角處圍護結構更易受到外荷載影響.分析其原因可能為相對于陰角一側在陽角一側并沒有內支撐的強化和鋼筋的強化，所以全段都會受到鄰近建筑物的影響.

3 結 論

1) 當鄰近建筑物與坑角水平距離D從0～50 m的過程中，靠近建筑物一側的圍護結構的水平位移與深度的變化與無鄰近建筑物時相比變化規(guī)律沒有變化，同樣為隨著深度先增加后慢慢回落的變化規(guī)律，但由于鄰近建筑物施加的荷載使圍護結構最大變形δmax產(chǎn)生了顯著的差異.在陰角附近，當D=20 m時，圍護結構最大水平位移δmax為8.744 mm，較無建筑物模型該處位移增長了1.626 mm；當D=50 m時，則增長了1.893 mm.對于陽角處，當D=35 m時，圍護結構最大水平位移δmax相較無建筑物時增長了1.380 mm，增大了17.9%；當D=45 m時，增速則加大到18.6%.

2) 坑角效應影響了鄰近建筑物對深基坑圍護結構的變形程度.當建筑物距坑角水平距離D較小時，建筑物影響的范圍及程度均受到了坑角效應的限制，表現(xiàn)為對圍護結構的橫向變形的抑制，具體表現(xiàn)為：基坑坑角側墻提供了額外的約束,相較于非坑角的側墻擁有更高的系統(tǒng)剛度,坑角附近的變形和受力受到應力集中的影響，其變形偏小.當建筑逐漸原理坑角時表現(xiàn)為圍護結構的變形增速呈現(xiàn)上升趨勢，說明坑角效應的影響在降低，基坑圍護結構不再受到基坑坑角側墻提供的額外約束的影響.

3) 圍護結構變形規(guī)律不隨距坑角水平距離d增大而變化，僅圍護結構的最大水平位移δmax隨距坑角水平距離d的增大而增大，且增大幅度逐漸減小，最后趨于定值.在本工程中，陽角處坑角效應影響范圍大于陰角影響范圍.由于基坑坑角效應的存在，在設計過程中，可以考慮減小基坑陰角附近圍護結構的強度及剛度，并可考慮減小陰角附近內支撐密度，且增大對基坑陽角的支護，以保證工程安全性的前提下，降低成本.