砂土地層基坑開挖與鄰近建筑物相互影響關鍵參數分析

侯志強, 柏謙, 劉東升, 韓健勇, 曾宇昕, 劉東

(1. 中國中鐵四局集團第五工程有限公司, 九江 332000; 2. 東北大學資源與土木工程學院, 沈陽 110819; 3. 山東建筑大學土木工程學院, 濟南 250101)

基坑工程是城市發展、地下空間開發的重要手段[1]。基坑開挖不可避免地會對鄰近建筑物產生影響,而建筑物的存在也增加了基坑施工過程中的不確定性,進而提高設計風險[2]。因此,研究基坑與鄰近建筑物之間的相互影響對于基坑工程能否安全施工十分必要。

目前,已經有很多學者對基坑開挖引起的圍護樁和建筑物變形進行了研究。陶志剛等[3]通過數值模擬和模型試驗分析了基坑開挖引起的基坑應力、樁基應力和基坑位移變化規律。孫超[4]通過數值模擬結合現場監測得出了基坑開挖引起的周邊環境的變化規律。朱大鵬等[5]借助三維有限元模型研究了基坑開挖引起的地表沉降及鄰近建筑物變形規律。李帆等[6]通過數值模擬研究了基坑距離、基坑開挖深度對周圍建筑物沉降的影響。胡建林等[7]研究了不同圍護結構形式和各工序施工對鄰近建筑物的沉降影響,并提出了控制建筑物沉降的方法。朱亞林等[8]通過現場監測和數值模擬分析了深基坑開挖對鄰近建筑物沉降的影響。施有志等[9]在考慮土體小應變剛度行為的基礎上,研究了基坑開挖引起條形基礎、箱型基礎及樁基礎的多層建筑物的沉降變化規律。韓健勇等[10-11]基于現場實測數據深入分析了基坑開挖引起的樁體變形、樁頂位移和建筑物沉降等變化規律。范凡等[12]根據規律總結出基坑開挖對周邊環境影響的分區特征,提出了坑外開挖面深度以上土體沉降分布曲線的簡化計算公式。上述研究多集中在基坑開挖對建筑物沉降的影響,主要對基坑周邊環境進行了分析,缺乏對基坑與建筑物之間相互作用的研究。

鑒于此,現依托沈陽文化路深基坑工程實例,通過實測數據分析了基坑開挖對圍護樁變形的影響,然后通過建立數值模擬研究不同參數下基坑與建筑物基礎相互影響,為后續類似工程場地和相近工程的施工設計提供參考和借鑒。

1 工程背景

基坑開挖長度為108 m,寬度為62 m,總周長約360 m。北側為5層建筑物,高15 m,與基坑最小距離約10.5 m。東側為4層建筑物,高12 m,基礎形式均為條形基礎。建筑物方向與基坑平行,與基坑最近距離38 m。基坑與建筑物相對位置如圖1所示。基坑西北角基坑局部開挖深度約為7 m,如圖2所示。采用支護樁結合兩道預應力錨索共同支護,錨索的水平間距約為1.2 m,豎向間距約為3 m。圍護樁直徑為600 mm,樁間距為1 200 mm,樁長約為10 m。

圖1 基坑平面圖Fig.1 Plan of excavation

Nk指錨桿軸力圖2 西北角基坑支護剖面圖Fig.2 Profile of retaining of the excavation in northwest corner

2 現場監測分析

選取基坑周圍監測點的水平和豎向位移進行分析,從開挖基坑西北側開始監測,至基坑東側砼澆筑完成監測結束,各監測點的累計沉降值和水平位移值分別如圖3、圖4所示。

由圖3可知,隨著基坑開挖施作支護結構,基坑北側、西側和東側的監測點的沉降值隨監測日期逐漸增大并趨于穩定,基坑南側的監測點的沉降值在整個基坑開挖階段不發生變化。最大沉降值位于基坑北側的3號監測點處,最終沉降值為1.01 mm。與3號監測點相比,1號和5號監測點的沉降值分別減小71%和40%。由圖4可知,樁頂水平位移變化趨勢較豎向位移更劇烈,各監測點的水平位移隨監測日期的增長逐漸增大,最大水平位移同樣位于3號監測點,最大水平位移為7.02 mm。與3號監測點相比,1號和5號監測點的水平位移分別減小71.5%和70.79%。可以看出,基坑北側監測點位移大于基坑南側位移,基坑東側監測點位移大于基坑西側位移,本文認為這是由于基坑北側和東側存在建筑物引起的。在北側建筑物存在和只采用圍護樁支護兩個因素的影響下,中間部分基坑受到開挖的影響最大。東北角處的圍護樁距離建筑物較近,但由于該位置采用支護樁和兩道錨索共同支護,所以該處監測點受基坑開挖的影響比中間部分基坑小。

圖3 樁頂累計豎向位移Fig.3 Cumulative vertical deformation of the pile head of the retaining wall

3 數值模擬及結果

由前文分析可知,建筑物的存在會對基坑開挖引起的圍護樁位移產生明顯影響,而且對水平位移影響更大,為了更加深入地研究基坑開挖與建筑物之間的相互影響,利用Midas GTS NX有限元分析軟件建立數值模型,研究不同圍護結構抗彎剛度(0.5EI、EI、2EI)、不同建筑物層數(5層、10層、15層)、不同建筑物與基坑相對位置(用建筑物長邊軸線與基坑長邊軸線的夾角度數來表示,選為0°、30°、60°)等參數條件下,基坑開挖引起的圍護樁水平位移、建筑物沉降和水平位移變化規律。在開挖前會進行降水處理,因此數值模擬不考慮水的影響。

3.1 有限元模型

計算模型尺寸為200 m×150 m×20 m,如圖5所示。土體采用修正摩爾庫倫本構,實體單元建模;圍護樁采用彈性本構,梁單元建模;建筑物側墻和頂底板等采用彈性本構,板單元建模。模型底部固定,四周約束法向位移,模型共有121 377個單元,81 097個節點,土層及材料參數見表1。與現場實際施工步驟相同,整體基坑開挖從左向右分為三部分開挖,開挖深度分別為7 、5、8 m,每層開挖3 m,基坑第一部分共開挖3次,采用圍護樁結合錨桿組合支護;基坑第二部分共開挖2次,采用圍護樁支護;基坑第三部分共開挖三次,采用圍護樁結合錨桿組合支護,基坑錨桿支護位置如圖6所示。

表1 土層及材料參數Table 1 Soil layer and material parameters

圖5 計算模型圖Fig.5 Calculation model diagram

圖6 基坑錨索支護圖Fig.6 Diagram of foundation pit anchor cable support

3.2 數值模型驗證

為驗證數值模擬計算的準確性,選用1號、3號和5號監測點的水平位移模擬值與監測數據進行對比,對比結果如圖7所示。由圖7可知,基坑開挖過程中數值模擬的變化規律與監測值變化規律相同,且模擬值整體大于監測值,這是由于實際施工過程中,基坑開挖造成的土體損失速度比數值模擬土體鈍化速度慢,所以監測值小于模擬值。各監測點的模擬值與監測值的最大差距分別為14.74%、8.85%和14.81%,均在15%以內,可見本文采用的數值模型具有一定的準確性,可以應用于后續分析。

為便于分析不同參數下基坑開挖與建筑物的相互影響,在基坑和建筑物上布置監測斷面進行分析,位置如圖8所示。JZ1和JZ2分別表示建筑物上的兩個監測斷面,其中JZ1斷面上有9個監測點,從左至右分別為JZ1-1～JZ1-9,JZ2斷面上有7個監測點,從左至右分別為JZ2-1～JZ2-7。JK1和JK2分別表示基坑邊上的兩個斷面,命名規則與JZ1和JZ2相同。

圖7 1號、3號和5號監測點水平位移對比Fig.7 Comparison of horizontal displacement of No. 1, No. 3 and No. 5 monitoring points

圖8 圍護樁和建筑物分析點Fig.8 Analysis point of retaining pile and building

3.3 數值模擬結果分析

3.3.1 圍護樁剛度對基坑開挖穩定性的影響

1)建筑物基礎沉降和水平位移

提取不同基坑圍護樁剛度條件下建筑物基礎的沉降和水平位移,如圖9、圖10所示。

JZ1距離基坑較遠,最近距離為26 m,最遠距離34 m,隨基坑圍護樁剛度變化JZ1上監測點沉降及水平位移變化較小,變化幅度均在5%以下。JZ2距離基坑邊緣最近距離10.5 m,隨基坑圍護樁剛度增大,基坑開挖產生的卸荷作用對建筑物的影響逐漸減小,建筑物基礎沉降及水平位移均減小。由建筑物基礎不同位置變形可以看出,當建筑物距基坑距離小于1.3倍基坑開挖深度時,建筑物變形受基坑圍護結構剛度影響較大;當建筑物距基坑距離大于1.3倍基坑開挖深度時,建筑物變形基本不受基坑圍護結構剛度影響。

圖9 不同圍護樁下基礎沉降Fig.9 Foundation settlements influenced by various retaining piles

圖10 不同圍護樁下基礎水平位移Fig.10 Horizontal displacement of foundation influenced by various retaining piles

2)圍護樁水平位移變化規律

提取不同基坑圍護樁剛度情況下的JK1、JK2圍護樁水平位移,如圖11所示。

由圖11可以看出,圍護樁作為基坑開挖的主要圍護結構,對基坑開挖穩定性影響很大。基坑開挖過程,圍護樁產生向基坑內側的水平向位移。圍護樁JK1邊長58 m,采用圍護樁與錨索組合支護。當圍護樁剛度由0.5EI增加到EI時,圍護樁水平位移最大值減小41.6%;圍護樁剛度由EI增加到2EI時,圍護樁水平位移最大值減小35.7%,圍護樁水平最大值分別為11.96、7.10、4.49 mm。圍護樁JK2邊長25.8 m,為距離基坑北側建筑物最近的基坑位置。不同剛度下JK2邊圍護樁最大水平位移分別為2.28、2.05、1.92 mm,隨圍護樁剛度增加水平位移分別減小10.08%、6.3%。通過對比不同圍護樁剛度情況下圍護樁水平位移可以看出,基坑開挖過程應對開挖長邊進行重點支護。應采用組合支護、分層分塊開挖、放坡開挖等方式,保證基坑開挖過程施工安全性。

圖11 不同圍護樁下圍護樁水平位移Fig.11 Horizontal displacement of retaining piles influenced by various retaining piles

3.3.2 不同建筑物層數對基坑開挖穩定性的影響

1)建筑物基礎沉降和水平位移

提取不同北側建筑物層數情況下的建筑物基礎沉降及水平位移,如圖12、圖13所示。

建筑物JZ1邊長22.7 m,JZ2邊長17 m。因北側建筑物不規則形狀,隨建筑物層數增加,建筑條形基礎均勻分擔建筑物自重,JZ1沉降變化較小,建筑物從5層增大到15層時,JZ1沉降最大值增加4.6%。建筑物層數增加導致自重增加,對建筑物周圍土體產生更多的水平向擠壓作用,JZ1水平位移變化明顯,最大值分別增加19.5%和6.0%。JZ2邊因距離基坑最近,當建筑物層數增加時,受到建筑物自重增加及基坑圍護樁約束的共同作用,JZ2建筑物基礎沉降及水平位移變化明顯。建筑物層數每增加5層(15 m),JZ2建筑物水平位移增加10%,JZ2建筑物基礎沉降增加8%。

2)基坑圍護樁水平位移變化規律

提取不同建筑物層數情況下的基坑圍護樁JK1、JK2邊水平位移,如圖14所示。

圖12 不同建筑物層數下基礎沉降Fig.12 Foundation settlements influenced by various building layers

圖13 不同建筑物層數下基礎水平位移Fig.13 Horizontal displacement of foundation influenced by various building layers

圖14 不同建筑物層數下圍護樁水平位移Fig.14 Horizontal displacement of retaining piles influenced by various building layers

由圖14可以看出,距離建筑物距離較遠的JK1位置圍護樁基本不受建筑物層數影響,圍護樁水平位移基本無變化。JK2位置圍護樁水平位移隨建筑物層數增加而變大,建筑物層數增加5層,JK2位置圍護樁水平位移增加5.5%。

3.3.3 建筑物與基坑相對位置對基坑開挖穩定性的影響

基坑開挖過程中,周圍建筑物與基坑相對位置對建筑物安全性有重要影響。本工程建筑物與基坑平行,為探究建筑物位置對基坑開挖過程安全性的影響,以建筑物JZ2最右側點為中心,分別順時針旋轉建筑物30°和60°。

1)建筑物基礎沉降和水平位移

提取不同建筑物位置情況下建筑物基礎沉降及水平位移結果,如圖15、圖16所示。

由圖16可知,當建筑物與基坑的夾角為30°時,建筑物基礎的最大沉降為1.707 mm,最大水平位移為0.708 mm。當建筑物與基坑的夾角為60°時,建筑物基礎的最大沉降為1.345 mm,最大水平位移為0.476 mm,且夾角為30°和60°時的水平位移變化趨勢相同。可以看出建筑物與基坑的夾角在30°以上時,基坑開挖引起的建筑物基礎變形較小。與夾角為0°時相比,同一位置處建筑物基礎的沉降分別減小約81.23%和88.59%,水平位移分別減小約86.85%和91.16%。由此可見,開挖過程中,建筑物與基坑的相對位置對建筑物基礎變形的影響十分明顯。

圖15 不同建筑物位置下基礎沉降Fig.15 Foundation settlements influenced by various building locations

圖16 不同建筑物位置下基礎水平位移Fig.16 Horizontal displacement of foundation influenced by various building locations

2)基坑圍護樁水平位移變化規律

提取不同建筑物位置情況下基坑圍護樁JK1、JK2位置水平位移,如圖17所示。

由圖17可以看出,基坑北側建筑物的存在對基坑圍護樁水平位移產生較大影響。當建筑物與基坑平行時,對基坑周圍土體施加外荷載,基坑圍護樁JK1位置最大水平位移約為7.1 mm,JK2位置最大水平位移約為2.05 mm。當建筑物與基坑的夾角為30°時,JK1位置圍護樁最大水平位移為0.74 mm,減小89.6%,JK2位置圍護樁最大水平位移為0.61 mm,減小75.6%。當建筑物與基坑的夾角為60°時,JK1、JK2位置圍護樁水平位移基本保持不變。

圖17 不同建筑物位置下圍護樁水平位移Fig.17 Horizontal displacement of retaining piles influenced by various building locations

由此可見,當建筑物與基坑水平夾角大于30°時,建筑物與基坑平均距離大于40 m(5倍基坑開挖深度),建筑物產生的荷載不再對基坑圍護結構產生側向擠壓作用,基坑圍護結構水平位移明顯減小。

4 結論

(1)建筑物的存在會對基坑開挖產生影響,采用圍護樁結合錨索支護會顯著減小基坑開挖引起的圍護樁變形。

(2)基坑開挖引起的建筑物基礎沉降和水平位移隨圍護樁剛度的增加變化幅度較小,均在5%以內;圍護樁剛度的增加對基坑開挖引起的樁頂水平位移影響顯著,應對靠近建筑物的基坑開挖長邊進行重點支護。

(3)靠近基坑的建筑物基礎沉降和水平位移受建筑物層數影響較為明顯。建筑物層數每增加5層,建筑物基礎的沉降和水平位移分別增加約8%和10%,靠近建筑物的基坑圍護樁水平位移增加約5.5%。

(4)基坑開挖過程中,建筑物與基坑的相對位置對建筑物基礎變形和圍護樁水平位移的影響均十分顯著。在建筑物與基坑的夾角在30°以上時,基坑開挖引起的建筑物基礎變形均在2 mm以內,引起的圍護樁水平位移均在0.8 mm以內。