陳運(yùn)榮，趙永獻(xiàn)

(浙江城建勘察研究院有限公司，浙江杭州 310005)

鄰近建筑基坑施工對(duì)周圍環(huán)境影響的數(shù)值模擬

陳運(yùn)榮，趙永獻(xiàn)

(浙江城建勘察研究院有限公司，浙江杭州 310005)

針對(duì)某鄰近建筑的基坑開挖施工，建立了考慮土與結(jié)構(gòu)物作用的三維有限元數(shù)值模型，通過對(duì)基坑開挖過程的數(shù)值模擬分析，研究了圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建筑的位移變化。結(jié)果表明：基坑開挖造成了基坑坑底土體向上隆起，引起了鄰近建筑發(fā)生豎向沉降，合理的施工過程可以保證建筑結(jié)構(gòu)安全性控制在允許范圍之內(nèi)。同時(shí)，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比良好的一致性，也驗(yàn)證了有限元數(shù)值模擬用于地下結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)中的合理性。

基坑開挖; 周邊建筑; 安全性; 數(shù)值模擬; 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和改革開放所取得的驕人成績(jī)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)也高速增長(zhǎng)，各種大中型建設(shè)項(xiàng)目如雨后春筍般蓬勃興起[1]。地基與基礎(chǔ)工程作為建筑領(lǐng)域的前期和基礎(chǔ)性工作，經(jīng)過了無數(shù)科技工作者進(jìn)行理論上的探討和研究，從勘察、設(shè)計(jì)、施工到監(jiān)測(cè)均已達(dá)到一個(gè)全新的水平，工程質(zhì)量、安全、工期均得以優(yōu)化[2]。在城市建設(shè)過程中，大量基坑工程緊鄰已有建筑或建筑群[3]，基坑施工過程中的開挖卸荷導(dǎo)致坑底土體變形隆起[4]。土體變形造成周邊環(huán)境的不穩(wěn)定，地表土體沉降[5-6]，從而導(dǎo)致周邊建筑的正常使用受到較大影響甚至造成嚴(yán)重危害[7]，為保證基坑開挖過程中周邊建筑的安全，須嚴(yán)格控制基坑圍護(hù)方案并對(duì)施工過程嚴(yán)密監(jiān)管[8]。

本文建立了考慮周邊建筑的基坑施工三維有限元數(shù)值分析模型，以實(shí)現(xiàn)基坑開挖對(duì)鄰近周邊環(huán)境影響的數(shù)值模擬，研究基坑開挖引起的建筑結(jié)構(gòu)的沉降變形和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力分布規(guī)律，對(duì)基坑施工安全性給予評(píng)價(jià)。

1 工程概況

1.1 基坑工程概況

基坑呈狹長(zhǎng)型，南北長(zhǎng)80 m，東西寬130 m，周長(zhǎng)420 m，面積約為10 495 m2，開挖深度6.6 m?；又ёo(hù)采用φ700@850灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，入土深度19.5 m。第一道水平支撐為800 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐，第二道水平支撐為700 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐，支撐直接支撐于壓頂梁上，設(shè)計(jì)圈梁尺寸為1100 mm×800 mm，C30混凝土。

1.2 周邊建筑概況

基坑呈狹長(zhǎng)型，根據(jù)業(yè)主提供資料和現(xiàn)場(chǎng)踏勘，擬建基坑周邊環(huán)境情況為：

(1)基坑?xùn)|側(cè)：該側(cè)基坑邊線與紅線最近距離為21.3 m(東南角轉(zhuǎn)角處僅為10.7 m)，紅線以外緊鄰上?；莨たp紉機(jī)三廠，主要為2層車間廠房，磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為淺基礎(chǔ)，距離基坑邊線最近23.5 m。

(2)基坑南側(cè)：該側(cè)基坑邊線與本場(chǎng)地1幢5層待拆建筑外墻邊線最近距離僅2.6 m(距離該建筑基礎(chǔ)邊線最近1.5 m)，該建筑鋼混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為復(fù)合樁基礎(chǔ)，采用250 mm×250 mm預(yù)制方樁，樁長(zhǎng)19 m。本工程建設(shè)過程中正常使用，待本工程建成后予以拆除。

(3)基坑西側(cè)：該側(cè)基坑邊線與場(chǎng)地西側(cè)圍墻最近距離1.1 m(據(jù)業(yè)主介紹，圍護(hù)施工前該側(cè)圍墻向西側(cè)移位約3 m)，圍墻以外為2幢9層保留建筑，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，與基坑邊線最近距離為12.9 m。

(4)基坑北側(cè)：該側(cè)基坑邊線與紅線最近距離為21.0 m，紅線以外為若干棟1層建筑(據(jù)業(yè)主介紹，本工程施工前部分建筑予以拆除作為施工出入口)，磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為淺基礎(chǔ)，距離基坑邊線最近24.2 m。

場(chǎng)地周邊建(構(gòu))筑物性質(zhì)情況(表1)，環(huán)境示意(圖1)。

表1 場(chǎng)地周邊建(構(gòu))筑物性質(zhì)情況

圖1 基坑與周邊建筑關(guān)系示意

1.3 場(chǎng)地地質(zhì)條件

根據(jù)勘察資料，本場(chǎng)地受基坑開挖影響土體的參數(shù)見表2。

表2 地基土參數(shù)

2 有限元數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 數(shù)值模型

假定土層均質(zhì)分布，土體采用實(shí)體單元模擬，土體采用M-C本構(gòu)模型?；又ёo(hù)為地下連續(xù)墻、基坑底板及頂板采用板單元模擬，結(jié)構(gòu)中梁柱、支護(hù)結(jié)構(gòu)中的水平支撐、圈梁等采用梁?jiǎn)卧M，混凝土構(gòu)件均采用線彈性本構(gòu)模型。周邊建筑簡(jiǎn)化處理，為了充分考慮基坑開挖對(duì)周邊建筑的影響，采用混凝土實(shí)體單元模擬建筑荷載。根據(jù)理正基坑支護(hù)計(jì)算中的經(jīng)驗(yàn)，建筑荷載按照建筑基礎(chǔ)形式分別為：淺基礎(chǔ)建筑采用20 kPa每層加載；樁基礎(chǔ)建筑采用20 kPa每層并乘以0.2的折減系數(shù)。為了考慮施工過程中基坑周邊的施工活動(dòng)，并在基坑施工影響范圍內(nèi)施加了15 kPa的地面荷載。有限元計(jì)算中土體的計(jì)算參數(shù)根據(jù)巖土勘察報(bào)告提供的相關(guān)參數(shù)確定，土體的強(qiáng)度指標(biāo)采用三軸固結(jié)不排水(CU)試驗(yàn)結(jié)果。土體的彈性模量取土的壓縮模量的3倍。C30混凝土的彈性模量E取30 GPa，泊松比0.2，密度取為2 480 kg/m3。

根據(jù)基坑幾何尺寸大小，結(jié)合基坑開挖施工對(duì)鄰近環(huán)境影響范圍的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，有限元計(jì)算區(qū)域取為300 m×150 m×60 m。綜合計(jì)算模型大小，綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精確度，共計(jì)剖分單元46 804個(gè)。計(jì)算區(qū)域有限元網(wǎng)格見圖2(a)，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格見圖2(b)。

2.2 計(jì)算步驟

基坑開挖屬于臨時(shí)性地下工程，工期較短，可按照不排水條件下總應(yīng)力法進(jìn)行分析，結(jié)合基坑開挖實(shí)際施工工況，數(shù)值模擬計(jì)算步驟如表3所示。

3 數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)安全性分析

有限元計(jì)算結(jié)果分析表明，計(jì)算工況6 (即開挖土體至基坑設(shè)計(jì)標(biāo)高)得到的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)以及周圍土體的變形最大，后續(xù)的地下室施工和拆撐施工等工程活動(dòng)未引起車站結(jié)構(gòu)位移的進(jìn)一步增加，故下面的討論著重以工況6的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)Y方向水平位移較X方向水平位移大，Y方向最大水平位移為21.2 mm，發(fā)生在靠近建筑物4的支護(hù)段?？拷ㄖ?、建筑物5和建筑物6由于距離基坑較遠(yuǎn)，鄰近側(cè)的基坑水平位移較小。

(a)模型整體網(wǎng)格

(b)基坑支護(hù)網(wǎng)格圖2 有限元網(wǎng)格劃分

計(jì)算步驟計(jì) 算 內(nèi) 容1重力場(chǎng)初始化2地下連續(xù)墻、立柱、立柱樁，位移置零3開挖第一層土(1500mm)4加支撐5開挖第二層土(3000mm)6開挖第三層土(2100mm)7底板施工8施工墻體(地下室5100mm)9拆支撐+施工墻體(地下室1900mm)10施工頂板

由于靠近建筑物一側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置上與建筑物整體平行，沒有出現(xiàn)陽角等支護(hù)結(jié)構(gòu)薄弱位置，但在靠前段與建筑物4最近距離只有3.2 m，因此基坑前側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)靠左端應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加強(qiáng)支撐剛度，以減少水平位移。地下連續(xù)墻位移分布(工況6)如圖3所示。

3.2 基坑坑底土體位移

基坑坑底土體隆起量最大為4.37 cm，它的大小沿著基坑邊沿先增大后減小，在基坑邊沿的隆起量最小?；又車某两盗浚x基坑的距離不斷增大而增大，而后又隨著距離的增大而減小，在集中荷載附近的隆起出現(xiàn)局部最大，如圖4。

(a) X方向位移

(b) Y方向位移

(c) 西側(cè)

(d)東側(cè)

(e) 南側(cè)

(f)北側(cè)圖3 地連墻的水平位移

圖4 基坑坑底土體豎向位移

由圖4可以看出隆起量最大值出現(xiàn)在沒有立柱樁的位置，四邊角點(diǎn)位置隆起量最小。這是由于基坑為矩形，且在基坑開挖卸荷過程中，基坑周圍土體向基坑底部運(yùn)動(dòng)造成的。

3.3 周邊建筑豎向位移

基坑開挖施工引起周邊建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生豎向沉降位移，從而建筑結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生次應(yīng)力，可能對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全帶來不利的影響。根據(jù)數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果得到周邊建筑的沉降對(duì)比，見圖5所示。

(a) 建筑1

(b) 建筑2

(c) 建筑3

(d) 建筑4

(e) 建筑5

(f) 建筑6圖5 建筑沉降對(duì)比

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析得到如下結(jié)論。

(1)基坑開挖過程中，周邊建筑出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，且隨基坑

開挖深度的增大而增大，開挖至坑底后的施工過程中，地表土體沉降趨緩。

(2)基坑開挖土體卸荷，圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生位移變形，對(duì)基坑施工帶來不利影響。

通過與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)規(guī)律上保持一致，驗(yàn)證了有限元數(shù)值模擬的合理性?；娱_挖對(duì)鄰近建筑的豎向沉降造成了一定的影響，但在建筑結(jié)構(gòu)安全性要求的控制范圍之內(nèi)。

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陳運(yùn)榮(1957～),男，高級(jí)工程師，巖土工程方向。

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