常志凱 唐毅 黃世斌 王家全

摘要：以廣西某加油站油庫和附近樓盤基坑開挖為例，通過ABAOUS有限元軟件建立對應(yīng)三維模型，分別模擬了油庫基坑和樓盤基坑的開挖過程，同時考慮基坑一地基一鄰近建筑結(jié)構(gòu)的相互作用，分析基坑開挖引起的鄰近建筑物變形，根據(jù)建筑物地基控制標(biāo)準(zhǔn)評價油庫和樓盤基坑開挖分析對鄰近建筑物的影響，分析表明：模擬結(jié)果與現(xiàn)場勘測中建筑物情況一致，并且基坑陽角處變形及影響范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陰角;基坑變形對周圍的影響呈現(xiàn)出以中心向四周擴(kuò)散的特點，其最大水平位移處于臨邊中部;在同一支護(hù)深度下，基坑邊緣最大水平位移與臨邊長度呈正相關(guān)。

關(guān)鍵詞：基坑開挖;鄰近建筑物;不均勻沉降;有限元模擬

中圖分類號：TU 476.4DOI：10.16375/j.cnki，cn45-1395/t，2020.02.006

0引言

20世紀(jì)80年代以來，我國城市化進(jìn)程逐漸加快，導(dǎo)致土地資源日益緊張，推動著城市建筑逐漸向高空和地下發(fā)展，同時也促進(jìn)了巖土工程的發(fā)展，在城市化過程中，許多新建項目周邊存在商場、住宅區(qū)等建筑物，因而在地基開挖過程中需要保證基坑穩(wěn)固，同時還需要減小基坑變形對周圍已有建筑和道路的影響，由于基坑工程中設(shè)計的支護(hù)結(jié)構(gòu)多為臨時性結(jié)構(gòu)，只考慮基坑穩(wěn)定性，較少考慮基坑變形對周圍建筑的影響，導(dǎo)致實際工程中經(jīng)常出現(xiàn)由于基坑工程施工導(dǎo)致周邊建筑和道路發(fā)生開裂的現(xiàn)象。

許多學(xué)者在基坑開挖對周圍建筑影響方面進(jìn)行了研究，范凡等提出了一種基坑施工引起緊鄰建筑物沉降的簡化計算方法;王洪新根據(jù)基坑寬度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度之比，將基坑分為窄基坑、一般寬度基坑和寬基坑，分析表明基坑越深，寬度越小，越要考慮基坑寬度對穩(wěn)定向的影響;Finno等以地鐵站基坑開挖為研究對象，分析了基坑變形影響區(qū)域和變形對鄰近建筑物的影響;Laefer和Bryson等通過模型試驗研究了在剛性支護(hù)條件下，基坑開挖對鄰近建筑物的影響;丁永春等通過建立三維整體計算模型，動態(tài)預(yù)測了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和鄰近高架樁基的變形形態(tài)，并采取相應(yīng)的變形控制措施，有效保護(hù)了鄰近建筑的安全;Liyanapathirana等通過有限元模擬，研究了基坑開挖引起的地基變形對鄰近樁體的影響;羊科印利用MIDAS/GTS模擬基坑施工的動態(tài)施工過程，將模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬可以較好地模擬基坑變形情況;徐長節(jié)等利用Plaxis研究了樁基礎(chǔ)施工與基坑開挖對鄰近建筑的影響;吳昌將等通過現(xiàn)場監(jiān)測，對深大基坑開挖過程中的基坑變形性狀和對鄰近建筑的影響進(jìn)行了研究;張仁偉利用ANSYS和FLAC3D對深基坑開挖過程中建筑物變形特征進(jìn)行分析，總結(jié)了地下連續(xù)墻埋深和支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對地面沉降的影響，并提出了減小建筑物差異沉降的方法。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對基坑的研究主要集中于單個基坑施工對鄰近建筑物變形量及其特征影響，較少考慮在基坑一地基一鄰近建筑結(jié)構(gòu)共同相互作用下，不同基坑施工對鄰近建筑物變形的影響，本文以廣西某加油站旁油庫和鄰近樓盤基坑開挖為對象，構(gòu)建基坑一地基一鄰近建筑物有限元模型，分別探討油庫和樓盤基坑開挖對鄰近建筑物變形的影響，并與現(xiàn)場建筑物變形情況進(jìn)行對比，最后，通過基坑開挖過程中地表和建筑物沉降變形特征和建筑物地基控制標(biāo)準(zhǔn)，對基坑鄰近建筑物安全性進(jìn)行評價。

1工程概況

廣西某加油站營業(yè)廳為2層磚混建筑，房屋高8.0m，建筑面積為112.0m²，該房屋周圍環(huán)境較為復(fù)雜，房屋東南側(cè)為加油站油庫基坑，油庫頂部周長約為40.0m，油庫開挖深度約為4.6m，其中油庫基坑距離房屋最近處為5.0m，房屋西南側(cè)為樓盤基坑，該基坑頂部的周長約為165.0m（底邊約為132.4m），深度約為8.0m，營業(yè)廳建筑距離樓盤基坑最近處約為4.9m，針對現(xiàn)場情況，基坑采用鉆孔灌注樁+土層錨桿支護(hù)的支護(hù)方式，圍護(hù)樁直徑φ800mm，平面圖如圖1所示。

2沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)

在基坑施工過程中，除了要保證基坑自身穩(wěn)定性以外，還要保證基坑變形及施工擾動不會影響周圍建筑物的正常使用要求，

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007-2011）條文說明，工業(yè)與民用建筑地基土為中、低壓縮性土?xí)r，相鄰柱基的沉降差不能大于0.002x相鄰柱基的中心距離（mm），因此，建議基坑開挖時加油站建筑物基礎(chǔ)不均勻沉降控制在7mm以內(nèi)。

基坑開挖深度為8m，根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）及《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50202-2018），本樓盤基坑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，重要性系數(shù)為1.0.圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體最大位移監(jiān)控值為8mm，地面最大沉降監(jiān)控值為6mm。

3數(shù)值模擬計算

3.1模型參數(shù)

為了能夠真實模擬基坑開挖對加油站建筑物的影響，根據(jù)相對位置關(guān)系及平面尺寸建立三維有限元模型，實際工程中樓盤基坑開挖深度為8.0m，油庫開挖深度為4.6m，考慮基坑開挖影響范圍為開挖深度的2-5倍，模型中地基尺寸為長×寬×高=118mx80mx40m，鄰近房屋為長×寬×高=28mx4mx8m，按照實際工況分別進(jìn)行油庫和樓盤基坑開挖模擬，有限元數(shù)值模擬按照如下原則建立：

1）基坑內(nèi)外土體均采用C3D8R實體單元，其本構(gòu)模型采用摩爾一庫倫模型;

2）基坑支護(hù)排樁的模擬利用剛度等效原理等效為地下連續(xù)墻，并采用殼單元;

3）建筑物結(jié)構(gòu)采用線單元，對其賦予相應(yīng)的截面尺寸和相關(guān)材料屬性，建筑物與土體采用嵌入的方式與土體連接。

根據(jù)現(xiàn)場勘測，基坑場地內(nèi)上部土層主要以雜填土為主，對模型賦予上述相應(yīng)參數(shù)，土體參數(shù)如表1所示，建筑物結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，所建立的有限元模型見圖2.建筑物沉降測量點布置圖如圖3所示，油庫及樓盤基坑開挖平面圖及尺寸如圖4所示。

3.2油庫基坑開挖分析

結(jié)合油庫基坑開挖的實際情況，在模擬中將基坑開挖過程劃分為5個步驟進(jìn)行，具體步驟如表3所示，基坑開挖不僅會使基坑本身產(chǎn)生變形，也會引起周圍土體變形以及鄰近建筑物沉降，由圖5（a）和（b）油庫基坑開挖后的水平位移云圖可知，建筑物位于油庫基坑開挖影響范圍內(nèi)，這與白海峰等學(xué)者研究得到的基坑開挖地表沉降主要影響范圍一致;并且基坑x、y向最大水平位移接近，其最大水平位移為2.24mm，同時呈現(xiàn)出基坑臨邊中部水平位移最大，向兩角逐漸減小的特點，從基坑變形影響范圍的角度進(jìn)一步分析可知，油庫基坑位于建筑物偏右位置，在油庫基坑一地基一臨近建筑物的共同作用下，油庫基坑上側(cè)的水平位移影響范圍遠(yuǎn)大于下側(cè)：由圖5（c）和（d）可知，基坑開挖產(chǎn)生的土壓力差，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向基坑內(nèi)側(cè)的變形;由表4可知，油庫開挖后建筑物最大沉降為1.05mm，表明建筑物距離基坑越近，建筑物地基沉降豎向沉降越大，建筑物與基坑間的荷載效應(yīng)越顯著。

根據(jù)測量點處建筑物沉降可知，油庫開挖后建筑物最大沉降為1.05mm，建筑物最大沉降差為0.97mm，由地基變形控制標(biāo)準(zhǔn)可知，油庫開挖使建筑物產(chǎn)生的不均勻沉降并未影響建筑物的正常使用。

3.3樓盤基坑開挖分析

進(jìn)行樓盤基坑開挖，在模擬中劃分為7個步驟進(jìn)行，具體步驟見表5。

由圖6和圖7可知，樓盤基坑變形對周圍地基的影響呈現(xiàn)出以基坑為圓心，向外均勻擴(kuò)散的特點，基坑陽角處臨邊變形影響范圍遠(yuǎn)大于陰角，此時基坑變形對周邊建筑的影響程度增加，反映出基坑陽角為變形的敏感區(qū)域，并且由樓盤基坑開挖總位移云圖可知，建筑物一側(cè)地基變形影響范圍遠(yuǎn)大于其余各支護(hù)面，這與上文中油庫開挖后地基變形影響范圍研究結(jié)果一致，在設(shè)計中，基坑要盡量減少出現(xiàn)陽角，并且在支護(hù)時要加強(qiáng)陽角部位的支護(hù)強(qiáng)度以及增加監(jiān)測點的數(shù)量;由圖8可知，在同一支護(hù)深度下，基坑臨邊最大水平位移隨基坑寬度的增加而增大，并且樓盤開挖導(dǎo)致的基坑臨邊最大水平位移達(dá)到了171.50mm;在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形方面，圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入土體部分并未產(chǎn)生水平位移，最大水平位移出現(xiàn)在坑底以上支護(hù)結(jié)構(gòu)的中部，這與吳昌將等學(xué)者研究結(jié)果一致，說明基坑臨邊變形時會發(fā)生土體沉降并產(chǎn)生向基坑內(nèi)側(cè)的擠壓作用，這容易導(dǎo)致基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中部的水平位移過大而發(fā)生破壞，因此需要將圍護(hù)結(jié)構(gòu)中部增加錨索或內(nèi)支撐提高坑底以上圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)強(qiáng)度;由表6可知，樓盤基坑的開挖對建筑物沉降影響十分顯著，節(jié)點1處沉降差為18.88mm，隨著建筑物距離基坑開挖邊緣距離的增加，基坑一地基一鄰近建筑物間的相互作用隨之減小，地表沉降也迅速減小，其中測量點1沉降量為18.95mm，測量點9沉降量為3.31mm，這表明基坑一地基一鄰近建筑物間的相互作用越強(qiáng)，房屋基礎(chǔ)差異沉降程度越明顯，根據(jù)前述上文沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)可知，樓盤基坑開挖導(dǎo)致鄰近建筑物下部地基產(chǎn)生的不均勻沉降量己超過最大變形控制標(biāo)準(zhǔn)，這與實際勘測中油庫基坑開挖后鄰近房屋墻體未開裂，樓盤基坑開挖后房屋開裂的情況相一致，詳見圖9。

綜合油庫和基坑施工過程中的基坑變形和建筑物地基不均勻沉降特征可知，鄰近建筑物的不均勻沉降與基坑變形程度密切相關(guān)，基坑開挖會導(dǎo)致基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和鄰近地基變形，同時鄰近建筑物會進(jìn)一步加劇鄰近地基的變形，最終導(dǎo)致房屋基礎(chǔ)差異沉降過大產(chǎn)生坍塌，因此，在進(jìn)行基坑施工時應(yīng)加強(qiáng)對基坑臨邊以及周圍建筑的監(jiān)測，若監(jiān)測值接近變形控制標(biāo)準(zhǔn)，立即對建筑物進(jìn)行跟蹤注漿加固處理。

4結(jié)論

通過ABAQus有限元分別模擬分析了廣西某加油站油庫和樓盤基坑開挖對加油站建筑物的影響，分析表明：本文建立的有限元模型與實際工程較為符合，能夠?qū)娱_挖進(jìn)行合理分析，并得出以下結(jié)論：

1）鄰近建筑物地基的沉降與基坑臨邊變形量密切相關(guān)，建筑物距離基坑越近，建筑物基礎(chǔ)差異沉降越大，并且基坑一地基一鄰近建筑物之間的相互作用越強(qiáng)，基礎(chǔ)差異沉降程度和影響范圍越大;

2）基坑陽角處的水平位移量以及影響范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陰角，因此，在設(shè)計基坑開挖形狀時要盡量避免陽角出現(xiàn)，并在施工時加強(qiáng)陽角部位的支護(hù)和監(jiān)測強(qiáng)度;

3）基坑變形對周圍的影響呈現(xiàn)出以基坑為圓心，向外均勻擴(kuò)散的特點，并且基坑臨邊的最大水平位移出現(xiàn)在臨邊中部;

4）當(dāng)支護(hù)處于同一支護(hù)深度時，基坑邊緣最大水平位移與臨邊長度呈正相關(guān)，