趙 健

（北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司軌道交通市政工程總承包部 北京 100029）

基坑工程在開挖過程中引起的卸載效應(yīng)和時(shí)空效應(yīng)， 不僅使得基坑自身產(chǎn)生變形， 而且也會(huì)對(duì)臨近的建筑物產(chǎn)生影響。 特別是對(duì)于軟弱的黏土、 粉質(zhì)黏土敏感建筑物而言， 基坑開挖的變形效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生十分不利的二次結(jié)構(gòu)應(yīng)力， 使建筑物產(chǎn)生開裂、不均勻沉降等危害[1]。 為研究在粉質(zhì)黏土地質(zhì)條件下基坑工程開挖過程中， 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形以及不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)幾何尺寸對(duì)臨近建筑物的影響， 本文結(jié)合實(shí)際工程案例， 采用數(shù)值仿真計(jì)算的手段， 對(duì)開挖過程中基坑變形、 地表沉降和建筑物沉降三位一體的變形規(guī)律進(jìn)行研究， 研究成果可為飽和軟黏土、粉質(zhì)黏土地質(zhì)條件下的基坑臨近建筑加固和保護(hù)提供參考[2]。

1 工程概況

北京市某科技產(chǎn)業(yè)園基地二期工程建設(shè)內(nèi)容包括2 層廠房（2 座） 、 7 層辦公樓（1 座） 、 8 層宿舍樓（1 座） 以及配套門衛(wèi)樓等附屬設(shè)施。 擬建地下室基坑面積約為3622 mm2， 圍護(hù)結(jié)構(gòu)周長約294 m，基坑基礎(chǔ)底板開挖深度4.8 m， 承臺(tái)區(qū)域坑底標(biāo)高-5.300 m/-5.600 m/-5.900 m， 基坑形狀為矩形。 基坑西側(cè)為現(xiàn)狀城市主干道WC 路， 基坑圍護(hù)開挖邊線與該側(cè)用地紅線的垂直距離為14.21 m， 用地紅線外有管線分布， 管線分布離基坑16 m 以外。 基坑南側(cè)為現(xiàn)狀主干道WH 路， 該距離預(yù)留200 m 紅線范圍， 擬建4 號(hào)廠房。 基坑?xùn)|側(cè)為現(xiàn)狀居民小區(qū)，分布有3 棟， 編號(hào)為A 樓、 B 樓和C 樓， A 樓和B樓高度均為30 層， 平面尺寸為45.6 m×15.5 m， 均采用筏板基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)組合基礎(chǔ)， 平均樁長28.5 m， C樓高度為10 層， 平面尺寸為39.2 m×13.2 m， 采用筏板基礎(chǔ)， 3 棟居民樓均沿著基坑邊線平行布置，離基坑邊線最近距離為10.0 m。 場(chǎng)地北側(cè)為現(xiàn)狀城市主干道路KHJ 路， 基坑北側(cè)管線在圍墻外， 離基坑外側(cè)約20 m 外， 管線有污水管、 給水管、 燃?xì)夤?、電信?雨水管。 基坑支護(hù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用樁基礎(chǔ)支撐，樁基礎(chǔ)直徑為800 mm， 樁中心距離為600 mm， 樁長為20 m， 單排設(shè)置。

2 基坑場(chǎng)地工程地質(zhì)特性

擬建場(chǎng)地地貌類型為湖沼平原Ⅰ—1 區(qū)地貌類型， 場(chǎng)區(qū)廣泛分布的粉質(zhì)黏土層共有9 層， 各層粉質(zhì)黏土的工程地質(zhì)特征及物理力學(xué)參數(shù)見第55 頁表1。 從表1 中可以看出， 各層粉質(zhì)黏土的厚度變化較大， 分布不均， 且粉質(zhì)黏土的壓縮模量差異較大， 上部粉質(zhì)黏土的壓縮模量較小， 下部粉質(zhì)黏土的壓縮模量較大， 相應(yīng)地上部粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度指標(biāo)也較小， 下部粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度指標(biāo)較大。 因此在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中， 應(yīng)采取合理的基坑支護(hù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式， 同時(shí)施工中應(yīng)降低對(duì)軟弱粉質(zhì)黏土的擾動(dòng)， 避免基坑土層的松動(dòng)和塌陷， 也應(yīng)采取合理的地下水控制措施， 避免地下水滲流和松軟粉質(zhì)黏土在降水后固結(jié)沉降， 或者受地下水的沖蝕引起垮塌[3]。

表1 粉質(zhì)黏土的工程地質(zhì)特征及物理力學(xué)參數(shù)

3 基于仿真分形的基坑變形及對(duì)周邊建筑物影響分析

3.1 基坑及臨近建筑物三維仿真計(jì)算模型的建立

為了研究基坑開挖過程中引起的基坑變形變化規(guī)律及對(duì)臨近建筑物的影響程度， 采用ABAQUS 有限元分析軟件建立基坑及臨近建筑物的三維仿真模型， 模型網(wǎng)格劃分采用軟件內(nèi)嵌的網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分， 得到網(wǎng)格總數(shù)為25 793 個(gè)， 節(jié)點(diǎn)總數(shù)27 033 個(gè)，基坑及臨近建筑物三維模型網(wǎng)格劃分效果見圖1。

圖1 基坑開挖及臨近建筑物三維仿真計(jì)算模型

計(jì)算時(shí)， 假定各層土均為連續(xù)均勻介質(zhì)， 不考慮地層的起伏， 土層本構(gòu)關(guān)系服從摩爾庫倫準(zhǔn)則，其物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)按照表1 進(jìn)行選取。 圍護(hù)樁重度取25 kN/m3， 彈性模量為3.25×104MPa， 泊松比取為0.20， 圍護(hù)樁換算為等效厚度的均勻地下連續(xù)墻進(jìn)行計(jì)算， 地下連續(xù)墻的深度與圍護(hù)樁一致[4]。 為了研究不同圍護(hù)樁直徑工況對(duì)圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)的變形和臨近建筑物變形的影響， 模擬時(shí)設(shè)置5 種不同直徑大小的圍護(hù)樁， 分別為400 mm、 600 mm、 800mm、1 000 mm 和1 200 mm， 換算后等效地下連續(xù)墻厚度分別為215 mm、 370 mm、 543 mm、 732 mm、933 mm。 建筑物的重度為25 kN/m3， 彈性模量為3.25×104MPa， 泊松比取為0.20， 體積模量為1×1010kPa， 剪切變模量為3.0×109kPa[5]。

3.2 基坑及臨近建筑物三維仿真結(jié)果分析

圖2 為設(shè)置5 種不同圍護(hù)樁直徑時(shí)， 樁身的水平位移分布情況， 可以看出， 不同圍護(hù)樁直徑的樁身水平位移分布曲線具有類似的變化規(guī)律， 整體表現(xiàn)為非對(duì)稱的拋物線形， 且圍護(hù)樁直徑對(duì)于樁身中段水平位移具有顯著的影響， 影響樁段范圍集中在-2.5 m～-12.5 m。 隨著圍護(hù)樁直徑的不斷減小， 水平位移不斷減小， 表現(xiàn)為曲線的不斷收縮， 而圍護(hù)樁直徑改變對(duì)于樁身上段（0～-2.5 m） 和樁身下段（-12.5 m～-20.0 m） 而言， 影響不大。

圖2 不同樁直徑大小時(shí)樁身水平位移分布

第56 頁圖3 為設(shè)置5 種不同圍護(hù)樁直徑時(shí)地表沉降曲線分布情況， 可以看出， 不同圍護(hù)樁直徑的地表沉降分布曲線具有類似的變化規(guī)律， 整體表現(xiàn)為臨近基坑處會(huì)突陷， 隨后又逐漸減小并趨于穩(wěn)定。 隨著圍護(hù)樁直徑的不斷加大， 這種地表沉降突陷峰值也有所緩解， 但降低幅度較小， 圍護(hù)樁直徑從400 mm 增加到1200 mm 時(shí)， 地表沉降峰值從17.9 mm， 降低為13.5 mm， 僅降低了4.4 mm， 降低幅度為24.5%， 這對(duì)于基坑圍護(hù)而言， 由于增加基坑直徑導(dǎo)致的施工成本將劇增。 另一方面， 圍護(hù)樁直徑大小的增加， 對(duì)于地表沉降突陷范圍的改變并無明顯影響， 地表大位移沉降主要集中在基坑開挖邊線周圍20 m 以內(nèi)， 對(duì)于20 m 以外的影響可以忽略不計(jì)。 而本工程研究的3 棟居民樓與基坑變形距離為10 m， 正好位于基坑沉降突陷峰值處， 因此在基坑開挖過程中， 需要對(duì)建筑采取加密監(jiān)測(cè)措施，有必要可以采取地基加固或者施作隔離樁的方式，對(duì)臨近的既有建筑物進(jìn)行保護(hù)。

圖3 不同樁直徑大小時(shí)地表沉降分布規(guī)律

第56 頁圖4 為設(shè)置5 種不同圍護(hù)樁直徑時(shí)臨近建筑物沉降曲線分布情況， 可以看出， 隨著圍護(hù)樁直徑的增加， A 棟建筑物的最大沉降和最小沉降均呈現(xiàn)明顯的對(duì)數(shù)曲線減小的趨勢(shì)， 圍護(hù)樁直徑小于800 mm 時(shí)， 建筑物沉降下降速率較快， 而圍護(hù)樁直徑大于800 mm 后， 建筑物沉降下降較小。 因此， 為了降低建筑物的沉降， 并不能無限制地增大圍護(hù)樁的直徑。 另外可看出， 增大基坑圍護(hù)樁的直徑， 對(duì)于臨近建筑物的沉降差無明顯的改善。 因此實(shí)際基坑工程中， 圍護(hù)直徑的增加對(duì)于控制最大沉降值和最小沉降值可取得較好的效果， 但對(duì)于控制建筑物的沉降差而言并不是理想的工程措施。

圖4 不同樁直徑大小時(shí)臨近建筑物沉降分布規(guī)律

4 結(jié)論

本文通過采用數(shù)值仿真計(jì)算的研究手段， 建立不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)幾何尺寸， 分析圍護(hù)樁自身的變形規(guī)律以及臨近建筑的變形特征等措施， 對(duì)北京市某科技產(chǎn)業(yè)園基地二期工程基坑工程進(jìn)行了研究， 得到以下3 個(gè)結(jié)論。 一是不同圍護(hù)樁直徑的樁身水平位移分布曲線具有類似的變化規(guī)律， 整體表現(xiàn)為非對(duì)稱的拋物線形， 且圍護(hù)樁直徑對(duì)于樁身中段水平位移具有顯著的影響， 對(duì)樁頂和樁底水平位移影響不大。 二是不同圍護(hù)樁直徑的地表沉降分布曲線具有類似的變化規(guī)律， 隨著圍護(hù)樁直徑的不斷加大，這種地表沉降突陷峰值也有所緩解， 但降低幅度較小， 圍護(hù)樁直徑大小的增加， 對(duì)于地表沉降突陷范圍的改變并無明顯影響。 三是隨著圍護(hù)樁直徑的增加， A 棟建筑物的最大沉降和最小沉降均呈現(xiàn)出明顯的對(duì)數(shù)曲線減小的趨勢(shì)， 增大基坑圍護(hù)樁的直徑， 對(duì)于臨近建筑物的沉降差來說， 并無明顯的改善效果。