周建威 （宿松縣重點(diǎn)工程管理處，安徽 安慶 246500）

0 引言

由于深基坑工程一般都在市區(qū)內(nèi)，周圍的地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜，相鄰建筑物密集，施工條件有限，在施工中必須保證其結(jié)構(gòu)和相鄰的建筑物的安全。近幾年，隨著我國深基坑建設(shè)的不斷增多[1]，在設(shè)計(jì)和施工中，既要考慮基坑本身的變形，又要考慮相鄰建筑物的沉降?；娱_挖對現(xiàn)有建筑物的影響主要是周邊地基發(fā)生沉降，從而使相鄰建筑物地基發(fā)生不同程度的沉降[2]，進(jìn)而導(dǎo)致建筑物發(fā)生破壞。根據(jù)已有的研究成果，認(rèn)為在深基坑施工中存在著許多危險(xiǎn)因素，而且許多危險(xiǎn)指數(shù)都不能量化，從而使其與實(shí)際情況存在一定的偏差。因此，利用數(shù)值仿真軟件對基坑開挖進(jìn)行仿真，全面、系統(tǒng)地分析深基坑開挖對鄰近砌體房屋的影響因素。

1 工程概況及基坑模型建立

利用MIDAS GTS/NX 有限元軟件，在相鄰的砌體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建深基坑的三維模型[2]。該基坑為典型的多邊型，其短邊寬38 m、長邊寬82 m，最大高度差為10 m 左右，從上至下依次為16.8 m 厚的充填土、5 m 厚的砂質(zhì)泥巖和砂巖。由于基坑的水平高度差異比較大，因此在較小的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡單的設(shè)計(jì)?；游鱾?cè)的建筑物與基坑的垂直距離為20 m，基坑橫斷面如圖1所示。

圖1 基坑橫斷面

圖2 基坑計(jì)算模型圖

圖3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測點(diǎn)位平面圖

在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，首先要考慮模型的邊界尺寸，因?yàn)榛颖戎苓呁寥篮徒ㄖ倪吔绯叽绱?～5 倍，所以該模型所使用的體積為300 m×200 m×80 m，共計(jì)170621 個單位。從有限元分析上來看，在模型網(wǎng)格的分割上，網(wǎng)格分布的密度愈大，其計(jì)算的精度就愈高，但是過于密集的網(wǎng)格分割會極大地增加計(jì)算的耗時(shí)，因此正確地分割網(wǎng)格是改善模型運(yùn)算速度的關(guān)鍵。故采用基坑內(nèi)部為密度大的網(wǎng)格，外側(cè)網(wǎng)格密度小，離基坑邊緣越遠(yuǎn)，網(wǎng)格密度越大。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

采用MIDAS GTS/NX 有限元軟件對基坑進(jìn)行數(shù)值模擬，得出基坑水平位移、周圍地表沉降、鄰近結(jié)構(gòu)物沉降等數(shù)據(jù)，并對3 種不同的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了橫向位移、周圍地表沉降、鄰近結(jié)構(gòu)物的沉降等變化情況研究。其中X 方向是深基坑的東西方向，Y 為南北方向，觀測點(diǎn)位位于基坑上方，從北邊起依次為ZD1～ZD26；按順時(shí)針方向，每隔10 m處布置一處觀測站，共計(jì)26處。

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移結(jié)果分析

基坑開挖時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向位移與支護(hù)形式、地質(zhì)條件、基坑開挖深度等因素有關(guān)，三者之間存在著密切的關(guān)系，因此，對支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特征進(jìn)行合理的分析是控制工程變形的關(guān)鍵。圖4 為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同施工狀態(tài)下X、Y方向的水平位移云圖。

圖4 不同工況下基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移云圖

從總體上看，支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向位移是以法線位移為主，其最大位移隨基坑開挖深度的增加而增大；基坑開挖結(jié)束后，在X 方向上最大水平位移為10.5 mm、Y方向最大水平位移7.9 mm，最大變形點(diǎn)位于基坑西側(cè)ZD25 及基坑北側(cè)ZD4 處。在開挖過程中，基坑內(nèi)部變形量很小，從基坑中心向兩側(cè)的水平位移值呈遞減趨勢。從圖4 可知，由于東邊和西邊高差10 m，而東邊的整體開挖深度要小于10 m，所以整個東邊墻的變形也比較小。通過數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)，在3 種不同的開挖條件下，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移都比控制值（30 mm）要小，而且變形也比較均勻。

在X 方向橫向移動時(shí)，工況1（地下連續(xù)墻）的最大水平位移比工況2（排樁支護(hù)）和工況3（水泥樁墻）稍小。在施工初期，工況3 支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向位移增加較大，而工況1、2 條件下的橫向移動速度較平緩。

在Y 方向橫向移動時(shí)，支撐結(jié)構(gòu)最大水平位移比工況2和工況3稍高，但均處于安全控制范圍之內(nèi)。在三種工況下，各施工階段在Y 方向上的最大水平位移值基本一致。

以ZD25 為例，并以ZD4 作為對照樣本，分別繪制工況1 支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過程中的橫向變形情況。

從圖5 可以看出，因?yàn)橹ёo(hù)結(jié)構(gòu)未設(shè)置內(nèi)部支撐，所以從開挖到施工結(jié)束，其最大變形點(diǎn)都在支護(hù)上；其變形形態(tài)均為懸臂型位移。由于墻體的下部存在承載力較低的土壤，因此下側(cè)的水平位移比較小。隨著基坑開挖深度的增大，基坑外側(cè)土體壓力逐漸增大，導(dǎo)致了內(nèi)外土壓的不均衡[4]，使支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的外力不斷加大，同時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量也在逐步增加。在基坑開挖深度增大時(shí)，受錨索的影響，其平均水平位移遞減。在開挖中后期，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形速度減緩，這是因?yàn)橹ёo(hù)結(jié)構(gòu)和錨索的合理配置對支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形起到了很好的抑制作用。

圖5 基坑西側(cè)水平位移變化圖

2.2 基坑周邊地表沉降結(jié)果分析

基坑周圍的地面沉陷是一個重要的問題，它不僅會對周圍的建筑物產(chǎn)生破壞，而且還會對基坑產(chǎn)生一定的破壞。圖6 是基坑開挖后，在不同工作條件下的整體垂直位移云圖。

圖6 基坑周圍地表沉降云圖

從圖6 可知，在基坑開挖完畢后，3種工作條件下的地面最大沉降量都低于30 mm。在基坑周圍，土壤發(fā)生了不同的垂直變形，并出現(xiàn)地基上凸現(xiàn)象。最大的沉降發(fā)生在深基坑西側(cè)ZD25 處，最大沉降為8.35 mm。這是因?yàn)榛游髅娴男泵娓哌_(dá)17.0～18.9 m，而在這一側(cè)的基坑底僅使用了兩列錨索作為支撐，導(dǎo)致了基坑的下沉力比其他測量點(diǎn)都要大。根據(jù)工程實(shí)際情況可以看到，在基坑南側(cè)，地面下沉云圖基本上是均勻分布的，而在基坑?xùn)|西兩邊，因?yàn)楦叨炔町愒?0 m 以上，基坑西部沉降較大。三種工作條件對基坑周圍地面沉陷的作用是相同的。以基坑西側(cè)ZD25 為例，繪出了基坑周圍地面沉降量與坑壁間距的關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 基坑西側(cè)地表沉降規(guī)律圖

如圖7 所示，在基坑開挖一次后，周圍的土壤就會出現(xiàn)下陷，而這個時(shí)候的開挖深度還很淺。由于土體的卸荷效應(yīng)很弱，所以周圍地面的沉降量很少，最大的下沉量只有0.93 mm。開挖深度越大，周圍地面沉降越大，影響越廣，基坑開挖后最大沉降達(dá)到8.35 mm。在基坑開挖過程中，基坑周邊地面沉降在不同的深度下基本是一致的，屬于“凹型”。沿基坑的方向，沉降量先增加后減少，而鄰近的基坑則因該基坑的開挖而產(chǎn)生變形[4]；同時(shí)，由于地下連續(xù)墻與基坑之間的摩擦作用，使其在某些方面受到了限制，在某一時(shí)刻出現(xiàn)了先增大后減小的變化?；幼畲蟪两蛋l(fā)生在基坑西端4 m 處，在此兩側(cè)的沉降值逐漸減小，而在30 m 以外的位置則相對較小，地表基坑開挖對周圍土壤的影響范圍較小。在開挖深度為1.5 倍時(shí)，其沉降量很小，且變化很慢。

2.3 地下連續(xù)墻厚度對鄰近結(jié)構(gòu)物的影響

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度受材料、尺寸、厚度等諸多因素的影響，本文旨在探討基坑工程中支撐結(jié)構(gòu)剛度對基坑變形和相鄰結(jié)構(gòu)的影響。以基坑西側(cè)為研究對象，在基坑西側(cè)，原設(shè)計(jì)厚度為1.5 m的基礎(chǔ)上，對厚度為1.0 m的地下連續(xù)墻進(jìn)行數(shù)值模擬分析。圖8為不同厚度的基坑圍護(hù)變形和相鄰建筑物地基變形云圖。

圖8 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移與鄰近結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沉降云圖

為更直觀地了解基坑基坑的變形和相鄰基坑的變形情況，利用云圖資料，繪出基坑西側(cè)觀測點(diǎn)ZD25 的水平位移和最大沉降曲線，如圖9、圖10所示。

圖9 水平位移變化圖

圖10 沉降最大值變化圖

由圖9和圖10可知，在不同厚度的情況下，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移形式為懸臂型，最大頂位位移最大，當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻為1.0、1.2、1.5、1.8 m時(shí)，相應(yīng)的最大水平位移為11.10、9.59、8.03、7.49 mm，均發(fā)生在基坑西側(cè)ZD25。當(dāng)基坑連續(xù)墻厚度增大時(shí)，其橫向位移也隨之降低，當(dāng)基坑開挖深度為1.2～1.5 m時(shí)，其橫向位移降低1.56 mm；而在基坑開挖深度為1.8 m時(shí)，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向位移只有0.54 mm。結(jié)果表明，增大地下連續(xù)墻的厚度能夠有效地降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向位移，從而對基坑的變形進(jìn)行控制。因此必須結(jié)合實(shí)際情況，選用適當(dāng)厚度的地下連續(xù)墻。當(dāng)相鄰建筑物地基在1.0、1.2、1.5、1.8 m時(shí)，相鄰建筑物地基的沉降量分別為2.09、2.05、1.99、1.81 mm，有減小的傾向，但最大的變形不大于0.5 mm，說明相鄰建筑物地基受地基的沉降影響較低，因此可以采用增大連續(xù)墻的厚度來抑制相鄰建筑物地基的沉降。

2.4 基坑開挖對鄰近結(jié)構(gòu)物變形控制措施

在控制地基變形的同時(shí)，還可以通過阻斷基坑開挖時(shí)產(chǎn)生的土體變形，降低其變形。主要是在基坑與需要防護(hù)的建筑物之間設(shè)置隔斷墻，例如地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、鋼板樁等組成墻。隔斷墻是利用墻來承受基坑開挖時(shí)產(chǎn)生的土壓力和地層應(yīng)力，阻止其在周圍環(huán)境中的擴(kuò)散，因此可以有效地降低基坑開挖對相鄰建筑物的影響。隔斷墻的作用受多種因素的影響，通常情況下，離建筑物較近的地方效果會更好，而墻體本身的剛性和埋入深度也會對其產(chǎn)生一定的影響。但是，由于隔墻造價(jià)昂貴，僅設(shè)隔斷墻會造成工程工期的延長，而對相鄰基坑進(jìn)行隔墻防護(hù)的研究很少，缺少相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。因此，它在實(shí)踐中的應(yīng)用比較少。

3 結(jié)論

通過數(shù)值仿真和實(shí)測資料的比較，發(fā)現(xiàn)在基坑開挖時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、周圍地面的沉陷和相鄰結(jié)構(gòu)地基的變形規(guī)律是一致的。提高地下連續(xù)墻的厚度可以降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向變形，但對相鄰建筑物的沉降影響較小。地基承載力越大，其橫向變形越大。