深基坑开挖对邻近既有独立基础变形的影响

赵延林,　朱庆潘,　高红梅,　杨　悦

(黑龙江科技大学 建筑工程学院, 哈尔滨 150022)



深基坑开挖对邻近既有独立基础变形的影响

赵延林,朱庆潘,高红梅,杨悦

(黑龙江科技大学 建筑工程学院, 哈尔滨 150022)

针对深基坑开挖对近邻既有独立基础变形的影响问题,应用有限元软件ABAQUS建立包括基坑、土体、独立基础在内的整体模型,分析基坑开挖深度、建筑物与基坑间距、连续墙厚度及嵌固深度等因素对基坑近邻独立基础沉降量与水平位移的影响。分析表明:开挖深度对基础沉降量的影响程度大于其对基础水平位移的影响程度。建筑物与基坑间距对基础沉降的影响远大于对水平位移的影响,当间距大于1.0H时,对基础沉降基本没有影响。连续墙厚度对独立基础水平位移的影响较大,对沉降的影响较小。增加连续墙的嵌固深度对临近独立基础沉降与水平位移的影响程度较接近。

深基坑; 独立基础; 沉降量; 水平位移

在深基坑工程施工过程中,土方开挖势必会引起基坑周边土体应力场的变化,随之会导致基坑周围土体发生变形,进而对周边建筑物基础产生较大影响。严重时,可能会影响建筑物的正常使用,危及建筑物的安全[1-4]。目前,关于深基坑开挖对周边近邻建筑物独立基础变形的影响,尚待深入研究。笔者利用有限元软件ABAQUS研究基坑开挖深度、建筑物与基坑间距、地下连续墙厚度及嵌固深度等因素对基坑近邻既有建筑物独立基础沉降与水平位移的影响。

1　工程背景

拟建工程为北京市某旧城改造项目,基坑平面尺寸60 m×40 m,开挖深度为14 m,采用地下连续墙+内支撑支护形式。地下连续墙高度20 m,墙厚0.6 m,嵌固深度为6 m,设两道内支撑,第一道布置在地面以下1.8 m处,第二道布置在地面以下8.4 m处。

基坑周边有一栋六层框架结构建筑物,建筑物长42 m,宽15 m,高度为20.5 m,独立基础形式,基础埋深为2 m。场地土体的物理力学参数见表1,其中,E为土体的弹性模量。

表1　土体物理力学参数

2　数值模拟方案

2.1有限元模型的建立

由于基坑为矩形平面,故建模时选取一半基坑进行模拟。依据相关文献,基坑开挖时的土体影响范围:水平方向3H～4H,竖直方向2H～4H[5-7],H为基坑开挖深度。因此,文中建模时选取的土体影响范围为长140 m、宽100 m、高50 m,以减小边界条件对数值计算结果的影响。计算模型及网格划分如图1所示。

图1　有限元模型

依据工程的实际情况,模型的边界条件有三:

(1)限定模型侧面方向上的水平位移;

(2)限制模型底面x、y、z三个方向的位移;

(3)限制地下连续墙与内支撑平行于基坑开挖面的法向位移。

对于模型中的独立基础、地下连续墙、内支撑以及基础周边土体,由于在分析计算时要求数据精度较高,所以,采用较细密的网格划分(C3D20R)[8-10];对于距离建筑物比较远的土体和建筑物本身,采用较大的网格划分(C3D8R)。

2.2数值分析方案

数值分析方案包括下列四点:

(1)为分析基坑开挖深度对独立基础变形的影响,分别选取基坑开挖深度H为2、4、7、10、12、14 m 六种工况进行模拟。

(2)为分析建筑物与基坑间距离r对独立基础变形的影响,分别取r为5、10、14、21 m四种情况进行模拟。

(3)为分析连续墙厚度dl对独立基础变形的影响,分别选取dl为0.6、0.8、1.0、1.2 m 四种情况进行模拟。

(4)为分析连续墙嵌固深度D对独立基础变形的影响,分别选取D为6、8、10、12、14 m 五种情况进行模拟。

3 结果分析

3.1基坑开挖深度对基础变形的影响

图2a为r=5 m、dl=0.6 m、D=6 m时, 1号、2号、3号基础沉降量随基坑开挖深度的变化曲线。从图2a中可以看出,随着基坑开挖深度的增加,基础的沉降量在不断增加;当开挖深度超过10 m时,基础沉降量的增加速率出现了一个较明显的增大。同时,随着基础与基坑间距的增加,基坑开挖深度对基础沉降的影响程度逐渐减弱。

图2　开挖深度对基础变形的影响

Fig. 2Effect on displacement of foundation by excavation depth

依据数值分析结果,基坑开挖到14 m时,1号、2号、3号基础左右两端的沉降差值均小于3 mm,故可以忽略基坑开挖对单个独立基础左右两端不均匀沉降的影响。1号基础的绝对沉降量sD为19.52 mm,3号基础的绝对沉降量为4.42 mm,二者的沉降差值(即建筑物的不均匀沉降)为15.1 mm,这是导致建筑物产生附加内力的主要原因。

图2b为r=5 m、dl=0.6 m、D=6 m时,1号、2号、3号基础水平位移随基坑开挖深度的变化曲线。由图2b可知,独立基础的水平位移随基坑开挖深度的增加而增加;当开挖深度超过7 m时,基础水平位移的增长速率出现了较明显的增大。同时,随着基础与基坑间距的增加,开挖深度对基础水平位移的影响在逐渐减小,且开挖深度对基础水平位移的影响程度要比沉降的情况小得多。

当基坑开挖到14 m时,1号基础的水平位移最大,为13.06 mm,是其沉降变形的66.9%,2号基础的水平位移为9.50 mm,是其沉降变形的89%,3号基础的水平位移最小,为6.09 mm,是其沉降变形的137.8%,这说明随着基础与基坑间距的增加,基础的水平位移与沉降量的比值在不断增加。

3.2建筑物与基坑间距对基础变形的影响

图3a为dl=0.6 m、D=6 m时，1号基础的沉降随建筑物与基坑间距r的变化曲线。

图3　间距对基础变形的影响

由图3a可以看到,独立基础的沉降量随间距r的增加而减小;当开挖深度小于7 m时,间距r对基础沉降的影响较小;当开挖深度大于7 m时,间距r对基础沉降的影响较大。同时还可以看到,间距r<14 m时,其对基础沉降的影响较大；间距r>14 m时,其对基础沉降的影响较小。这说明当建筑物与基坑间距r小于H(即r=14 m)时,间距r对基础沉降有较大的影响;当建筑物与基坑间距r大于H时,可不考虑间距r对基础沉降的影响。

图3b为dl=0.6 m、D=6 m时,1号基坑的水平位移随建筑物与基坑间距r的变化曲线。由图3b可知,基础的水平位移基本上随间距r的增加而呈现线性减小,在间距r=14 m处,基础水平位移的增长率出现拐点。对比两图,可以清楚地看到,建筑物与基坑间距r对基础沉降量的影响要远大于对水平位移的影响。

3.3连续墙厚度对基础变形的影响

图4为r=5 m、D=6 m时基础沉降量与水平位移随地下连续墙厚度dl的变化曲线。从图4中可以看到,基础沉降与水平位移皆随连续墙厚度dl的增加而减小,且当墙厚dl小于1.0 m 时,连续墙厚度dl对基础沉降与水平位移的影响较大,当墙厚dl大于1.0 m 时,连续墙厚度dl对基础沉降与水平位移的影响不明显。这说明过度增加连续墙厚度对控制基坑近邻建筑物独立基础的变形不宜。

图4　墙厚对基础变形的影响

Fig. 4Effect on displacement of foundation by wall thickness

对比两图,可知连续墙厚度dl对独立基础水平位移的影响较大,而对沉降量的影响较小。由此可见,用增加地下连续墙厚度的方法来控制独立基础沉降的效果并不是很明显。

3.4连续墙嵌固深度对基础变形的影响

图5为r=5 m、dl=0.8 m时,地下连续墙嵌固深度D对基础沉降与水平位移的影响曲线。由图5可知,基础沉降与水平位移都随连续墙嵌固深度D的增加而减小。当D小于10 m 时,其对基础沉降与水平位移的影响较大,而当D大于10 m 时,对基础沉降与水平位移基本没有影响。这表明过度增加连续墙嵌固深度并不能起到有效控制基坑近邻建筑物独立基础变形的作用。

图5　嵌固深度对基础变形的影响

Fig. 5Effect on displacement of foundation by embedded depth

对比两图,可以看到,增加连续墙的嵌固深度对临近独立基础沉降的影响要比其对基础水平位移的影响明显些,但二者的影响程度较接近。因此,合理地增加地下连续墙的嵌固深度可有效控制基坑近邻建筑物独立基础的沉降量和水平位移。

4　结　论

(1)深基坑工程施工过程中,随着基坑开挖深度的增加,独立基础的沉降与水平位移都在不断增加,但开挖深度对基础沉降量的影响程度要大于其对基础水平位移的影响程度。

(2)当建筑物与基坑间距小于1.0H时,独立基础的沉降与水平位移受间距的影响较大,且随间距的增加而减小,间距对基础沉降量的影响要远大于其对水平位移的影响;当建筑物与基坑间距大于1.0H时,间距对基础沉降基本没有影响。

(3)独立基础沉降与水平位移皆随连续墙厚度的增加而减小,连续墙厚度对独立基础水平位移的影响较大,对沉降量的影响较小,故增加连续墙厚度可有效控制近邻独立基础的水平位移,但不宜过度增加。

(4)基础沉降与水平位移皆随连续墙嵌固深度的增加而减小,增加连续墙的嵌固深度对临近独立基础沉降与水平位移的影响程度较接近。因此,合理地增加地下连续墙的嵌固深度可有效控制基坑近邻建筑物独立基础的沉降量和水平位移。

[1]宋二祥, 王连君, 池跃君. 某基坑开挖对邻近高层建筑的影响分析及决策[J]. 工程勘察， 2001, 35(4): 28-31.

[2]杨光. 基坑开挖和施工堆土对临近建筑物影响的三维有限元模拟分析[D]. 郑州: 郑州大学, 2012: 11-13.

[3]周景超. 临近建筑物基坑开挖的变形影响分析[D]. 北京: 北京交通大学, 2014: 7-8.

[4]阳吉宝. 基坑工程施工对邻近建筑影响的控制[J]. 地下空间, 2000, 20(3): 221-224.

[5]郑刚. 软土地区深基坑开挖对邻近建筑物影响的三维有限元分析[D]. 天津: 天津大学, 2011: 1-5.

[6]木林隆, 黄茂松. 基于小应变特性的基坑开挖对邻近桩基影响分析方法[J]. 岩土工程学报, 2014(2): 304-306.

[7]朱晓宇, 黄茂松, 张陈蓉. 基坑开挖对临近桩基础影响分析的DCFEM法[J]. 岩土工程学报, 2010(S1): 181-185.

[8]郑刚, 颜志雄. 基坑开挖对临近桩基影响的实测及有限元数值模拟分析[J]. 岩土工程学报, 2007(5): 639-641.

[9]张爱军, 莫海鸿, 李爱国， 等. 基坑开挖对邻近桩基影响的两阶段分析方法[J]. 岩石力学与工程学报, 2013(S1): 2746-2748.

[10]罗耀武, 胡琦， 陈云敏， 等. 基坑开挖对抗拔桩极限承载力影响的模型试验研究[J]. 岩土工程学报, 2011(3): 427-432.

(编辑徐岩)

Analysis of effect on adjacent existing isolated foundations by excavation of deep foundation pits

ZHAOYanlin,ZHUQingpan,GAOHongmei,YANGYue

(School of Civil Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper describes an in-depth study targeted at eliminating the effect on adjacent existing isolated foundation deformation by excavation of deep foundation pit. The study involves using the finite element software ABAQUS to develop the whole model including foundation pit, soil and isolated foundation and analyzing the effect on settlement and horizontal displacement of adjacent isolated foundation by excavation depth, space between building and foundation pit, thickness and embedded depth of continuous wall. The analysis demonstrates that the excavation depth exerts a greater effect on the settlement of foundation than on the horizontal displacement; the space between building and foundation pit yields a much larger impact on the settlement of foundation than on the horizontal displacement and if larger than 1.0H, produces virtually no effect on the settlement of foundation; the thickness of continuous wall gives a greater impact on the horizontal displacement of foundation and a less impact on the settlement; and the increased embedded depth of continuous wall has almost an identical effect on the settlement and horizontal displacement of adjacent existing isolated foundation.

deep foundation pit; isolated foundation; settlement; horizontal displacement

2015-04-22

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12531575)

赵延林(1971-),男,山东省莱阳人,教授,博士,研究方向:深基坑工程,E-mail:zhaoyanlin1971@sina.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.03.014

TU473.2

2095-7262(2015)03-0294-05

A