基坑开挖对临近建筑物影响的有限元分析

文/ 张晨 深圳市华阳国际工程设计股份有限公司广州分公司 广东广州 510000

随着城市化的进程，带来了大量的深基坑工程。由于本工程主体结构体量较大，需分期建设，也就造成了二期基坑开挖时，使一期主体形成一个三边围护一边开敞的结构，且最大埋深约24m，土压力会引发主体结构的变形，并产生附加内力，且可能整体倾覆或滑移。如何有效地评价二期基坑开挖对一期主体结构的影响，是一期主体结构设计必须重点考虑的问题。

1、工程概况

本文主要分析二期基坑开挖对一期主体结构的影响。一期共三栋塔楼，高100m，20层，设4层地下室。框架剪力墙结构，采用天然地基基础，中风化岩层作为持力层。室外地面标高为24.900m，基坑开挖至0.95m，开挖最深为23.950m。该工程重要性等级为二级，地基基础设计等级为甲级。

2、计算模型

2.1 计算网格划分

选取非塔楼的纯地下室范围作为受力最不利位置，模型中主体结构构件按照抗弯刚度相等原则等效为板单元，各土层按照勘察报告参数取值，采用摩尔库伦本构模型来模拟，板单元与土体之间采用界面单元模拟。计算模型水平方向上156.0m，竖直方向上48.0m。

2.2 计算参数

模型中，土层的物理力学参数按照勘察报告选取，地下水位取绝对标高18.900m。主体结构采用板单元，混凝土强度等级为C30。计算采用的土层及主体结构的材料参数如表1所示。

表1 材料物理力学指标值

3、计算结果分析

3.1 主体结构变形

水平位移计算结果如图1所示，一期主体结构顶部的水平位移约为159mm，平均层间位移角达到1/150，远远超过规范1/800的限值，说明主体结构已进入塑性阶段。针对钢筋混凝土结构而言，规定层间位移角限值主首先是要保证主体结构基本处于弹性受力状态，避免混凝土墙、柱等主要抗侧力构件开裂。其次是要保证填充墙、隔墙、幕墙等非结构构件的基本完好，避免出现明显损坏。除此之外，合理的限制结构水平变形也是实现抗震设防目标的重要保证。同时，主体结构变形会带来基坑顶部相应变形，对周边的建筑物会产生较大影响。所以二期基坑开挖会使一期主体结构变形过大，对结构造成严重的损伤，需大幅度提高一期主体结构的自身刚度才能控制变形。

图1 水平位移云图

3.2 主体结构构件附加内力

计算结果显示，主体结构最下面一层的梁为受力最不利位置，梁间距为8m，最大弯矩约为2440kN·m，最大弯矩处剪力约为1160kN，按此内力并考虑正常使用的楼面荷载计算出比较合理的梁截面尺寸约为400mmx1500mm。1500mm的梁高对地下室的使用功能影响很大，导致原设计层高不足，增加层高使基坑开挖更深，构件附加内力也就更大。所以，二期基坑开挖对一期主体结构构件产生的附加内力值大大超过了正常使用功能下构件的内力，其余梁，以及柱、地下室外墙的附加内力均与此梁情况类似，但相对影响会小一些。所以，单纯为了抵抗施工过程中的较不利工况来增加各构件的截面，是不合理的，不但造成的材料的浪费，同时由于构件尺寸的粗大，对使用功能上也造成了很大的影响。

3.3 主体结构稳定性

图1的计算结果显示基坑底部岩层的变形很小，接近于0，可以作为主体结构水平嵌固部位。根据计算结果，主体结构底部总剪力约为V=2370kN/m，总弯矩约为M=8730kN·m/m。主体结构52m宽，4层，自重约为G=2080kN/m，岩层4与基础底部的摩擦系数μ=0.5。根据GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》第6.7.5条验算主体结构稳定性。

(1)抗滑移稳定性验算：μ×G=1040kN/m＜1.3V=3080kN/m

(2)抗倾覆稳定性验算：G×x0=2080kN/m×26m= 54080kN·m /m＞1.6M=13970 kN·m /m

主体结构的抗滑移稳定性验算不满足规范要求，二期基坑开挖时一期主体结构会产生滑移。

结论：

综上所述，二期基坑开挖对一期主体结构的影响很大，使一期主体结构构件进入塑性阶段甚至可能破坏，基底也需采取措施抗滑移。现提出如下方案，在主体结构左侧设置三道支撑，使主体结构仅抵抗6m的坑外土压力，经计算，仅需适当加大构件截面尺寸即可满足以上几点要求，如图2所示，基坑顶部水平位移可控制在30mm左右。所以，仅依靠主体结构来抵抗坑外的土压力很困难，传力不直接，而且构件尺寸的加大。经济上付出了不少的代价，使用功能上也有一定的损失。需要在二期基坑开挖时对一期主体结构增加侧向约束。

图2 优化方案水平位云图