施工顺序对基坑临近地面及建筑物变形影响分析

2021-03-04赵殿鹏宋叶青高建楠

中华建设 2021年2期

赵殿鹏宋叶青高建楠

依托实际工程，采用有限元软件分别开展了基坑工程与临近桥梁不同施工顺序下基坑周围的水平位移值以及沉降量。通过研究得到：先进行支架施工，后开挖基坑顺序时，在基坑边缘产生的水平位移值最大，最大值为13.3mm，在支架处产生的水平位移值为10.2mm；工况②中在基坑边缘产生水平位移值大于工况①，为14.4 mm。支架处工况②产生的水平位移小于工况①，为8.6 mm。工况①在支架处产生的沉降大于工况②，在临近基坑范围以及与基坑边缘距离大于40 m 范围时，产生的沉降值差异很小；采取先进行支架施工后进行基坑开挖时，在支架位置靠近基坑侧产生过的水平位移方向发生变化，同时沉降值增大，导致支架容易产生不均匀沉降。结果为类似工程施工工序优化提供参考。

当今城市中，随着大量建筑物的兴建，城市用地变得越来越少。建筑物的基坑施工遇到的难度也越来越大。建筑物基坑施工对邻近建筑物的安全有很大的影响，特别是基坑开挖深，邻近建筑物近的情况。针对基坑对邻近建筑物的影响，国内外学者已进行了很多的研究，得到大量数据及一定规律。閣超等分析了深基坑施工过程中的现场监测结果，得出诱发临近浅基础建筑沉降过大的根本原因是支护桩间水土流失及不当的施工工序；张治国等通过研究邻近深基坑建筑的沉降得出坑外土体侧压力和土体内部应力突然释放会引起土体变形速率增大，致使邻近建筑物沉降量骤增。钱键固等认为基坑开挖过程中周围土体水平位移和地基土的变形模量无关，但取决于挡土位移模式和位移大小。

为研究基坑与邻近建筑物施工顺序对周围地面及临近建筑物变形的影响，依托实际工程，采用有限元软件开展不同顺序的基坑与邻近建筑物施工工序，分析基坑周围边缘及周围地面的土体变形情况，为后续类似工程提供参考。

一、模型建立

1.工程概况

浙江杭州某新建船闸为两线共用引航道，两线船闸中心线距离为55m。船闸主要建筑物为上、下闸首、闸室、上、下游引航道、引航道连接段、口门导堤等，闸首及闸室组成的船闸主体纵向长387.5 m，上、下游引航道直线段分别为505.3 m 和438 m，底宽分别为100 m 和110 m。两线船闸下闸同步开挖现浇，基坑开挖尺寸较大，南侧开挖长度达到近200 m。基坑施工的同时，距离基坑南侧边缘中部45 m 的地方同时在进行公路桥梁施工。基坑采用放坡开挖后，基坑边缘距离桥梁施工位置仅有20 m 左右。为研究基坑工程施工与桥梁施工先后顺序对周围地面变形的影响，采用有限元软件分别模拟先进行基坑开挖施工后进行桥梁施工以及先进行桥梁施工后进行基坑施工两个施工工艺。

2.计算参数选取

根据地勘资料，场区土体从上到下分别为粉土①、粉土②、粉土③、粉质黏土、黏土，在数值软件中根据现场设置相应土层数和土体厚度，岩土体参数如下表1 所示。土体本构模型采用修正库伦-摩尔模型。

表1 土体参数表

3.模型建立

根据设计资料，建立模型尺寸为173m×50 m×50 m，基坑尺寸为50 m×30 m，基坑深度为15m。基坑施工中，采用放坡开挖，坡率为1:1.5。现场桥梁施工为满堂支架现浇方式，因此，将桥梁建筑物及支架荷载简化为面应力施加在地面，施加的应力为60kN/m2，面应力施加面积为34 m×12 m=408 m2，支架靠基坑侧边缘与基坑边缘距离为20 m。

将模型底面设置为固定的边界，模型中与x 轴垂直的两个侧面设置为x 方向固定边界，与y 轴垂直的两个侧面设置y 方向固定边界，模型顶面设置为自由边界。

4.模拟工况

本次模拟中，按照施工顺序不同建立两个模拟工况，两工况施工顺序分别为：

工况①：第一层基坑土开挖—第二层基坑土开挖—第三层基坑土开挖—桥梁支架施工。

工况②：桥梁支架施工—第一层基坑土开挖—第二层基坑土开挖—第三层基坑土开挖。

二、结果分析

通过模拟，得到了两种工况下基坑边缘及周围土体的沉降量与水平位移，分别对水平位移及沉降量进行分析，其中水平位移主要为基坑开挖引起的地面向基坑壁临空方向的变形，即模型中的X 方向，因此，水平位移仅分析基坑X 方向的位移。

1.水平位移分析

由计算结果图，支架施工后，产生的水平位移在支架范围由中心向两边对称分布，最大水平位移值为4.24 mm，出现在支架边缘一带。图1 为工况①基坑开挖后产生的水平位移，由图可以看出，基坑开挖后，最大水平位移值出现在基坑边缘位置，最大位移值为13.3 mm。同时，支架处的水平位移值达到了10.8 mm，基坑开挖使支架位置处的水平位移增大。基坑边缘到支架处的水平位移值先随着距离基坑边缘距离的增大而减小，当距离达到支架靠近基坑边缘侧时，位移值开始增大，最终达到支架处的最大水平位移值。同时，可以得到，支架施工完后，支架两侧的水平位移值方向相反。这是由于支架施工后，由于支架的重力，使得支架位置土体产生沉降，支架周边的位移向支架中心变形。当基坑开挖后，支架两边的变形位移方向相同，在支架的基坑侧水平位移方向发生的变化。这是由于基坑开挖导致临空面出露，基坑周围土体朝基坑临空面发生变形。

图1 工况①水平位移

下图2 为工况2 中先进行基坑开挖后进行支架施工基坑周围土体产生的水平位移图。由图可以看出，支架施工完成后，基坑边缘产生的水平位移最大，为14.4 mm。周围变形先随着距离基坑边缘的距离增大，水平位移值逐渐减小，达到支架位置时，水平位移开始增大，在支架位置产生的最大水平位移为8.6mm。

图2 工况②水平位移

图3 为两工况下最终产生的水平位移值对比曲线，由图可以看出，工况①施工顺序中，在基坑边缘初产生的水平位移要比工况2 小，但是在支架位置处，工况2 产生的水平位移值小于工况1。可知，先进行基坑开挖，后进行支架施工在支架处产生的水平位移值较大，有利于支架的稳定。

图3 水平位移曲线

2.沉降分析

下图4 为工况1 施工完成后产生的沉降，由图可以看出，基坑施工完成后，在支架位置产生的沉降值最大，达到30.2 mm。从基坑边缘到支架处，地面沉降值差异较小，平均沉降值为14.2 mm 左右。

图4 工况①沉降云图

下图5 为工况②基坑开挖及支架施工完后地面产生的沉降云图，在该工况中，支架位置的沉降值达到了28.1 mm，比工况①小7.4%。基坑边缘产生的平均沉降值为14 mm，也略小于工况①。

图5 工况②沉降云图

将两工况的沉降值绘制曲线图如下图6 所示，由图可知，两工况产生的沉降值差异主要在支架位置，在基坑边缘处与基坑边缘距离大于40 m 范围，两工况中产生的沉降值差异很小。

图6 沉降值曲线

综合开挖后的水平位移及沉降量可知，当基坑周围有建筑物施工时，先进行建筑物施工后进行基坑施工会使建筑物位置处水平位移与沉降值均大于先进行基坑开挖后进行建筑物施工情况。主要是由于先进行基坑施工后，基坑周围土体应力释放，产生一定水平变形与沉降，建筑物施工时，由于施加荷载，使基坑边缘的水平位移值增大，因此工况②基坑边缘产生的水平位移值大于工况①。而在支架位置，先进行支架施工时，由于支架重力以及支架上承受的荷载使支架范围地面产生一定沉降，基坑开挖后，使支架位置处变形持续增大。因此，工况①中支架位置处产生的水平位移及沉降值均大于工况②。