已有建筑物对基坑开挖的影响分析

孙广利，刘 卫

吉林建筑大学 测绘与勘查工程学院,长春 130118

随着城市化进程的快速发展,建筑物在结构、功能等方面的发展要求越来越高,由此出现了技术复杂、开挖越来越深的基坑,由于周围环境对基坑开挖的影响变化,故在基坑开挖设计时对周围环境的影响因素应进行全面了解,以避免在后续施工过程中周围环境对拟建工程产生持续破坏.

本文针对已有建筑物与基坑开挖的水平距离,分析建筑物对基坑在不同距离时的变化特征采取相应的保护措施,减少已有建筑物对基坑开挖的影响,从而避免施工过程中发生事故.

1 工程实例

1.1 工程概况

济南市槐荫区某项目拟开挖基坑长75.00 m,宽 60.00 m,开挖深度为9.00 m.在拟建项目西侧已有一幢高48.00 m建筑物,地下2层,埋深9.00 m,基坑面积约为4 500.00 m2.根据基坑开挖地层条件及深度,应对基坑侧壁进行锚杆支护,同时基坑周边应尽量避免较大荷载的扰动.在建筑物距离基坑开挖10.00 m,20.00 m,30.00 m,40.00 m,50.00 m位置四周全部采用锚杆加固[1].

1.2 场地地质条件

开挖基坑土质为第四系全新统～上更新统冲洪积地层,上边覆盖土层为人工填土,下伏燕山期侵入形成的闪长岩岩体,基坑开挖到粉质黏土层[2].详情见表1，表2.

表1 各土层物理特性

表2 土层物理力学指标

地下水位随着季节及气象周期呈现季节性变化,水位年变化幅度在2.00 m～3.00 m之间.基坑开挖施工时,可采用井管降水,确保地下水位保持在基坑底面以下0.50 m～1.50 m[3].在基坑降水时,由于时间较长,可能引起周围地面及建筑物下沉等不良情况,此时应对地下水进行合理的结构支护.

根据基坑开挖地层条件及深度,基坑开挖采用桩锚支护的结构保护措施,同时在基坑开挖时周边应尽量避免较大的动、静荷载.

2 三维数值模拟分析

2.1 有限元模型的建立

采用有限元模拟分析软件MIDAS/GTS NX构建已有建筑物与基坑开挖的模型.有限元模型尺寸为长180.00 m、宽180.00 m、厚50.00 m，模型基坑的开挖面积约为4 500.00 m2,其中基坑长75.00 m,宽 60.00 m,开挖深度约为9.00 m.分别模拟出已有建筑物距离基坑10.00 m,20.00 m,30.00 m,40.00 m,50.00 m的模型三维效果图,如图1所示.

(a)距离建筑物10.00 m

2.2 参数取值

在基坑三维数值模拟分析时,为了得到准确、详细的基坑开挖过程的变形位移与应力特征,岩土体和建筑物的物理力学参数的取值至关重要[4].岩土体的重度、黏聚力及内摩擦角依据岩土工程勘察报告取值[5].

依据现有《建筑地基基础设计规范》有关规定[6],根据土工试验、标准贯入试验、重型动力触探试验并结合当地建筑经验,计算出各土层承载力特征值fak及渗透系数k，见表3.

表3 承载力特征值及变形参数

2.3 模拟结果分析

根据模拟情况将基坑的开挖分为以下4个工况：① 基坑开挖4.50 m竖向位移;② 基坑开挖4.50 m总位移;③ 基坑开挖9.00 m竖向位移;④ 基坑开挖9.00 m总位移.

2.3.1 基坑底部位移分析

已有建筑物分别距离10.00 m,20.00 m,30.00 m,40.00 m,50.00 m的位置对基坑开挖9.00 m的总位移分析,如图2所示.

从图2中可以看出,在已有建筑物荷载一定时：

(a)距离建筑物10.00 m

(1)在建筑物距离基坑开挖10.00 m水平距离时,基坑底部以及东、西、北方向发生竖向隆起,其中最大隆起约为7.72 mm,基坑部分发生竖向隆起约为5.79 mm.

(2)在建筑物距离基坑开挖20.00 m水平距离时，基坑底部发生竖向隆起约为5.58 mm.

(3)在建筑物距离基坑开挖30.00 m水平距离时，基坑底部发生竖向隆起约为5.57 mm.

(4)在建筑物距离基坑开挖40.00 m水平距离时，基坑底部发生竖向隆起约为5.43 mm.

(5)在建筑物距离基坑开挖50.00 m水平距离时，基坑底部发生竖向隆起约为4.97 mm.

(6)通过数值模拟分析基坑开挖总位移的基本情况可知，在基坑开挖时,已有建筑物荷载作用下对基坑开挖产生竖向隆起,而随着建筑物与基坑开挖水平距离的增加,已有建筑物对基坑开挖产生的竖向隆起主要发生在基坑边缘,随着已有建筑物与基坑开挖距离的增加，对基坑底部的竖向隆起呈现减少趋势[7].

2.3.2 其他位移分析

在基坑开挖4.50 m,9.00 m时发生的竖向位移以及基坑的总位移,已有建筑物与基坑开挖的距离在30.00 m以内时,基坑开挖产生的位移变化较大,而在距离30.00 m以后基坑开挖产生的位移变化趋势减小.随着建筑物与基坑水平距离的增加,其影响程度也整体呈现减少趋势,如图3所示.

图3 水平距离对基坑开挖位移趋势

3 结论

本文通过三维数值模拟分析已有建筑物在距离基坑开挖10.00 m,20.00 m,30.00 m,40.00 m,50.00 m水平距离时对基坑开挖过程的影响,针对已有建筑物对不同距离的基坑开挖及深度的变化,得出以下结论：

(1)通过三维数值模拟分析,在基坑开挖时,随着已有建筑物与基坑开挖水平距离的增加,其对基坑开挖产生的位移呈线性变化趋势，并逐渐减小.基坑开挖深度至9.0 m,已有建筑物距离基坑开挖10.00 m时,由于建筑物距离基坑开挖较近，其产生的上部结构荷载施加在基坑周围,因此发生竖向隆起的变化最大.

(2)已有建筑物对基坑开挖在10.00 m～30.00 m的范围内产生的位移变化趋势较大,而在30.00 m以后的距离时产生的位移变化趋势较小,整体而言,随着已有建筑物与基坑开挖水平距离的增大,基坑开挖产生的竖向位移近似线性且逐渐呈减小趋势.

(3)在城市地区基坑开挖时应保持与已有建筑物的水平距离,当基坑开挖附近存在已有建筑物时应采取相应的保护措施,以避免建筑物发生局部倾斜以及基坑产生隆起、变形等,同时在基坑开挖时应充分考虑基坑周围产生的动荷载对基坑的影响,尽量减少动荷载对基坑的扰动.