基坑开挖对基坑及邻近建筑物的变形影响研究

2022-05-27赵旭东

辽宁省交通高等专科学校学报 2022年1期

赵旭东

（中铁十八局集团第三工程有限公司，河北涿州 072750）

1 引言

土体的开挖容易对基坑周围邻近建筑物造成影响，需要根据具体情况做好调控措施，以对其变形进行控制，确保顺利完工［1］。当前，国内外学者对基坑开挖所导致的变形进行了大量的研究，如国外的 Laefer， Debra Fern 等人以数值模拟的方式分析了基坑和周围建筑物的变形；C.Rechea 等人对本构参数以数值反分析法进行计算； Lindesy 等人研究了软土地区基坑项目开挖时对支护结构的变形及周边建筑的倾斜情况；Leung 等人针对基坑开挖时的坑外土体沉降情况分析基坑施工对周围环境的影响。国内的钟定兰等人以有限元分析软件开展基坑施工的数值模拟，得出隧道纵轴上内力的变化曲线；刘维宁等人则建立了非饱和土基坑的控制模型，得到不良条件下施工控制措施。数值模拟的方法随着计算机应用的升级而被广泛应用，其能够准确真实地对桩土影响进行模拟，准确反映土体应力应变关系，比起理论法和经验法有着更高的灵活性和准确性。本文将通过数值模拟的方式，对基坑施工中的各参数进行分析，以期为施工控制提供参考。

2 工程概况

新港二号路共布置26 个顶管坑（W1～W26），顶进管道为 d1400mm 和 d1600mm 污水管，除W22、 W23 坑深度为 10.3m 外，其余基坑深度6.7-7.1m，工作坑 8×5m，接收坑 6×5m， W26 号坑10.5×8.5m；春光路共布置1 个顶管接收坑（W31），顶进管道为 d1800mm 污水管和 d2800mm 雨水管，基坑为共用顶管坑。基坑深度8.8m， W31号坑 10×9.2m；中央大道共布置 2 个顶管坑（W36、 W37），顶进管道为 d1800mm 污水管，基坑深度 9.6-9.7m， W36 号基坑为 7×6m， W37 号基坑为8×8m。终点顶入紫云公园现状污水检查井， W37 顶进至现状污水检查井长度为56m，最大覆土13m，管道埋深15m。本工程顶管施工基坑支护形式采用钻孔灌注桩+两道（三道）水平支撑支护、高压旋喷桩止水，其中W1 号-W26号、 W31 号、 W36 号、 W37 号基坑，灌注桩直径为Φ800mm，桩间距为1000mm，设计有效桩长分别为 14.9m、 18m、 19m、 20m、 21m。工程地质分布示意图如图1 所示。

图1 工程地质分布示意图

为使研究更具针对性，本文在上述基坑工程中选取设计有效桩长最长的W37 号基坑为研究对象进行分析。结合基坑的具体形状、地质环境以及建筑情况等进行考虑，以 103×25×30m 作为模型尺寸，模型中共有25676 个网格以及27033个节点，所建立模型如图2 所示。

图2 基坑三维有限元模型

模型通过3D 网格组划分土体单元。具体建模时，为确保所得结果准确度满足要求，结合模型尺寸以1.5m 作为支护结构和土体边界的网格尺寸，朝向桩土交界处共有6m 距离。通过弹性模型本构，二维板单元对围护桩进行模拟，有542mm 的厚度， 30GPa 的弹性模量，单位网格有1.5m，围护桩桩底有 RZ 方向的约束。以 2D 板单元对挂网喷射混凝土进行模拟，约0.1m 厚。以弹性本构对预应力锚索在施工时的应力应变情况进行模拟，以线弹性本构模型对土钉进行模拟，并进行相应的网格划分。

在模型所处的坐标系中，前后左右均设置有法向约束，底部设置有X、 Y、 Z 方向上位移约束，表面无约束；约束一号和二号围护桩在Z 轴方向的旋转。

3 围护桩桩径对基坑及建筑物变形的影响

在基坑支护的安全性以及稳定性中桩径是重要影响因素［2］。一般情况下，桩径是在规范的基础上采用设计软件进行设计的，以保守设计的方法确保安全性。构件如何在确保安全稳定的前提下进行设计一直是人们关注的重点所在。本文在0.8m 的设计桩径下，对桩体以及建筑物变形与桩径的关系进行分析研究。

3.1 围护桩水平变形

围护桩抵抗弹性变形的能力在只改变桩径的条件下只通过桩径大小进行表示，围护桩抗变形能力与桩径成正比例关系。以0.2m 为间距，从0.4m 到1.2m 的范围内取五种桩径进行研究。围护桩的水平变形在基坑施工完成后的对比如图3所示。

图3 不同桩径下桩体水平位移

不同的桩径下有着基本一致的变形规律，在桩顶以及桩底下变形较小而桩身变形较大。桩顶变形小的原因在于-2m 处架设有第一道锚索，能够对桩顶变形起到有效的抑制作用；桩底变形小的原因在于桩底嵌固在土体中使其水平变形受到约束。在0.4m 的桩径下桩体有着-24.0mm 的水平位移最大值，水平位移曲线随着不断增加的桩径逐渐移动至坑外方向，同时随着桩径的增加桩体水平位移不断降低，在1.2m的桩径下有着-14.0mm的水平位移最大值，比起0.4m 的桩径降低了约42.1%。在1m 的桩径下有着-14.1mm 的水平位移最大值，比起 0.8m 的桩径降低了约 14.1%。但从结果可以看出，桩顶和桩身有着不同的水平变形状态，桩顶水平变形与桩径呈正比例关系。进一步分析可知，围护桩在冠梁的作用下连成一体，使其整体受力性得到较大的提高，水平变形较小的桩对其余变形较大的桩体起到约束作用，并且桩身抗弯和抗剪强度随着不断增大的桩径也在不断增加，导致桩身受力和变形也随之变化［3-4］。本文选用0.8m 和1.2m 桩径的围护桩桩体进行最后一次开挖后的弯矩分析，结果如图4 所示。0.8m 桩径的围护桩在最后一层开挖之后有着比1.2m 桩径大的最大负弯矩，表明桩后主动土压力在桩径增大的影响下使其对桩体上半部分的影响有所增大，桩体的最大水平位移随着桩径的增大不断移动至桩顶。

图4 不同桩径下桩体水平位移

3.2 地表沉降

由图5 可知，不断增大的桩径与地表变形存在负相关的关系。在和建筑基础接近的一侧土体有着更加明显的变形，土体在0.4m 的桩径下有着-18.45mm 的竖直最大变形，在1.2m 的桩径下有着-14mm 的竖直最大变形，比起0.4m 的桩径约降低了25%，围护桩外侧的地表在桩径增大时的变形主要表现为两种区域，地表变形在围护桩周边0～34m 的位置表现出逐渐降低的趋势，在34m 之外地表变现则趋于稳定，表明坑外环境受基坑开挖的影响范围在2H～3H 之间。地表的最大沉降差异在0.8m 到1.2m 的桩径范围内不明显。说明采用只改变桩径的方式对变形进行控制不是最经济的做法。

图5 不同桩径下的地表沉降

3.3 建筑物变形分析

由图6 可知，相比于原理基坑边缘处的建筑物基础而言，与基坑边缘临近的建筑物基础有着更大的竖直变形，表明桩径的变化对与基坑边缘较近的一侧的影响更大。随着不断增加的桩径，建筑结构基础沉降值在不断减小，从沉降曲线斜率即可看出随着不断增加的桩径基础两侧的差异沉降在不断降低，从曲线变化规律可以知道，桩径变大能够在一定程度上控制基础的竖向变形。在0.8m 桩径以上差异沉降较小。故在基坑支护中控制变形不能只依靠提高桩径来实现，还需结合其他方面进行考虑。

图6 不同桩径下建筑物沉降

4 桩间距对基坑及建筑物变形的影响

土拱受力以及基坑稳定受桩间距的影响较大［5］，因此本文将以其为研究对象，对桩间距在建筑荷载以及土体的作用下发生变化时对建筑基础和桩体水平位移产生的影响。

4.1 围护桩的水平变形

围护桩抵抗弹性变形的能力在仅改变桩间距时只能通过桩间距大小进行体现，越大的桩间距则有着越弱的抗弹性变形能力。从下图中可知，在给定的桩间距范围内桩的水平变形状态有着基本一致的变化趋势［6］。从桩顶朝下的水平变形表现出朝坑内增加的趋势，在-7m 的位置有着最大的水平变形且有反弯点存在，在该点以下桩体的水平变形又有所减小。围护桩桩间距不同时在开挖面以下有着基本一致的水平位移，如图7 所示。不同的桩间距对桩身水平变形的影响较小，在0.9m～1.2m 的桩间距范围内，桩体的水平位移最大值基本在1mm 内变化，进一步分析可知桩间距对桩体水平变形的影响较小，可将其作为节约工程成本的主要方向。

图7 不同桩间距下桩体水平位移

4.2 建筑物沉降分析

由图8 可知，建筑物基础的绝对沉降在桩间距增大时也随之增大，但增幅较小，沉降量最大值在0.7mm 内变化，可知不同的桩间距所导致的建筑物基础沉降仅在小幅度内变化，可以将其作为基坑支护的重要考虑因素，因处于桩顶冠梁以及腰梁的作用下，围护桩有着显著的整体受力性提升，故在涉及桩间距时可适当将其放大，既能够确保结构的安全，又能在一定程度上节约资金。