基坑开挖变形及其对周围建筑的影响分析

2022-10-07程馨玉付成华蒋林杰

人民珠江 2022年9期

程馨玉，付成华，刘健，蒋林杰

(1.四川岷江港航电开发有限责任公司，四川乐山 614001；2.西华大学能源与动力工程学院，四川成都 610039)

随着中国城市建设的高速发展，许多城市进入大规模的旧城改造阶段，涌现了大量的基坑开挖工程[1]。在密集的建筑物和复杂的地下空间利用形势下，基坑的开挖条件越来越复杂。基坑开挖时，主动区土体的卸荷效应[2]会使地层产生较大的附加应力，导致周围临近建筑产生严重的变形损坏[3-4]，影响建筑物正常使用和其耐久性[5]。反之，周围临近建筑物会导致新开挖基坑的变形更为明显，可见基坑开挖与周边环境的影响是相互的[6]。

近几年基坑开挖与周围建筑物的相互影响问题得到了广泛关注，国内外学者对基坑开挖过后基坑和邻近建筑物的沉降、变形做了许多研究。Mangushev等[7]在实际工程的基础上，结合数值模拟与实际监测结果，研究了基坑开挖过程中临近建筑物发生沉降变形的原因，并采用有限单元法计算了加固后的临近建筑物的沉降。王浩然等[8]以上海某具体工程为对象，通过土体硬化模型的三维有限元数值模拟和工程实测进行对比分析，研究了敏感环境下深基坑开挖时基坑变形及其对周边环境的影响。张治国等[9]采用三维有限元软件建立大底盘多塔楼模型，研究了基坑开挖对邻近大底盘多塔楼变形的影响以及大底楼盘桩基和板筏的变形规律。刘睿[10]用有限元软件建立北京地铁十四号线望京站三维模型，分析了两个明挖基坑围护结构的变形规律和基坑开挖对邻近建筑物的差异沉降及侧移的影响。李钢等[11]依托某桩锚支护深基坑工程，建立了深基坑支护体系与邻近建筑物的三维计算模型，结合实测数据，研究了深基坑开挖而引起的邻近建筑变形特征和沉降稳定性等问题。

以成都市某深基坑工程为例，研究基坑开挖过程中基坑围护结构的变形，基坑周围和内部土体的变形特征，以及基坑开挖对临近建筑物产生的影响。通过模拟实际开挖过程，结合施工期监测结果，对比分析基坑围护结构、基坑周围和内部土体、周围建筑物的变形。

1 基坑工程概况

拟建建筑物基坑面积约为5 000 m2，基坑周长约为430 m，距基坑1.2 m处为6层框架结构建筑物，总高26 m。拟建场地主要由第四系人工堆积填土，第四系全新统冲积粉土、细砂，冲洪积中砂及卵石以及白垩系上统灌口组泥质砂岩组成，地层分布见图1，自上而下土层及主要力学参数见表1。

表1 各土层物理力学指标

1.1 基坑开挖与支护方案

基坑开挖深度为8.5 m，安全等级为一级，基坑支护采用锚拉桩+斜撑+角撑的支护结构形式。靠近建筑物一面A—C段的支护结构示意见图1。基底拟采用锚拉桩支护结构形式，桩径1.2 m，桩间距2 m，桩长16.5 m，桩身混凝土等级为C30；桩顶设置冠梁一道，宽1.2 m，高0.8 m，冠梁混凝土等级为C35；在冠梁阴角处设置四道角支撑，采用钢管作为支撑材料，直径0.6 m，厚度0.2 m；距冠梁顶3 m处设置锚索4束，锚索长度为19 m，锚固段长度为13 m，自由段长度为6 m，采取预应力250 kN；冠梁以下4.5 m设置5条内支撑钢管，材质与角支撑相同，连接基坑底面；排桩之间的临空土面，采取30 cm厚的C25喷射混凝土铺满。其他区域均采用排桩+冠梁+喷射混凝土的支护方式。

图1 地层分布及支护结构示意

1.2 监测布置

为更好监测基坑开挖对周围建筑物产生的影响，按照工程建设监测要求及相关规范[12]进行监测，监测预警值[13-14]见表2。临近建筑物和基坑的监测点平面布置见图2。

表2 监测预警值

图2 监测点平面布置及模型计算范围示意

2 变形的实测资料分析

2.1 基坑围护结构水平位移分析

开挖至基坑底部到-8.5 m时，取基坑靠近建筑物一侧的A、B、C这3个累计水平位移最大的测点，其支护结构顶部的累计水平位移历时变化曲线见图3。支护结构的水平位移累计最大值发生在B点处围护桩顶部，为8.2 mm，未达到监测预警值；最大变化速率发生在A点处，为0.6 mm/d，未达到监测预警值。在整个基坑施工期间，总体上基坑围护结构顶部水平位移随施工发生不均匀变化；在基坑开挖至底部时，水平位移达到最大值；后期随着基础施工产生荷载的施加，围护桩侧向位移发生回弹，继而趋于稳定。桩顶累计水平位移总体开挖满足的基坑变形设计控制指标[14]。

图3 围护桩顶累计水平位移历时变化曲线

2.2 周围建筑物沉降分析

周围建筑物累计沉降历时曲线见图4。建筑物靠近基坑一侧相较于远离基坑一侧沉降更为明显。开挖至基坑底部时，建筑物靠近基坑一侧的JZ8点处为预留土体最薄弱的点，其累计沉降值最大，为12.81 mm，沉降值最小点为JZ3。对于累计沉降差最大的测点JZ8，角变量为0.57×10-5(设计角变量为0.002[14])，最大沉降速率为1.1 mm/d，建筑物整体朝着基坑方向倾斜。建筑物的沉降累计值、角变量和变形速率均小于监测预警值。

图4 周围建筑物累计沉降历时变化曲线

3 变形的有限元计算分析

3.1 计算范围及计算条件

3.1.1计算范围

基坑的开挖卸荷存在一定范围的影响区域[15]，见表3。本工程计算模型以基坑外轮廓为准，扩大3倍开挖深度，使模型范围包括可能影响区，最终确定计算模型尺寸(长×宽×高)为：104 m×74 m×30 m。

表3 基坑工程影响分区

3.1.2假定条件

数值模拟计算进行了适当简化：①模型介质取连续介质；②模型材料取各向同性；③支护结构如排桩、冠梁等采用线弹性模型；④不考虑地下水作用。

3.1.3边界条件

模型上部地表设置为自由边界条件，水平方向设置水平位移约束，底部设置固定边界。

3.2 有限元模型建立

根据计算范围，建立新开挖基坑和周围既有建筑物的三维有限元数值计算模型见图5。在模型中，采用三维实体单元模拟土体；二维板单元模拟喷射混凝土结构；一维梁单元模拟排桩、冠梁、支撑等支护结构。基坑支护结构包括支护桩、冠梁、预应力锚索、腰梁、土钉与喷面等，见图6。参考张瑞金等[16]的研究结果，基于修正摩尔-库伦屈服准则来进行数值计算。

图5 三维有限元计算模型

图6 基坑支护结构模型

利用PKPM建立周围既有建筑物模型，计算建筑的底层柱轴力和附加应力，作为有限元模型外部荷载。基坑支护结构具体参数见表4。

表4 支护结构参数

3.3 数值模拟基坑开挖步骤

建立有限元模型，模拟基坑开挖过程中各施工步骤，具体为：①基坑初始地应力平衡，位移清零；②临近建筑物荷载施加，位移清零；③基坑围护桩施工，冠梁施工；④基坑土体第一层开挖3 m，角支撑施工，第一层喷混施工、锚杆施工；⑤基坑土体第二层开挖1.5 m，第二层喷混施工、锚杆施工；⑥土体第三层开挖2 m，喷混施工；⑦土体第四层开挖2 m，喷混施工，斜支撑施工。

3.4 计算结果分析

3.4.1基坑围护桩变形分析

基坑围护结构在基坑周边土体自重应力和临近建筑竖向荷载共同作用下发生侧位移，取基坑靠近建筑物侧为开挖过程中的研究重点。围护桩水平位移见图7、8。由图7可知：基坑开挖完，冠梁跨中围护结构位移随着开挖深度的增加不断增大，且围护结构均向基坑内部偏移。基坑前后两侧上的位移变化要大于基坑左右两侧上的变化，一方面是基坑在临近建筑物一侧的荷载作用，另一方面是基坑前后两侧的临空面较大，刚度较小，容易产生变形。开挖到基底时，建筑物一侧向内最大偏移量为13.3 mm。基坑在建筑物对应侧的位移小于无建筑物侧，经分析考虑其原因为：建筑物侧凸起位置处围护结构跨度较小，刚度较大；同时围护结构中的两排短排桩对开挖临空面起支撑作用，分担了部分侧向力。

取基坑在建筑物侧跨中最不利的位置测点B为研究对象得到桩身位移，由图8可知：各开挖阶段的最大水平位移皆发生在桩顶处。围护桩测点B处在每个开挖施工阶段都表现出朝坑内位移的趋势，这是在建筑物荷载下，围护结构之间共同受力作用的特征。随着开挖深度加大，桩体暴露的临空面增多，桩身整体位移越来越明显，越靠近上部，位移越大。桩顶位移最大为13.3 mm，满足规范[17]要求的小于15.3 mm。

a)步骤4

b)步骤5

c)步骤6

d)步骤7

图8 测点B处围护桩侧向位移曲线

3.4.2基坑沉降分析

a)基坑周边土体沉降分析。有限元计算各开挖步骤下基坑底部及周边土体变形云图见图9，基坑靠近建筑物侧和无建筑物侧的坑外土体竖向位移最大，而且随着基坑开挖深度增加，越靠近基坑边缘土体沉降就越大。在基坑的无建筑物一侧，取测点H绘制步骤4—7的基坑周边土体沉降值曲线见图10。在每个开挖深度下，地表土体沉降均呈“凹槽型”，且随着开挖深度增加，其沉降也增大，最大沉降值为14.9 mm；在距基坑边缘12.5 m以内的土体沉降变化较大，距基坑边缘12.5 m以外的土体沉降逐渐变小并慢慢趋于稳定。

a)步骤4

b)步骤5

c)步骤6

d)步骤7

图10 不同步骤下基坑距周围地表土体沉降值曲线

b)基坑底面土体变形分析。取测点B与测点H连线所在的基坑截面为研究对象，绘制步骤4—7基坑底面土体竖向位移见图11。由图可知：基坑底面呈现中间土体稍隆起的“凹槽型”，随着基坑开挖深度增加，坑底应力释放趋于平稳，基坑底面隆起值逐渐减小。开挖至坑底，隆起值稳定在4.2 mm左右，最大隆起值发生在步骤5中靠近测点B的一侧，其值为9.79 mm。基坑底面竖向位移呈“凹槽型”分布的原因考虑为：一是由于开挖破坏了建筑物修建后形成的地应力环境和土体自身的应力稳定状态，移去覆土荷载后，土体应力释放造成土体回弹，基坑底部土体隆起；二是主动土压力及周围建筑荷载引起的应力作用，使基坑周边土体发生向坑内的塑性变形；三是基坑边缘因几何构造呈90°尖角形，易产生应力集中，导致基坑角落处变形较大。

图11 步骤4—7基坑底部土体竖向位移

3.4.3基坑开挖对周围建筑的影响分析

基坑各层开挖改变了原有的土体应力场，最直接的表现就是建筑物的沉降。根据数值模拟云图取JZ1至JZ10的沉降值见图12。建筑物靠近基坑一侧的沉降比远离基坑一侧的沉降大，且开挖深度越大，沉降越大。直到步骤7土体开挖完，建筑物最大沉降发生在JZ8点处，沉降量为10.52 mm，角变量为0.75×10-3。远离基坑一侧与靠近基坑一侧产生差异沉降的原因是，在基坑开挖之前，土体在建筑物荷载下已进行自我平衡，基坑土体被移走之后，应力条件发生改变。开挖导致地表及建筑物产生不同程度的沉降，建筑物距基坑近的一侧受影响较大，较远一侧受影响较小。

图12 周围建筑物基础沉降模拟值

4 综合分析

在实测变形分析和有限元计算分析的基础上，根据最大建筑地基荷载和围护结构变形位置确定变形最不利位置为测点B处，对测点B处围护桩变形进行综合分析。

因基坑开挖至基底时桩顶的水平位移量最大，故取此时测点B处桩体水平位移的有限元计算值同实测值和规范法计算值进行对比，见图13。监测值、规范法计算值及有限元计算值的最大水平位移皆出现在桩顶处，依次为8.2、10.2、13.3 mm，随桩身深度增大，水平位移逐渐减小。围护桩整体水平位移的实测值最小，规范法计算值介于实测值与有限元计算值之间。实测位移值略小于模拟值，考虑为工程所处位置的土体已经固结，数值模拟条件简化，单纯的模拟荷载没能考虑到荷载产生的土体固结情况。