卵石地层基坑开挖对邻近建筑物影响研究

梁鹏亮,张晓春,王 震

(山东高速工程建设集团有限公司,山东 济南 250000)

1 工程背景

郫都区太清路南延线工程项目位于成都市郫都区德源新城,太清路综合管廊全长约2 486 m,道路为城市主干路,主车行道为双向6车道,设计车速主线为60 km/h。太清路综合管廊工程为四舱标准断面,所设舱室分别为低压电舱、高压电舱、综合舱、燃气舱。太清路南延线拟建管廊全线采用明挖施工,开挖深度6.7～13.2 m,管顶覆土3.0～9.5 m,在太清综合管廊施工中邻近变电站、小区、厂区等。在道路桩号K0+350～K0+450区段处,地下管廊边线东侧邻近德源输变电站,其结构形式采用框架结构,地下半层,地上2层。

邻近德源输变电站处的太清路综合管廊基坑采用灌注桩+内支撑支护形式。基坑开挖8 m,灌注桩采用C30混凝土,其直径为1 000 mm,间距为1 800 mm,围护桩嵌入比为5 500 mm;围护结构的内支撑为一道,采用Q235钢材圆管,其外直径为609 mm,壁厚为16 mm,水平间距为5 000 mm。基坑所处土层以第四系人工填土(Q4 ml)与第四系全新统冲洪积(Q4al+pl)为主,开挖范围内土层为:素填土、松散卵石、稍密卵石、中密卵石、密实卵石。由于基坑所处位置土层主要以卵石地层为主,基坑每层土方开挖深度≤1.5 m,对于松散卵石地层,基坑每层土方开挖深度≤0.75 m。

2 模拟规律研究

2.1 建立模型

根据基坑与德源输变电站位置情况,取1-1断面采用二维有限元软件模拟。模型尺寸为110 m×30 m,模型划分为13 366个单元,13 557个节点。基坑宽度为12 m,开挖深度为8 m,既有建筑物与基坑围护结构外侧距离为24 m。

模型中既有建筑物简化为3跨,每跨6 m,既有建筑物地上高8 m,地下既有结构埋置1.5 m,基础埋深为2.5 m;模型中既有建筑物的板与柱采用梁单元模拟、基础采用2D单元模拟。围护结构采用梁单元模拟,并采用等效截面抗弯刚度法,将围护桩等效为连续墙,其直径简化为700 mm,桩长为13 500 mm。模型的侧向边界采用水平约束,底部边界采用水平约束与竖向约束。模型中各土层进行简化,其各土层深度与力学参数如表1所示,模型中围护结构与内支撑物理参数如表2所示。

表1 各土层物理参数

表2 围护结构与内支撑物理参数

模拟采用修正摩尔库伦本构,模拟的施工过程为:(1)初始阶段,模型位移清零;(2)施作围护结构阶段,施作围护桩,并且不考虑围护桩对既有建筑物的影响,位移清零;(3)第一次开挖阶段,基坑开挖3 m,开挖土层为2.5 m的素填土与0.5 m的松散卵石,并施作第一道钢支撑;(4)第二次开挖阶段,基坑开挖3 m,开挖土层为2.5 m的松散卵石与0.5 m的稍密卵石;(5)第三次开挖阶段,基坑开挖2 m,开挖土层为2 m的稍密卵石。

2.2 数值模拟分析

既有建筑物的沉降随模拟基坑开挖深度的增加而增加,当基坑开挖至8 m时既有建筑物产生的沉降、水平位移最大。在既有建筑物的基础底部取C1、C2、C3、C4四个点,比较四个点沉降量随基坑开挖深度的变化,如图1所示,在模拟基坑开挖过程中既有建筑物底部基础不设变形缝,既有建筑物的最大沉降发生在靠近基坑侧,最小沉降量发生在远离基坑侧,既有建筑物最大沉降量为0.32 mm,最小沉降为0.18 mm。模拟中既有建筑物的最大水平位移为0.34 mm,并且既有建筑物的水平位移整体向左侧移动,即向基坑侧移动。

图1 既有建筑物沉降量

在数值模拟中,基坑开挖2 m深度较浅,并且基坑未开挖至既有建筑物基础底面高程处,模拟中的地表沉降量较小;当基坑开挖至6 m时,由于受既有建筑物的影响,地表在20～40 m处产生的沉降量比两侧偏大,并且地表沉降量在距离围护桩0.5H处最大,最大沉降量为2.6 mm;当基坑开挖至8 m时,地表沉降量在距离围护桩0.5H处达到7.60 mm。在基坑开挖过程中最大地表沉降量发生在距离基坑围护桩外侧的一定距离处,由于受既有建筑物的影响,地表最大沉降量发生在距离基坑坑壁外侧0.5H(H基坑深度)处,如图2所示。

图2 地表沉降

既有建筑物受基坑开挖的影响下,既有建筑产生向基坑侧倾斜的状态,基坑与既有建筑之间土体产生挤压作用,使围护结构受到主动土压力作用,围护结构产生水平位移。随着基坑开挖深度的不断增加,基坑围护桩产生的水平位移逐渐增大,围护桩逐渐向基坑内侧移动,又考虑受既有建筑物的影响,其围护桩最大水平位移发生在桩长为0.55H处,最大的水平位移为12.73 mm,如图3所示。

图3 围护桩水平位移

基坑邻近既有建筑物时,既有建筑物的沉降量随远离基坑而逐渐减小,最靠近基坑侧既有建筑物的沉降量最大,沉降量最大处的既有建筑与基坑间的土体产生沉降,邻近既有建筑物的围护桩呈现内凹基坑的形式,既有建筑物整体向基坑方向呈现向下倾斜状态。

2.3 现场监测与数值模拟对比

太清路南延线项目综合管廊基坑邻近德源输变电站,现场布置监测点。对德源输变电站的监测点布置8个为B1～B8,水泵房监测点布置2个为B9～B10,监测的基准点为A1～A4。沉降监测使用液体静力水准仪,将10台液体静力水准仪作为沉降监测点分别安装在德源输变电站承重墙、柱底部,4台静力水准仪作为基准点安装在远离施工影响区域的稳定结构上。监测频率为每2 h一次,监测对太清路南线综合管廊施工影响的德源输变电站进行实时沉降数据采集。

通过对B1点监测数据进行整理汇总,德源输变电站随着地下综合管廊基坑开挖产生一定范围的沉降,并且现场每天监测沉降值不大于0.04 mm。将B1监测的沉降值累加,在其监测点处总沉降值为0.39 mm,而在数值模拟中既有建筑物的最大沉降值为0.32 mm。通过现场监测数据与模拟数据进行对比,如图4所示。模拟中既有建筑物最大沉降值产生的位置为最靠近基坑侧点,在进行数值模拟时采用1-1断面,故与B1点重合,并且数值模拟值与实际监测点值相接近,故采用的模拟参数合理。

图4 B1点处现场监测数据与模拟数据对比

3 卵石地层基坑对周围地表建筑物的影响分区

3.1 数值模拟分区分析

卵石地层松散,并且黏聚力低、自稳性差。在卵石地层基坑施工时,基坑开挖对周围土体产生扰动,周围既有建筑物因土体的变化,将会产生沉降与倾斜。在基坑施工前要考虑既有建筑物受基坑开挖影响的诸多因素,而对于既有建筑与基坑外边缘的间距作为最主要的因素应该重点考虑。针对基坑与既有建筑物的间距建立数值模拟。

模拟中基坑与既有建筑物的位置关系,基坑开挖深度为H=8 m, 既有建筑物与基坑围护结构的外侧间距为e,e的取值为0.1H、0.2H、0.3H、0.4H、0.5H、0.6H、0.7H、0.8H、0.9H、1.0H、1.5H、2.0H、2.5H、3.0H、4.0H。根据e的取值建立15个有限元模型。对于各土层深度的划分与各土层的物理参数如表1所示;围护结构与内支撑物理参数如表2所示;模型侧向边界采用水平活动铰支座形式,底部边界采用固定铰支座形式。

既有建筑物的最大沉降量与倾斜率随基坑与既有建筑间距变化如图5所示,随着e的逐渐增加,既有建筑物的最大沉降量逐渐减小,在基坑与既有建筑间距>1.5H时,既有建筑物最大沉降量随间距增加趋于平缓,如图5(a)所示。通过既有建筑物的沉降量进行既有建筑物倾斜率的计算,既有建筑物的倾斜率采用最大沉降量与最小沉降量差值比上出现沉降量最值的间距确定,既有建筑物倾斜率随间距的变化如图5(b)所示。

图5 既有建筑物随基坑间距变化数据图

3.2 影响分区

参考《建筑地基基础设计规范》对建筑物基础允许倾斜率规定,将既有建筑物受基坑开挖影响分区划分为强影响区、弱影响区以及无影响区,划分如表3所示。

表3 近接既有建筑物影响分区划分标准

根据图5中既有建筑物的倾斜率与间距关系,依据表4近接既有建筑物影响分区划分标准,考虑卵石地层基坑开挖对建筑物的影响范围可知,强影响区与弱影响区的划分边界为0.75H,弱影响区与无影响区的边界为2H。

针对卵石地层基坑开挖对建筑物影响范围考虑,基坑开挖时,周边建筑物位于强影响区内,要加强基坑开挖的稳定性、控制建筑物的变形,对于基坑方面,可以采用钻孔灌注桩或地下连续墙等围护结构,对于建筑物,可以采用建筑物基础注浆加固或基础托换的方式,降低建筑物的沉降量,保证建筑物的安全性。基坑开挖时,周边建筑物位于弱影响区范围内,要对建筑物加强监测,多布置监测点,对建筑物的沉降量要及时观测。基坑开挖时,周边建筑物位于无影响区内,通常不采取措施。

4 结 论

(1)建立数值模拟与实际监测数据进行对比,将模型参数进一步优化,采用修正摩尔库伦本构,模拟既有建筑物在卵石地层基坑开挖时造成的影响,模拟中卵石地层地表最大沉降量发生在距基坑0.5倍基坑深度的地表处,围护结构的最大水平位移发生在0.55倍基坑深度的桩长处,既有建筑物整体向基坑方向呈现向下倾斜状态。

(2)通过建立与实际监测数据对比的模型,进行影响分区的模拟,根据既有建筑物至基坑外侧边缘的间距划分工况,通过建筑物基础倾斜率进行影响分区的划分。在卵石地层的既有建筑物受基坑开挖时,影响范围为:强影响区为≤0.75倍的基坑深度,弱影响区为0.75倍的基坑深度至2倍的基坑深度,无影响区为≥2倍的基坑深度。

(3)根据影响分区的划分,考虑其建筑物在不同影响分区控制措施,强影响区内,要对基坑与建筑物进行加固;弱影响区内,多进行监测;无影响区内,通常不采取措施。