深基坑邻近砌体房屋安全风险评估与管控研究

2023-08-05周建威宿松县重点工程管理处安徽安庆246500

安徽建筑 2023年7期

周建威（宿松县重点工程管理处，安徽安庆 246500）

0 引言

由于深基坑工程一般都在市区内，周围的地质环境比较复杂，相邻建筑物密集，施工条件有限，在施工中必须保证其结构和相邻的建筑物的安全。近几年，随着我国深基坑建设的不断增多[1]，在设计和施工中，既要考虑基坑本身的变形，又要考虑相邻建筑物的沉降。基坑开挖对现有建筑物的影响主要是周边地基发生沉降，从而使相邻建筑物地基发生不同程度的沉降[2]，进而导致建筑物发生破坏。根据已有的研究成果，认为在深基坑施工中存在着许多危险因素，而且许多危险指数都不能量化，从而使其与实际情况存在一定的偏差。因此，利用数值仿真软件对基坑开挖进行仿真，全面、系统地分析深基坑开挖对邻近砌体房屋的影响因素。

1 工程概况及基坑模型建立

利用MIDAS GTS/NX 有限元软件，在相邻的砌体结构的基础上，构建深基坑的三维模型[2]。该基坑为典型的多边型，其短边宽38 m、长边宽82 m，最大高度差为10 m 左右，从上至下依次为16.8 m 厚的充填土、5 m 厚的砂质泥岩和砂岩。由于基坑的水平高度差异比较大，因此在较小的基础上进行简单的设计。基坑西侧的建筑物与基坑的垂直距离为20 m，基坑横断面如图1所示。

图1 基坑横断面

图2 基坑计算模型图

图3 基坑支护结构监测点位平面图

在进行数值模拟时，首先要考虑模型的边界尺寸，因为基坑比周边土壤和建筑的边界尺寸大3～5 倍，所以该模型所使用的体积为300 m×200 m×80 m，共计170621 个单位。从有限元分析上来看，在模型网格的分割上，网格分布的密度愈大，其计算的精度就愈高，但是过于密集的网格分割会极大地增加计算的耗时，因此正确地分割网格是改善模型运算速度的关键。故采用基坑内部为密度大的网格，外侧网格密度小，离基坑边缘越远，网格密度越大。

2 数值模拟结果分析

采用MIDAS GTS/NX 有限元软件对基坑进行数值模拟，得出基坑水平位移、周围地表沉降、邻近结构物沉降等数据，并对3 种不同的基坑支护结构进行了横向位移、周围地表沉降、邻近结构物的沉降等变化情况研究。其中X 方向是深基坑的东西方向，Y 为南北方向，观测点位位于基坑上方，从北边起依次为ZD1～ZD26；按顺时针方向，每隔10 m处布置一处观测站，共计26处。

2.1 支护结构水平位移结果分析

基坑开挖时，支护结构的横向位移与支护形式、地质条件、基坑开挖深度等因素有关，三者之间存在着密切的关系，因此，对支护结构的变形特征进行合理的分析是控制工程变形的关键。图4 为基坑支护结构在不同施工状态下X、Y方向的水平位移云图。

图4 不同工况下基坑支护结构水平位移云图

从总体上看，支护结构的横向位移是以法线位移为主，其最大位移随基坑开挖深度的增加而增大；基坑开挖结束后，在X 方向上最大水平位移为10.5 mm、Y方向最大水平位移7.9 mm，最大变形点位于基坑西侧ZD25 及基坑北侧ZD4 处。在开挖过程中，基坑内部变形量很小，从基坑中心向两侧的水平位移值呈递减趋势。从图4 可知，由于东边和西边高差10 m，而东边的整体开挖深度要小于10 m，所以整个东边墙的变形也比较小。通过数值模拟可以发现，在3 种不同的开挖条件下，支护结构的水平位移都比控制值（30 mm）要小，而且变形也比较均匀。

在X 方向横向移动时，工况1（地下连续墙）的最大水平位移比工况2（排桩支护）和工况3（水泥桩墙）稍小。在施工初期，工况3 支护结构的横向位移增加较大，而工况1、2 条件下的横向移动速度较平缓。

在Y 方向横向移动时，支撑结构最大水平位移比工况2和工况3稍高，但均处于安全控制范围之内。在三种工况下，各施工阶段在Y 方向上的最大水平位移值基本一致。

以ZD25 为例，并以ZD4 作为对照样本，分别绘制工况1 支护结构在施工过程中的横向变形情况。

从图5 可以看出，因为支护结构未设置内部支撑，所以从开挖到施工结束，其最大变形点都在支护上；其变形形态均为悬臂型位移。由于墙体的下部存在承载力较低的土壤，因此下侧的水平位移比较小。随着基坑开挖深度的增大，基坑外侧土体压力逐渐增大，导致了内外土压的不均衡[4]，使支护结构受到的外力不断加大，同时支护结构的变形量也在逐步增加。在基坑开挖深度增大时，受锚索的影响，其平均水平位移递减。在开挖中后期，支护结构的最大变形速度减缓，这是因为支护结构和锚索的合理配置对支护结构的变形起到了很好的抑制作用。

图5 基坑西侧水平位移变化图

2.2 基坑周边地表沉降结果分析

基坑周围的地面沉陷是一个重要的问题，它不仅会对周围的建筑物产生破坏，而且还会对基坑产生一定的破坏。图6 是基坑开挖后，在不同工作条件下的整体垂直位移云图。

图6 基坑周围地表沉降云图

从图6 可知，在基坑开挖完毕后，3种工作条件下的地面最大沉降量都低于30 mm。在基坑周围，土壤发生了不同的垂直变形，并出现地基上凸现象。最大的沉降发生在深基坑西侧ZD25 处，最大沉降为8.35 mm。这是因为基坑西面的斜面高达17.0～18.9 m，而在这一侧的基坑底仅使用了两列锚索作为支撑，导致了基坑的下沉力比其他测量点都要大。根据工程实际情况可以看到，在基坑南侧，地面下沉云图基本上是均匀分布的，而在基坑东西两边，因为高度差异在10 m 以上，基坑西部沉降较大。三种工作条件对基坑周围地面沉陷的作用是相同的。以基坑西侧ZD25 为例，绘出了基坑周围地面沉降量与坑壁间距的关系曲线，如图7所示。

图7 基坑西侧地表沉降规律图

如图7 所示，在基坑开挖一次后，周围的土壤就会出现下陷，而这个时候的开挖深度还很浅。由于土体的卸荷效应很弱，所以周围地面的沉降量很少，最大的下沉量只有0.93 mm。开挖深度越大，周围地面沉降越大，影响越广，基坑开挖后最大沉降达到8.35 mm。在基坑开挖过程中，基坑周边地面沉降在不同的深度下基本是一致的，属于“凹型”。沿基坑的方向，沉降量先增加后减少，而邻近的基坑则因该基坑的开挖而产生变形[4]；同时，由于地下连续墙与基坑之间的摩擦作用，使其在某些方面受到了限制，在某一时刻出现了先增大后减小的变化。基坑最大沉降发生在基坑西端4 m 处，在此两侧的沉降值逐渐减小，而在30 m 以外的位置则相对较小，地表基坑开挖对周围土壤的影响范围较小。在开挖深度为1.5 倍时，其沉降量很小，且变化很慢。

2.3 地下连续墙厚度对邻近结构物的影响

基坑支护结构的刚度受材料、尺寸、厚度等诸多因素的影响，本文旨在探讨基坑工程中支撑结构刚度对基坑变形和相邻结构的影响。以基坑西侧为研究对象，在基坑西侧，原设计厚度为1.5 m的基础上，对厚度为1.0 m的地下连续墙进行数值模拟分析。图8为不同厚度的基坑围护变形和相邻建筑物地基变形云图。

图8 基坑支护结构水平位移与邻近结构基础沉降云图

为更直观地了解基坑基坑的变形和相邻基坑的变形情况，利用云图资料，绘出基坑西侧观测点ZD25 的水平位移和最大沉降曲线，如图9、图10所示。

图9 水平位移变化图

图10 沉降最大值变化图

由图9和图10可知，在不同厚度的情况下，支护结构的水平位移形式为悬臂型，最大顶位位移最大，当地下连续墙为1.0、1.2、1.5、1.8 m时，相应的最大水平位移为11.10、9.59、8.03、7.49 mm，均发生在基坑西侧ZD25。当基坑连续墙厚度增大时，其横向位移也随之降低，当基坑开挖深度为1.2～1.5 m时，其横向位移降低1.56 mm；而在基坑开挖深度为1.8 m时，基坑支护结构的横向位移只有0.54 mm。结果表明，增大地下连续墙的厚度能够有效地降低支护结构的横向位移，从而对基坑的变形进行控制。因此必须结合实际情况，选用适当厚度的地下连续墙。当相邻建筑物地基在1.0、1.2、1.5、1.8 m时，相邻建筑物地基的沉降量分别为2.09、2.05、1.99、1.81 mm，有减小的倾向，但最大的变形不大于0.5 mm，说明相邻建筑物地基受地基的沉降影响较低，因此可以采用增大连续墙的厚度来抑制相邻建筑物地基的沉降。

2.4 基坑开挖对邻近结构物变形控制措施

在控制地基变形的同时，还可以通过阻断基坑开挖时产生的土体变形，降低其变形。主要是在基坑与需要防护的建筑物之间设置隔断墙，例如地下连续墙、钻孔灌注桩、钢板桩等组成墙。隔断墙是利用墙来承受基坑开挖时产生的土压力和地层应力，阻止其在周围环境中的扩散，因此可以有效地降低基坑开挖对相邻建筑物的影响。隔断墙的作用受多种因素的影响，通常情况下，离建筑物较近的地方效果会更好，而墙体本身的刚性和埋入深度也会对其产生一定的影响。但是，由于隔墙造价昂贵，仅设隔断墙会造成工程工期的延长，而对相邻基坑进行隔墙防护的研究很少，缺少相应的理论基础。因此，它在实践中的应用比较少。