复杂条件下深基坑开挖对古建筑影响及变形控制*

方能榕,李继光,蓝燕金,余国梁,李缘昊,林 熙

(1.中国建筑第八工程局有限公司,上海 201200;2.福建省建筑科学研究院有限责任公司,福建 福州 350108)

本文基于福州某一建筑深基坑工程场地内存在2栋文物保护建筑的特殊情况,提出针对性的基坑支护方案,并采用数值模拟方式对基坑施工过程进行研究,分析基坑开挖对邻近文物保护建筑的影响,并结合监测数据对基坑支护方案的合理性进行进一步验证,为工程技术人员提供参考。

1 工程概况

1.1 建筑深基坑工程周边环境

某建筑深基坑工程周边环境如图1所示,该基坑工程场地东侧为较场路,场地南侧为大樟溪,场地西侧为沙浮路,场地北侧为已建东方城及泰盛豪庭住宅。该项目用地红线内存在文物保护建筑裕源厝及天后宫,为保护该文物保护建筑,对其周边设置4m保护线。

图1 位置关系示意

1.2 建筑深基坑工程设计概况

该工程位于福州市,拟建8栋33层住宅及其附属商业楼、2栋8层住宅及其附属商业楼、1～2层社区配套用房,总建筑面积约208 811m2,建筑物高度约99m,其中地上33层,设2层地下室。

该基坑支护结构安全等级为一/二级,基坑周长约1 020m,开挖深度7.2～8.7m。由于该场地空间较开阔,对于远离文物保护建筑物的区域基坑支护方案采用放坡/土钉墙支护方式;对于文物保护建筑物周边剖面采用灌注桩+锚杆/钢筋混凝土对撑/钢斜撑支护方式,其中裕源厝及天后宫中间区域采用灌注桩+钢筋混凝土对撑支护方式,对于天后宫其余区域采用灌注桩+钢斜撑支护方式,对于裕源厝其余区域采用灌注桩+锚杆支护方式。

文物保护建筑物周边典型剖面如图2所示。

1.3 场地工程地质条件

场地地貌属于丘陵地貌,拟建场地地基土主要有①杂填土、②凝灰岩残积黏性土、③全风化凝灰岩、④砂土状强风化凝灰岩、⑤碎块状强风化凝灰岩、⑥中风化凝灰岩,场地岩土层分布及典型断面岩土层物理力学参数如表1所示。

表1 岩土层物理力学参数

1.4 场地水文地质条件

场地地下水类型可划分为上层滞水及孔隙、裂隙潜水2种类型,上层滞水主要赋存于①杂填土中,孔隙潜水主要赋存于②凝灰岩残积黏性土层、③全风化凝灰岩、④砂土状强风化凝灰岩,裂隙潜水主要赋存于⑤碎块状强风化凝灰岩、⑥中风化凝灰岩中。稳定水位埋深为0.30～10.58m。

2 施工影响分析

2.1 分析假定

本文采用二维有限元软件对上述工程建立二维模型进行模拟分析,研究建筑深基坑施工对邻近文物保护建筑的影响。

整个模型建立过程基于如下假定。

1)土体在自重作用下产生的变形和应力在开挖前已完成,在计算中不予考虑,且不考虑土体变形的时间效应。

2)锚杆采用Embedded桩单元模拟,灌注桩采用板单元,钢筋混凝土内支撑、素混凝土传力带采用锚定杆单元,混凝土重度为25kN/m3。

3)土体本构模型方面。土体均采用硬化土本构(plastic-hardening model),对应硬化土本构模型,土层重度及强度参数指标按表1取值,对于刚度参数E50,Eoed,Eur,基于工程经验,对杂填土及残积土按Es1-2∶E50∶Eoed∶Eur=1∶1∶1∶5取值,对风化岩按Es1-2∶E50∶Eoed∶Eur=1∶1∶1∶3取值。

4)建筑荷载取20kPa,场地超载取10kPa。

2.2 模型工况

根据以上所述,结合文物保护建筑周边支护典型剖面进行建模,模型如图3所示。

图3 模型土体及结构示意

对于剖面1,该模型工况可分为:①初始地应力平衡;②围护桩及钢筋混凝土内支撑施工;③开挖1(开挖至相对标高-3.000m);④施工第1道锚杆;⑤开挖2(开挖至相对标高-5.800m);⑥施工第2道锚杆;⑦开挖3(开挖至坑底);⑧施工素混凝土传力带;⑨拆除钢筋混凝土内支撑。

对于剖面2,该模型工况可分为:①初始地应力平衡;②围护桩施工;③开挖1(开挖至相对标高-2.500m); ④除预留土台外土体开挖(开挖2,开挖至坑底标高-7.550m);⑤施工钢斜撑;⑥挖除预留土台;⑦施工素混凝土传力带;⑧拆除钢斜撑。

2.3 安全判定标准

对于土体地表沉降,依据GB 50497—2019《建筑基坑工程监测技术标准》规定,基坑设计安全等级为一级时,地表竖向位移监测预警值为25～35mm,本文取25mm作为允许值。

对于建筑沉降,依据GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》中第9.3.1条规定当无地方工程经验时,对于风险等级较低且无特殊要求的建(构)筑物,沉降控制值宜为10～30mm,本文取10mm作为允许值。

对于建筑倾斜,依据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》,处在中、低压缩性土区域的砌体承重结构基础的局部倾斜变形允许值为0.002。

对于基坑支护围护桩顶部(深层)水平位移,依据《福州市深基坑与建筑边坡工程管理暂行规定》(榕建筑〔2010〕13号),对于一级基坑,取20(40)mm和0.2%(0.3%)的基坑深度的较小值,本文基坑最小深度为7.2m,依据最不利原则,围护桩顶部水平位移取限值为0.2%×7.2m=14.4mm,围护桩深层水平位移取限值为0.3%×7.2m=21.6mm。

2.4 模型结果分析

1)土体变形 土体拆撑工况对应的土体变形云图如图4所示,可发现,拆除内支撑后,对于剖面1,土体最大水平变形为-13.64mm,土体最大竖向隆起变形为11.15mm,最大沉降变形为5.86mm;对于剖面2,土体最大水平变形为-12.08mm,土体最大竖向隆起变形为11.23mm,最大沉降变形为6.23mm,均满足深层水平位移≤21.6mm的要求。

图4 拆撑工况土体变形结果云图

2)围护桩桩身变形 选取图3所示1,2,4号围护桩,提取各开挖及拆撑工况桩身侧向变形数据,其变形曲线如图5所示。可发现,随着土体的开挖,桩身侧向变形逐渐增加,最大变形发生于灌注桩+钢斜撑支护剖面及灌注桩+内支撑支护剖面的拆撑工况,分别为13.64,13.35mm,均满足围护桩顶部水平位移≤14.4mm 及桩深层水平位移≤21.6mm的要求。

图5 桩身侧向变形曲线

3)邻近建筑变形 不同工况地表沉降变形曲线如图6所示,可发现,对于剖面1,随着基坑开挖及拆撑,地表沉降随之增加,最大变形发生于拆撑工况,值为5.83mm,建筑最大沉降为5.11mm,最大附加倾斜度为0.000 5;对于剖面2,随着基坑开挖及拆撑,地表沉降随之增加,最大变形发生于拆撑工况,值为6.18mm,建筑最大沉降为6.09mm,最大附加倾斜度为0.000 3,均满足地表沉降≤25mm、建筑沉降≤10mm及建筑倾斜度≤0.002的要求;各工况文物保护建筑的沉降变形均在安全范围内。

图6 地表沉降云图

3 监测对比分析

该工程施工过程中对桩身、深层土体位移、邻近建筑沉降及位移、坡顶变形等项目进行了监测,在此对桩身水平位移及建筑沉降进行数值计算结果与实测数据对比分析。

针对桩身水平位移及建筑沉降的监测方案如下。

3.1 桩身水平位移

桩身水平位移监测采用直径70mm且长度与支护桩深度基本相同的测斜管,将测斜管埋设于支护桩中,以监测基坑开挖引起的支护桩侧向位移,共布设29个监测点。在基坑开挖期间,当开挖深度≤H/3时,监测频率为1次/(2～3)d;当H/3≤开挖深度≤2H/3时,监测频率为1次/(1～2)d;当开挖深度>2H/3时,监测频率为1～2次/d。

3.2 建筑沉降

对于建筑沉降的监测采用专用测量钉或选用标志点布设在建筑结构柱或墙体的方式,对裕源厝布设13个沉降监测点,对天后宫布设6个沉降监测点。监测频率同桩身水平位移一致。

该基坑开挖完成时,桩体水平位移的有限元计算值与现场实测值如图7a所示,可看出,实测桩水平位移最大值为13.55mm,与有限元计算值对比可发现:桩身实测水平位移最大值与有限元计算得到的桩身水平位移最大值13.64mm基本相当,且都呈现桩顶大、沿深度逐渐减小的分布规律。

图7 监测数据与计算结果对比分析

该基坑开挖完成时,建筑沉降的有限元计算值与现场实测值如图7b所示,可看出,实测建筑沉降最大值为4.18mm,与有限元计算值对比可发现,建筑实测沉降最大值略小于有限元计算得到的建筑沉降最大值6.18mm;数值模拟结果及监测数据均表明,文物保护建筑在基坑开挖期间产生的沉降量均处于控制值内,该支护方案可保证文物保护建筑安全。

4 结语

本文针对福州某邻近文物保护建筑的深基坑工程,采用数值模拟方式对基坑施工对邻近文物保护建筑的影响进行了研究,得到以下结论。

1)对文物保护建筑物设置4m的保护线,并采用灌注桩+锚杆/钢筋混凝土对撑/钢斜撑支护方式可控制对周边文物保护建筑的变形。

2)依据灌注桩+锚杆/钢筋混凝土对撑/钢斜撑等支护方案对该基坑进行施工,土体变形、桩身变形及邻近建筑变形均满足国家及福州市相关规范及标准要求。

3)根据监测结果的对比分析,有限元计算结果与实测结果规律一致,较吻合。