毗鄰建筑荷載對基坑支護結構變形的影響研究

胡鐵馨， 李順群， 李 丹

(1.天津城建大學土木工程學院，天津 300384；2.天津市南洋金龍建筑工程有限公司，天津 300384)

毗鄰建筑荷載對基坑支護結構變形的影響研究

胡鐵馨1， 李順群1， 李 丹2

(1.天津城建大學土木工程學院，天津 300384；2.天津市南洋金龍建筑工程有限公司，天津 300384)

基坑支護結構的設計不僅受土體成分、主被動土壓力和地下水位的影響，同時受毗鄰建筑物的影響也較大。結合天津某基坑工程，通過ABAQUS有限元軟件模擬受毗鄰建筑物影響的基坑支護結構，分析了基坑周邊存在不同高度建筑物及相同高度建筑物與基坑不同水平距離作用下，支護結構的水平位移和應力的變化規律。得出的結論是：樁身最大水平位移隨著荷載的增加及荷載離基坑距離的減小而增大；樁身最大水平應力隨荷載的增加及荷載離基坑距離的減小而增大，最大水平應力都出現在樁身-9 m處。

基坑；支護結構；ABAQUS；數值模擬;水平位移；應力

隨著經濟的迅猛發展，城市中高層建筑物的興建以及地下空間的開發利用，出現了大量的基坑工程。在新建基坑的周邊存在已建建筑物是不可避免的，這就引出了一個問題，在這些建筑物密集區開挖基坑，不僅要考慮到基坑本身的安全，還要考慮到周圍的建筑物、道路和地下管線的安全[1]。如何減小基坑支護結構的位移，保障基坑支護結構的安全和穩定，進而減小對周圍環境的不利影響是一個迫切需要解決的課題。

1 基坑與毗鄰建筑物的相互影響

由于基坑的開挖是對原狀土體的一種卸荷過程，使得場地原已穩定的應力場隨著基坑的開挖發生不斷變化。不僅表現為基坑周邊土體的變形，例如基坑側壁的位移、支護結構變形、周圍地表的沉降以及基底隆起等，而且還會對臨近建筑物的地基反力分布產生較大影響；又由于建筑物的基礎與地基土體的剛度差異較大，會致使建筑物的基礎和地基之間的接觸產生“不緊密”或“脫離”的現象。為了使變形達到新的協調，地基將與基礎及其上部建筑結構在荷載的作用下發生共同變形。

如果基礎變形過大，會對周邊建筑物的外觀、正常使用功能和結構的安全性帶來一定的影響。基坑土體的開挖可能會引起周邊建筑物的剪切破壞和拉裂破壞。剪切破壞會對建筑物上部結構的墻體產生附加應力，導致墻體強度降低；拉裂破壞會對建筑物上部結構的墻體產生附加應力，導致墻體發生拉裂破壞，使垂直裂縫方向的墻體不能再繼續承受拉力[2]。

同時毗鄰建筑物的存在會對基坑存在不同程度的影響；建筑物的自重增加了基坑的附加應力；基坑降水會使周圍地面產生沉降現象，而臨近建筑物的存在會使沉降程度進一步加大；由于基坑的開挖是一個卸載的過程，周圍附加應力有可能對基坑隆起產生有利條件。在基坑支護結構設計時應當充分考慮到支護結構的位移變形和承載能力的水平，確保支護結構的剛度和穩定性。

2 有限元程序模擬分析

本文運用ABAQUS有限元程序對天津某基坑工程實例進行模擬，分析了當基坑周邊存在不同高度建筑物以及建筑物與其距離不同時，基坑支護結構受到的影響。

2.1 工程概況

本基坑工程位于天津市，其開挖深度為8 m，平面尺寸為50 m×30 m。基坑采用鉆孔灌注樁加冠梁的支護形式。周邊存在成片住宅小區，其中有一棟距離本基坑為6 m的6層住宅樓，其橫截面尺寸為10 m×14 m，如圖1所示。

2.2 相關設計參數

鉆孔灌注樁的直徑為1 m、樁長為24 m、樁間距為1 m，混凝土強度等級為C30；冠梁的截面尺寸為1 m×0.8 m(寬×高)，混凝土強度等級為C30。支護結構的材料力學相關指標見表1。

本基坑所處地區主要以耕種土為主，土體成分從上往下依次為雜填土、粘土、粉質粘土和粉土。土體的具體物理力學指標見表2。

圖1 6層住宅樓示意圖

表1 混凝土材料力學指標

2.3 計算模型及邊界條件

2.3.1 計算模型

表2 土體的物理力學指標

為保證建立模型的正確性，應合理地處理外部荷載和邊界條件。考慮到影響建模的因素較多，可忽略一些次要的影響因素，充分利用結構以及荷載的對稱性，對計算模型進行簡化。既可以輕松地建模和網格劃分，又可以縮短程序的計算時間。

根據文獻[3]可知，當基坑開挖寬度不小于基坑開挖深度H時，取(2～3)H處作為開挖面后的邊界；取開挖面以下的0.5H處作為下邊界；如果繼續擴大計算范圍對基坑變形也沒有顯著的影響。所以根據本基坑實際情況，取基坑開挖深度的4倍為豎直方向(y軸方向)的尺寸；取基坑向外各延伸4倍開挖深度為水平方向(x軸方向)的尺寸；即基坑模型的長為8H+L=114m，高為4H=32m。其中:H為基坑開挖深度(m)，L為基坑開挖長度(m)。對于樁體和土體采用4節點四邊形雙線性減縮積分平面應變單元CPE4R進行模擬，樁土之間采用摩擦接觸，摩擦系數取0.4。

2.3.2 邊界條件

由于基坑的對稱性，可以取模型的1/2部分進行計算，計算簡圖如圖2所示，邊界條件限定為：土體模型兩側的水平位移即x軸方向位移為0，模型底部x軸與y軸兩個方向的位移為0。這樣不僅可以減輕計算量，而且可“提高位移函數的初期逼進度，從而得到更為合理的計算結果”[4],網格劃分如圖3所示。

2.4 基本假定

圖2 基坑1/2模型計算簡圖(單位：m)

圖3 模型網格劃分

為了簡化計算，縮短計算時間，假定不考慮土體的排水固結以及土體受基坑支護結構施工的擾動影響，同時不考慮地下水的作用和時間因素。假定同一種材料為均質、各向同性，并假定樁和冠梁為理想彈性材料，土體為理想彈塑性材料。本文土體采用Druker-Prager彈塑性模型，其屈服準則的表達式為：

(1)

式中：F為屈服函數；I1為應力張量的第1不變量；J2為應力偏量的第2不變量；α、k分別為與巖土材料的粘聚力c以及內摩擦角φ有關的常數。

本文為模擬具有不同荷載的建筑物以及建筑物距基坑不同距離時對基坑支護結構的影響，現進行兩種假定：

(1)存在6層和12層建筑物，距離基坑都為6m，模擬不同建筑物與基坑的距離相同時對深基坑支護結構的影響。

(2)存在6層建筑物，距離基坑分別為6m、10m以及14m，模擬同一建筑物與基坑距離不同時對支護結構的影響。

假定建筑物是以荷載的形式施加給基坑支護結構，荷載取每層樓自重為20kN/m2且均勻作用在土層上。本文不考慮其他荷載對基坑支護結構的影響。

3 計算結果分析

3.1 不同層數建筑物對深基坑支護結構的影響

(1)圖4為建筑物層數分別為6層和12層、距基坑6 m時，樁身水平位移的變化情況。由圖可見，當建筑物為6層時樁身最大水平位移為21.71 mm，而當建筑物為12層時樁身最大位移為42.95 mm，是6層樁身位移的1.98倍；通過對比分析，其位移倍數關系基本符合荷載的2倍關系。隨著樁身埋入深度的增加，樁身水平位移逐漸減小，最大位移出現在樁頂；在基坑底部以上，兩種情況的水平位移大致呈線性關系，而在基坑底部(-8 m)處出現反彎點。反彎點以下隨著樁的埋深加大，水平位移變化幅度變小，這是由于基底土體提供了主動土壓力，阻礙了樁身的位移變形，而且隨著土層深度的增加，建筑物荷載對樁身的影響也隨之逐漸減弱。

圖4 不同荷載條件下樁身水平位移

(2)圖5為建筑物層數分別為6層和12層、離基坑水平距離為6 m時，樁身水平應力的變化情況。通過對比分析可知，在基坑底部(-8 m)以上兩種情況的樁身應力相差不大，但在-9 m時應力值達到最大，同時兩種情況的應力值相差最大，大致成2倍關系。在-9 m以下應力曲線呈拋物線走勢，其應力值逐漸變小，兩條應力曲線仍然保持著比例關系。

3.2 不同距離對深基坑支護結構的影響

(1)圖6為6層建筑物距基坑分別為6 m、10 m和14 m時支護結構樁身的水平位移變化曲線圖。通過對比分析可知，隨著建筑物與基坑的距離增加，樁身的水平位移逐漸減小；在基坑底(-8 m)以上，距離為6 m時樁身水平位移變化最大，而距離為14 m時變化最小：這說明荷載距基坑越遠，對基坑的影響越小。在基底(-8 m)處同樣出現了反彎點，與不同荷載作用時情況大致相同。由于基底土體的影響，在3種情況作用下樁身-8 m以下的位移相差不大，甚至有重合之處。

圖5 不同荷載條件下樁身水平應力

圖6 建筑物不同位置時樁身水平位移

(2)圖7為6層建筑物距基坑分別為6 m、10 m和14 m時樁身水平應力的變化情況。在基坑底(-8 m)以上3種情況的應力值非常接近，直到在-9 m時應力值出現突變，且3種情況的應力值相差非常大，其比例關系與到基坑的距離比例關系相似。在-9 m以下應力值呈拋物線走勢，應力值逐漸變小。建筑物距離基坑6 m和10 m時，應力曲線存在交叉點。

圖7 建筑物不同位置時樁身水平應力

4 結論

(1)樁身最大水平位移隨著荷載的增加以及荷載離基坑距離的減小而增大。基底以上的樁身水平位移呈線性變化，而在基底處水平位移曲線出現反彎點；基底以下樁身水平位移與基底以上水平位移變化相比較小，呈拋物線變化。

(2)樁身最大水平應力同樣隨著荷載的增加以及荷載離基坑距離的減小而增大，最大水平應力都出現在-9 m。-9 m以上水平應力值都非常小，而-9 m以下水平應力值較大。在支護設計時要重點考慮基底以下水平應力值的大小。

[1]侯勝男,劉陜南,劉 征，等.緊鄰深基坑某歷史建筑變形實測分析[J].地下空間與工程學報,2011,7(5):977-982

[2]劉 影,王旭東.地下開挖對臨近建筑物損害影響評估綜述[J].地下空間與工程學報, 2009,5(4):841-847

[3]陳進杰,賈金青,張明聚.土釘支護工作性能參數分析[J].巖土工程學報,2001,23(5):618-622

[4]王 進.高層建筑深基坑開挖三維彈性、彈塑性有限元分析[D].西安:西安建筑科技大學,2001

A Study of the Effect of the Load of the Adjacent Building on the Deformation of the Supporting Structure for a Foundation Pit

HU Tiexin1， LI Shunqun1, LI Dan2

(1.College of Civil Engineering,Tianjin University of Municipal Construction,Tianjin 300384，China；2.Tianjin nanyang jinlong construction engineering co., LTD，Tianjin 300384,China)

The design of a supporting structure for a foundation pit is not only affected by the soil composition,active and passive earth pressure and the underground water level, but also, at the same time,by adjacent buildings to a comparatively great extent.With the project of a certain foundation pit in Tianjin as a practical example,in the paper an analysis is made,by using the ABAQUS finite element software to simulate the foundation pit affected by adjacent buildings,of the horizontal displacement and the law of the change in stress of the supporting structure under the action of adjacent buildings of different heights and adjacent buildings of the same height at different horizontal distances. The conclusion thus obtained is as follows:the maximum horizontal displacement of the pile body increases with the increase in the load and the shortening of the distance between the load and the foundation pit;the maximum horizontal stress of the pile body also increases with the increase in the load and the shortening of the distance between the load and the foundation pit, with the maximum horizontal stress always appearing at the height of 9 meters of the pile body.

foundation pit;supporting structure;ABAQUS;numerical simulation;horizontal displacement;stress

2016-05-12

胡鐵馨(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為地下結構。550554849@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.06.013

TU433

A

1672-3953(2016)06-0049-04