既有建筑與基坑相互影響的有限元分析

汪智慧

(中國建筑東北設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110003)

既有建筑與基坑相互影響的有限元分析

汪智慧

(中國建筑東北設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110003)

針對基坑開挖影響周邊環境，周邊環境也會對基坑產生影響這一問題，將基坑對建筑物的影響分為3個區域，分析了不同區域內建筑物的高度、基礎埋深對地面沉降及圍護結構最大水平位移的影響.分析表明：隨建筑物層高的增加，地表最大沉降加大，圍護結構水平位移增大，但在不同區域影響程度不同；隨基礎埋深的增加，地表沉降及圍護結構水平位移均會減小，不同區域影響程度亦不同.建筑物傾斜方向與天然地面一致，傾角也與天然地面基本一致；地表最大沉降增量與圍護結構最大水平位移增量之比隨層高增加趨于一致，隨埋深增加而減小.

基坑；建筑物；相互影響；層高；基礎埋深； Plaxis 2D

0 引言

隨著我國城市地下空間建設的快速發展，常常需要在建(構)筑物、地下管線附近開挖基坑，這使得基坑周邊環境的保護成為越來越嚴峻的問題[1].當基坑周邊有建筑物時，圍護結構與地面變形會增大，而變形的增大受建筑物的位置、基礎形式、建筑物高度、埋置深度等影響，所以在對基坑周邊建筑物進行保護時，必須綜合考慮建筑物的重要性等因素而制定相應變形控制標準.

R. B. Peck[2]對軟土深基坑開挖引起地表沉降進行詳細研究，得出最大下沉量與開挖面距離關系經過基坑開挖深度標準化處理后的無因次曲線，在各國廣泛應用.侯學淵等[3]在工程實踐中，借鑒三角形沉降公式的思路提出基坑地層損失法概念.李淑等[4]對北京地鐵深基坑地表變形特性進行研究并得出深基坑開挖引起地表變形最終表現為“凹槽形”.沈健[5-6]等分別采用有限元方法對鄰近建筑物樁基礎影響進行分析，通過模擬與實測值對比分析驗證了計算的合理性.鄭剛[7]等采用有限元方法分析不同圍護結構形式的基坑開挖對鄰近建筑物影響，提出基坑圍護結構最大水平位移控制標準來保證對環境影響的控制.此外，張亞奎等人也對基坑-建筑物相互影響問題作出有益研究[8-10].

本文針對基坑周邊淺基礎建筑物沉降與圍護結構的最大位移關系進行分析，得出不同區域、不同層高和不同埋深情況下的建筑物與基坑間的相互影響規律，為實際工程中如何控制圍護結構變形，亦為合理有效地保護基坑周邊環境提供參考.

1 有限元模型的建立

文中采用Plaxis 2D對剖面圖進行簡化分析，考慮對稱性，選取半剖面建立基坑計算模型，基坑計算寬度為15 m；坑外寬度為85 m.深度取至地表以下62 m.建筑物模型僅考慮傾角變化，其整體剛度遠大于地層剛度，因此其變形可以近似為剛體變形.考慮基礎與地基土體之間的相對位移，二者的單元采用共同的節點，不設置接觸界面.有限元模型如圖1所示，模型的具體參數如下：

(1)基坑參數：基坑開挖深度13 m；圍護結構采用地下連續墻，厚度0.8 m，深度24 m，其與土體之間邊界采用界面單元進行模擬，界面參數取0.40.施工過程包括：①平衡地應力，并將位移清零；②激活建筑物模型，形成建筑物及地基土體自重應力，從而考慮建筑物自重對基坑變形的影響，并將位移清零；③進行坑內土體開挖，開挖面分別為-2，-6，-10，-13 m；支撐位置分別為-1.0，-5.0，-9.0 m，支撐剛度均取105kN/m.如圖2所示，基坑的支撐采用錨桿單元進行模擬，第一道支撐施加80 kN/m預應力，其余支撐不施加.模型側面約束其法向位移，底面約束其水平和法向位移.地下連續墻及內支撐結構采用C25混凝土，材料的彈性模量為2.80×104MPa；混凝土材料的泊松比為0.2.

圖1 有限元模型圖

(2)土層參數：土層分為兩層，厚度分別為13m和49m.采用HS土體本構模型，它是一個彈塑性雙曲線模型，考慮了塑性壓縮和偏荷載引起的塑性剪切影響.土性參數及天然沉降曲線見圖2.

圖2 土性參數及天然沉降曲線

(3)建筑物及其位置參數：本文擬定了3個分析區域,見圖2.建筑物與基坑的位置關系見表1.建筑物采用彈性單元模擬，等效荷載4 kN/m2，底層高4 m，其余層高3 m.考慮不同層高時，基礎埋深設為1 m；考慮不同埋深影響時，基礎埋深考慮0～6 m， 此時層高設為7層. 基礎容重取值與土重相同. 建筑物采用C40混凝土，材料的彈性模量為3.25×104MPa，泊松比為0.2.

表1 建筑物與基坑位置關系 m

2 不同層高的影響

2.1 對地面沉降的影響

1、2、3區域地表沉降見圖3～圖5.由于建筑物整體剛度較大，建筑物范圍內沉降為一直線.最大沉降均發生在建筑物邊緣，這說明建筑物對地層沉降影響較大.7層時，1區地表最大沉降為天然地面沉降時的2.5倍，2區為1.9倍，3區為1.5倍.從圖3～圖5可知，建筑物對地面沉降有較大影響，隨建筑物距基坑距離的增加，地面沉降會減少.從圖3和圖4可知， 1區建筑物距基坑邊緣最近距離為2 m，2區建筑物距基坑邊緣最近距離為3 m，但建筑物位于2區時的沉降量較位于1區時小，這是因為2區建筑物跨越了地表沉降曲線下凹段，建筑物的調整作用使沉降曲線趨于平緩.

圖3 1區地表沉降圖

圖4 2區地表沉降圖

圖5 3區地表沉降圖

從圖5看出，3區建筑物的存在雖然會增加地表沉降，但增加量相對較少.隨著建筑物距基坑距離的增加，其對地表沉降影響更小，而此時建筑物沉降主要受基坑開挖擾動影響，也即此時建筑物的存在對基坑開挖有所影響，而基坑開挖對建筑物的影響與天然地面沉降曲線(見圖2)逐漸趨于一致.

基坑開挖對建筑物的影響主要是考慮建筑物的傾斜，從圖3～圖5可知，此三區域內建筑物傾斜均與天然地面沉降曲線(無建筑物)保持一致；但隨層高增加，傾斜角保持穩定，這說明可以用天然地面沉降曲線來預測建筑物的傾斜.

2.2 圍護結構的最大水平位移

圖6反映了不同區域內不同層高建筑物對圍護結構最大水平位移的影響.從圖中可知，此三區域內，圍護結構最大水平位移增量均與層高呈近似線性關系.相同層高時，最大水平位移為2區>1區>3區.雖然1區建筑物距基坑較近，但因其垂直基坑方向建筑物寬度較窄，其影響主要集中在圍護結構的上半部分，而圍護結構最大水平位移均發生在坑底附近，因此，其對最大水平位移影響小于2區建筑物. 3區建筑物相對較遠，對圍護結構水平位移影響較小.也就是說，最大沉降范圍內的超載對圍護結構水平位移的影響較明顯.圖7反映了最大沉降增量與圍護最大水平位移增量的關系.隨著層高增加，任一區域內，最大沉降增量與圍護最大水平位移增量之比趨于穩定，該比值為1區>2區>3區.通過以上分析可知，建筑物的存在會對地表沉降、圍護結構最大水平位移產生影響，地面沉降與圍護結構水平位移均隨建筑物層高的增加而增大.

圖6 圍護結構最大水平位移

圖7 位移增量比值

3 不同基礎埋深的影響

3.1 對地面沉降的影響

1、2、3區域地表沉降見圖8～圖10.從中可知，隨基礎埋深增加，地表最大沉降點并非處于建筑物邊緣，而是在其附近位置，這是由于建筑物對周圍土體的約束作用使其附近沉降有所減少.當建筑物埋深較淺時，建筑物與圍護結構之間的區域內，由于附近土體受到擾動較大，地面沉降顯著.而由于建筑物約束作用，建筑物另一側土體產生被動區，使得地表沉降較小.隨埋深增加，建筑物對土體約束作用增強，建筑物與圍護結構之間的區域內地面沉降有所減小，而另一側沉降量則有所增加.

圖8 1區地表沉降圖

圖9 2區地表沉降圖

圖10 3區地表沉降圖

由圖8～圖10可知，地面沉降量為1區>2區>3區，其原因與2.1節分析相同.隨埋深增加，地表沉降減少量與埋深增量呈近似線性關系.這說明較大的基礎埋深有利于減少地表沉降.這主要是因為土體沉降量隨深度增加而減少，建筑物基礎埋深越大，對表層土體的擾動越小；同時，隨埋深增加，上部荷載向土體深層傳遞越多，減弱了其對基坑的影響.

1區建筑物的存在，不僅會引起較大的地面沉降，還會使該區域內建筑物發生傾斜，且傾角隨埋深的增加而減少，這說明該區建筑物與基坑間的相互影響較大.而2區和3區建筑物的傾斜與天然地面沉降曲線(無建筑物，見圖2)保持一致，隨埋深的增加，傾角并未顯著變化.因此，一般情況下，可以用天然地面沉降曲線去預測建筑物的傾斜.

3.2 圍護結構的最大水平位移

圖11反映了不同區域內不同埋深建筑物對圍護結構最大水平位移的影響.從圖中可知，任一區域內，圍護結構最大水平位移減少量均與基礎埋深增量呈近似線性關系.基礎埋深相同時，最大水平位移為2區>1區>3區，原因與2.2節分析相同.隨埋深增加，圍護結構最大水平位移均有不同程度減小，這說明臨近建筑物基礎埋深的增加可有效提高基坑穩定性.

圖11 圍護結構最大水平位移

3.3 最大沉降增量與圍護最大水平位移增量關系

圖12反映了最大沉降增量與圍護最大水平位移增量的關系.從圖中可知，隨埋深增加，最大沉降增量與圍護最大水平位移增量的比值在不斷減小，比值為1區>2區>3區.這也說明了隨基礎埋深的增加，基坑與建筑物的相互影響逐漸減弱.

圖12 位移增量比值

通過以上分析可知，任一區域內的建筑物均會對地表沉降、圍護結構最大水平位移產生較大影響.最大沉降量與圍護結構最大水平位移均隨基礎埋深的增加而減少.

4 結論

(1)隨建筑物層高的增加，地表沉降會增大，各區域內沉降增量與荷載增量呈近似線性關系.圍護結構最大水平位移增量亦表現出相同關系；

(2)隨建筑物基礎埋深的增加，地表沉降會逐漸減小；各區域內沉降減小量與基礎埋深增量呈近似線性關系.圍護結構最大水平位移增量亦表現出相同關系；

(3)當基礎埋深較淺時，最大沉降出現在建筑物邊緣；隨著基礎埋深的增加，最大沉降不再出現在建筑物邊緣，而是出現在建筑物附近，這說明基礎埋深的增加對周圍土體產生一定約束作用；

(4)不同區域的建筑物對圍護結構最大水平位移的影響程度不同；任一區域內，隨層高的增加，各區域內建筑物最大沉降增量與圍護最大水平位移增量之比近似相同；

(5)當基礎埋深較淺時，基坑施工過程中，建筑物傾斜程度有略微增大，傾角基本與天然地面沉降曲線(無建筑物時)一致.一般情況下，可用天然地面沉降曲線去評估建筑物的傾斜狀況.

[1]徐凌,陳格際,劉帥. 基于FLAC3D的深基坑開挖與支護數值模擬應用[J]. 沈陽工業大學學報, 2016, 38(1)：91-96.

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[3]劉建航,侯學淵. 基坑工程手冊[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 1997: 25-32.

[4]李淑,張頂立,房倩. 北京地鐵車站深基坑地表變形特性研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2012, 31(1): 189-198.

[5]沈健,李耀良,王建華. 深基開挖對鄰近高架基礎影響的三維數值分析[J]. 地下空間與工程學報, 2005,(4): 518-521.

[6]鄭剛,顏志雄,雷華陽，等. 基坑開挖對臨近樁基影響的實測及有限元數值模擬分析[J]. 巖土工程學報 ,2007, 29(5): 638-643.

[7]鄭剛,李志偉. 不同圍護結構變形形式的基坑開挖對鄰近建筑物的影響對比分析[J]. 巖土程學報, 2012, 34(6): 969-977.

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[10]李佳宇,陳晨. 坑角效應對基坑周圍建筑物沉降變形影響的研究[J]. 巖土工程學報, 2013(12): 2238-2246.

Finite Element Analysis of Interact Influence Between Excavation and Existing Buildings

WANG Zhihui

(Northeast Architectural Design & Research Institute Co., Ltd, Shenyang 110003, China)

The excavation inevitably affects the surrounding environment, as well, the surrounding environment affects the excavation. Concerning this issue, in this paper, the effect of excavation on buildings is divided into three areas. It analyzes the influence on the ground surface settlement and the maximum lateral displacement of retaining structures by buildings with different heights and buried depths in different areas. It shows that the ground surface settlement and the maximum lateral displacement of retaining structures increase on different levels in different regions with the increase of building’s height or the decrease of buried depth. The tilt direction and the angle of the building is consistent with the ground surface settlement. The ratio of increment of the maximum ground surface settlement and the maximum lateral displacement of retaining structures reduces with the increase of the buried depth.

excavation; building; interact influence; storey; buried depth; Plaxis 2D

1673- 9590(2017)04- 0155- 05

2016-11- 08

中建股份科技研發資助項目(CSCEC-2014-Z-35)

汪智慧(1973-)，男，高級工程師，博士研究生，主要從事基坑和地下工程的研究E- mail:304122199@qq.com.

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