基坑開挖對臨近建筑物影響的有限元分析

文/ 張晨 深圳市華陽國際工程設計股份有限公司廣州分公司 廣東廣州 510000

隨著城市化的進程，帶來了大量的深基坑工程。由于本工程主體結構體量較大，需分期建設，也就造成了二期基坑開挖時，使一期主體形成一個三邊圍護一邊開敞的結構，且最大埋深約24m，土壓力會引發主體結構的變形，并產生附加內力，且可能整體傾覆或滑移。如何有效地評價二期基坑開挖對一期主體結構的影響，是一期主體結構設計必須重點考慮的問題。

1、工程概況

本文主要分析二期基坑開挖對一期主體結構的影響。一期共三棟塔樓，高100m，20層，設4層地下室。框架剪力墻結構，采用天然地基基礎，中風化巖層作為持力層。室外地面標高為24.900m，基坑開挖至0.95m，開挖最深為23.950m。該工程重要性等級為二級，地基基礎設計等級為甲級。

2、計算模型

2.1 計算網格劃分

選取非塔樓的純地下室范圍作為受力最不利位置，模型中主體結構構件按照抗彎剛度相等原則等效為板單元，各土層按照勘察報告參數取值，采用摩爾庫倫本構模型來模擬，板單元與土體之間采用界面單元模擬。計算模型水平方向上156.0m，豎直方向上48.0m。

2.2 計算參數

模型中，土層的物理力學參數按照勘察報告選取，地下水位取絕對標高18.900m。主體結構采用板單元，混凝土強度等級為C30。計算采用的土層及主體結構的材料參數如表1所示。

表1 材料物理力學指標值

3、計算結果分析

3.1 主體結構變形

水平位移計算結果如圖1所示，一期主體結構頂部的水平位移約為159mm，平均層間位移角達到1/150，遠遠超過規范1/800的限值，說明主體結構已進入塑性階段。針對鋼筋混凝土結構而言，規定層間位移角限值主首先是要保證主體結構基本處于彈性受力狀態，避免混凝土墻、柱等主要抗側力構件開裂。其次是要保證填充墻、隔墻、幕墻等非結構構件的基本完好，避免出現明顯損壞。除此之外，合理的限制結構水平變形也是實現抗震設防目標的重要保證。同時，主體結構變形會帶來基坑頂部相應變形，對周邊的建筑物會產生較大影響。所以二期基坑開挖會使一期主體結構變形過大，對結構造成嚴重的損傷，需大幅度提高一期主體結構的自身剛度才能控制變形。

圖1 水平位移云圖

3.2 主體結構構件附加內力

計算結果顯示，主體結構最下面一層的梁為受力最不利位置，梁間距為8m，最大彎矩約為2440kN·m，最大彎矩處剪力約為1160kN，按此內力并考慮正常使用的樓面荷載計算出比較合理的梁截面尺寸約為400mmx1500mm。1500mm的梁高對地下室的使用功能影響很大，導致原設計層高不足，增加層高使基坑開挖更深，構件附加內力也就更大。所以，二期基坑開挖對一期主體結構構件產生的附加內力值大大超過了正常使用功能下構件的內力，其余梁，以及柱、地下室外墻的附加內力均與此梁情況類似，但相對影響會小一些。所以，單純為了抵抗施工過程中的較不利工況來增加各構件的截面，是不合理的，不但造成的材料的浪費，同時由于構件尺寸的粗大，對使用功能上也造成了很大的影響。

3.3 主體結構穩定性

圖1的計算結果顯示基坑底部巖層的變形很小，接近于0，可以作為主體結構水平嵌固部位。根據計算結果，主體結構底部總剪力約為V=2370kN/m，總彎矩約為M=8730kN·m/m。主體結構52m寬，4層，自重約為G=2080kN/m，巖層4與基礎底部的摩擦系數μ=0.5。根據GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規范》第6.7.5條驗算主體結構穩定性。

(1)抗滑移穩定性驗算：μ×G=1040kN/m＜1.3V=3080kN/m

(2)抗傾覆穩定性驗算：G×x0=2080kN/m×26m= 54080kN·m /m＞1.6M=13970 kN·m /m

主體結構的抗滑移穩定性驗算不滿足規范要求，二期基坑開挖時一期主體結構會產生滑移。

結論：

綜上所述，二期基坑開挖對一期主體結構的影響很大，使一期主體結構構件進入塑性階段甚至可能破壞，基底也需采取措施抗滑移。現提出如下方案，在主體結構左側設置三道支撐，使主體結構僅抵抗6m的坑外土壓力，經計算，僅需適當加大構件截面尺寸即可滿足以上幾點要求，如圖2所示，基坑頂部水平位移可控制在30mm左右。所以，僅依靠主體結構來抵抗坑外的土壓力很困難，傳力不直接，而且構件尺寸的加大。經濟上付出了不少的代價，使用功能上也有一定的損失。需要在二期基坑開挖時對一期主體結構增加側向約束。

圖2 優化方案水平位云圖