緊鄰高鐵站房基坑的淺基礎(chǔ)房屋三維變形特性研究

欒志強，李曉龍，趙 成，孫誠濤

（1.中鐵十局集團第四工程有限公司，江蘇 南京 210046；2.南京上鐵地方鐵路開發(fā)有限公司，江蘇 南京 210008；3.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098）

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，特大城市的土地資源日益緊缺，有效地開發(fā)利用地下空間迫在眉睫。因此，鄰近既有建筑物的深基坑工程不斷涌現(xiàn)。為確保深基坑施工時既有建筑物的安全，國內(nèi)外學(xué)者開展了基坑-建筑物相互作用機理研究[1-2]。

開展三維有限元數(shù)值模擬，萬嘉成等[3]研究了軟土中基坑開挖對鄰近樁基豎向受荷性狀影響，并改進(jìn)了單樁沉降計算的荷載傳遞法。李兵等[4]發(fā)現(xiàn)設(shè)置隔斷墻或增加圍護樁的入土深度能有效減輕緊鄰基坑的建筑物變形。許建鋒等[5]分析了軟土中緊鄰深基坑隧道變形的影響因素，發(fā)現(xiàn)隧道一個基坑凈距與隧道變形呈現(xiàn)冪指數(shù)關(guān)系。常志凱等[6]發(fā)現(xiàn)基坑陽角處變形及影響范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陰角，基坑變形對周圍建筑物的影響呈現(xiàn)出以中心向四周擴散的特點。高波等[7]發(fā)現(xiàn)樁和錨桿靜壓樁的加固措施能明顯減輕基坑開挖引起的鄰近房屋附加變形。丁毅等[8]發(fā)現(xiàn)分段、分塊的基坑開挖能很好地限制緊鄰構(gòu)筑物的變形。本文依托海安高鐵站房基坑擴建工程開展三維有限元數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究緊鄰深基坑淺基礎(chǔ)房屋的變形特性，分析基坑-房屋凈距、基坑開挖長度和圍護結(jié)構(gòu)剛度對建筑物變形的影響規(guī)律。

1 工程概況

海安高鐵站基坑擴建工程的平面布置如圖1所示。基坑擴建工程分為三期，二期和三期基坑開挖形狀為長條形，開挖深度為7.8～9.8 m，開挖寬度為7.0～7.9 m。一期基坑形狀為多邊形，最大開挖寬度為20.0 m。二期和三期基坑附近存在大量建筑物。為了降低基坑圍護結(jié)構(gòu)施工對緊鄰建筑物的影響，二期和三期基坑的圍護結(jié)構(gòu)采用MJS工法施工，其長度、樁徑和間距分別為24.0 m、1.8 m和1.1 m；灌注樁的內(nèi)部施工長度、樁徑和間距分別為21.0 m、0.8 m和1.0 m。一期基坑的圍護結(jié)構(gòu)由長度為21.0 m、樁徑為0.8 m、間距為1.0 m的灌注樁組成，灌注樁外側(cè)施工雙排高壓旋噴樁做止水帷幕。

圖1 基坑擴建工程平面布置圖

二期基坑南側(cè)存在較多淺基礎(chǔ)房屋，且房屋與基坑的水平凈距小于2倍的基坑開挖深度。因此，確保基坑施工時淺基礎(chǔ)房屋的安全性尤為必要。選取典型的淺基礎(chǔ)房屋作為分析對象，房屋長度、寬度、高度分別為30.0 m、15.0 m、6.0 m。二期基坑采用一道混凝土支撐和二道鋼支撐。混凝土支撐的橫截面尺寸為0.6 m×0.6 m；鋼支撐的直徑和壁厚分別為609 mm和16 mm。腰梁、冠梁尺寸的橫截面尺寸均為0.8 m×0.8 m。

2 三維有限元數(shù)值模擬

2.1 計算方案

基坑施工引起的墻后土體位移的主要影響區(qū)域為2He（基坑最終開挖深度）[9]。基坑變形與其開挖尺寸和圍護結(jié)構(gòu)剛度密切相關(guān)。因此，三維數(shù)值模擬重點考慮基坑-建筑物水平凈距、基坑開挖尺寸和圍護結(jié)構(gòu)剛度的影響，具體如表1所示。

表1 三維有限元數(shù)值分析方案

2.2 基坑-淺基礎(chǔ)建筑物的三維數(shù)值計算網(wǎng)格

采用Plaxis 3D大型三維數(shù)值分析軟件研究緊鄰深基坑淺基礎(chǔ)房屋的變形特性。基坑-淺基礎(chǔ)房屋相互作用的三維有限元網(wǎng)格如圖2所示。為了消除模型邊界對計算結(jié)果的影響，模型長度和寬度均為200 m，深度為70 m。房屋側(cè)基坑圍護結(jié)構(gòu)到模型邊界的距離為120 m，大于10倍的基坑開挖深度；基坑底部與模型底邊的距離大于基坑6倍的基坑開挖深度，滿足邊界條件要求。

圖2 基坑-房屋相互作用的三維有限元計算網(wǎng)格

三維有限元網(wǎng)格的單元和節(jié)點總數(shù)分別為205 315和312 448。土層采用10節(jié)點的四邊形實體單元模擬，圍護結(jié)構(gòu)、淺基礎(chǔ)房屋的墻體采用板單元模擬，水平支撐、腰梁和冠梁采用梁單元模擬。網(wǎng)格四周設(shè)置法向約束，而網(wǎng)格底部設(shè)置三向固定約束。

2.3 本構(gòu)模型和模型參數(shù)

土層采用反應(yīng)土體小應(yīng)變剛度特性的硬化模型（HSS）模擬，而其他結(jié)構(gòu)單元采用線彈性模型模擬。場地范圍內(nèi)的素填土、粉質(zhì)黏土、粉土和粉砂的HSS模型參數(shù)如表2所示。鋼筋混凝土、鋼支撐和房屋墻體的彈性模量分別為25 GPa、210 GPa、3 GPa。

表2 場地土層的小應(yīng)變硬化模型（HSS）參數(shù)

3 鄰近淺基礎(chǔ)房屋變形特性分析

3.1 淺基礎(chǔ)房屋三維變形云圖

緊鄰深基坑淺基礎(chǔ)房屋的豎向和水平位移如圖3所示。豎向位移負(fù)值為沉降，水平位移負(fù)值為指向基坑。基坑與淺基礎(chǔ)房屋的水平凈距為0.26He（基坑最終開挖深度）。基坑施工到坑底后，緊鄰淺基礎(chǔ)房屋產(chǎn)生沉降變形，靠近基坑側(cè)的墻體沉降達(dá)到6.24 mm。房屋墻體距離基坑越遠(yuǎn)，房屋沉降越小。深基坑開挖作用下，緊鄰房屋的水平位移均指向基坑，最大水平位移為2.6 mm，位于房屋的頂部。房屋高程越低，水平位移越小，表明淺基礎(chǔ)房屋向基坑傾斜。

圖3 高鐵站房基坑施工引起淺基礎(chǔ)房屋變形云圖

3.2 基坑-房屋水平凈距的影響

不同基坑-房屋水平凈距下淺基礎(chǔ)房屋的最大沉降和水平位移如圖4所示。隨著基坑-房屋水平凈距的增加，房屋的最大沉降和水平位移均快速減小。當(dāng)水平凈距從0.25He增加到1.0He時，房屋的沉降和水平位移分別降低了71.1%和55.0%。當(dāng)水平凈距為1.5He時，緊鄰房屋的沉降和水平位移幾乎為零，表明基坑施工引起緊鄰淺基礎(chǔ)房屋變形的影響區(qū)域為1.5He。

圖4 不同水平凈距下房屋位移

3.3 基坑開挖長度的影響

不同的基坑與房屋長度比下，淺基礎(chǔ)房屋位移如圖5所示。房屋長度固定為15 m，而基坑長度分別為19.6 m、29.4 m、39.2 m、49.0 m、58.8 m、74.5 m。淺基礎(chǔ)房屋始終位于基坑的中心位置。隨著基坑開挖長度的增加，基坑三維約束效應(yīng)逐步降低，基坑中心線處的圍護結(jié)構(gòu)和土體位移隨之增加，進(jìn)而導(dǎo)致淺基礎(chǔ)房屋的位移不斷增加。當(dāng)基坑與房屋的長度比從1.3增至3.3后，淺基礎(chǔ)房屋的最大沉降和水平位移分別增加了225%和232%。若對長條形基坑采取分區(qū)、分坑的施工方法，減少基坑的開挖長度，能有效地降低緊鄰房屋變形。繼續(xù)增加基坑開挖長度后，房屋沉降和水平位移的增幅很小。表明基坑與房屋長度比達(dá)到3.3后，繼續(xù)增加基坑開挖長度對房屋變形的影響有限。

圖5 不同基坑長度下房屋位移

3.4 圍護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)剛度的影響

不同圍護墻系統(tǒng)剛度下淺基礎(chǔ)房屋的位移如圖6所示。圍護墻的厚度為0.3～1.0 m，第一和第二道支撐的豎向距離S為4.25 m，對應(yīng)的圍護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)剛度為17.2～638.6。圍護結(jié)構(gòu)厚度增加后，緊鄰房屋的沉降和水平位移快速降低。當(dāng)系統(tǒng)剛度從17.2增加到159.7時，圍護墻厚度從0.3 m增至0.63 m，緊鄰淺基礎(chǔ)房屋的最大沉降降低了83.5%。繼續(xù)增加系統(tǒng)剛度至638.6后，即圍護墻厚度為1.0 m，房屋沉降與水平位移的降幅不明顯。采取過厚的圍護結(jié)構(gòu)不僅不能降低緊鄰建筑物的變形，而且經(jīng)濟性很差。海安高鐵站房鉆孔灌注樁等效后的圍護墻厚度為0.63 m，表明此站房基坑的圍護結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計是合理的。

圖6 不同圍護結(jié)構(gòu)相對剛度下房屋位移

4 結(jié)論

通過開展三維有限元數(shù)值分析，系統(tǒng)研究了高鐵站房基坑擴建工程對緊鄰淺基礎(chǔ)房屋的不利影響，得出以下結(jié)論：①基坑-淺基礎(chǔ)房屋的水平凈距從0.25He增至1.0He（最終開挖深度）后，房屋沉降和水平位移分別降低了71.1%和55.0%。水平凈距達(dá)到1.5He后，淺基礎(chǔ)房屋的位移接近于零，表明基坑施工引起緊鄰淺基礎(chǔ)房屋變形的影響區(qū)域為1.5He。②長條形基坑的三維變形效應(yīng)對淺基礎(chǔ)房屋的變形影響顯著。基坑-房屋長度比（L/LB）從1.3增至3.3后，房屋的最大沉降和水平位移分別增加了225%和232%；基坑-房屋長度比大于3.3時，繼續(xù)增加基坑開挖長度對房屋變形的影響有限。③圍護結(jié)構(gòu)的厚度增加后，緊鄰房屋的沉降和水平位移快速降低。圍護結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)剛度從17.2增至159.7，即墻厚從0.3 m增至0.63 m后，房屋沉降降低了83.5%；繼續(xù)增加圍護結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)剛度，房屋沉降與水平位移的降幅不明顯。