深基坑開挖對(duì)鄰近住宅樓的變形影響分析

趙帥 余建民 王榮彥

摘 要：【目的】深基坑工程中土體的開挖卸荷會(huì)導(dǎo)致土體位移變形，可能引起周圍建筑物變形，因此有必要對(duì)深基坑開挖對(duì)鄰近宅樓的變形影響進(jìn)行分析。【方法】本研究以鄭州某深基坑工程為例，在采取上部土釘墻、下部樁錨支護(hù)的聯(lián)合支護(hù)方式下，使用FLAC3D對(duì)基坑的開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，探究不同工況下基坑開挖對(duì)周邊土體和鄰近建筑物的影響。【結(jié)果】研究發(fā)現(xiàn)：沉降量隨著距基坑邊緣距離的增加而減小，最終降低為零；沉降量和圍護(hù)體的水平位移隨著基坑開挖深度的增加而增大；鄰近建筑物的沉降隨著基坑開挖的加深而增大，隨著距基坑邊緣距離的增大而減小。【結(jié)論】本研究驗(yàn)證了該支護(hù)方式的可行性。

關(guān)鍵詞：基坑開挖；樁錨支護(hù)；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TU433? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2023）10-0063-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.013

Abstract： [Purposes] The excavation unloading of soil in deep foundation pit engineering will lead to the displacement and deformation of soil， which will cause the deformation of surrounding buildings，so it is necessary to analyze the influence of deep foundation pit excavation on the deformation of adjacent residential buildings. [Methods] In this study， a deep foundation pit project in Zhengzhou was taken as an example. Under the combined support mode of upper soil nailing wall and lower pile-anchor support， FLAC3D was used to simulate the excavation process of the foundation pit， and the influence of foundation pit excavation on surrounding soil and adjacent buildings under different working conditions was explored. [Findings] It is found that the settlement decreases with the increase of the distance from the edge of the foundation pit， and finally decreases to zero. The settlement and the horizontal displacement of the enclosure increase with the increase of the excavation depth. The settlement of adjacent buildings increases with the deepening of foundation pit excavation， and decreases with the increase of distance from the edge of foundation pit. [Conclusions] This study verified the feasibility of the support method.

Keywords： foundation pit excavation; pile anchor support; numerical simulation

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的同時(shí)，城市人口也越來越稠密，城市建筑隨之朝著高層化、地下化不斷發(fā)展，因此產(chǎn)生了很多深基坑工程［1-2］。基坑開挖會(huì)改變初始應(yīng)力場(chǎng)，從而引起應(yīng)力重分布，使土體發(fā)生變形，若支護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致土體變形過大，往往會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此，深基坑工程中基坑的開挖支護(hù)方式尤為重要，特別是周邊有鄰近建筑物或地下隧道的工程［3］。

為了保證基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的安全可靠，一般采用數(shù)值模擬軟件來模擬基坑開挖的過程［4］。近年來，許多人通過使用數(shù)值模擬來研究基坑開挖對(duì)周邊土體和鄰近建筑物的變形規(guī)律［5-6］，對(duì)工程實(shí)例有很大的借鑒作用。Itasca公司開發(fā)的有限差分軟件FLAC3D在基坑開挖數(shù)值模擬中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，深受眾多專業(yè)人士青睞［7］。

1 工程概況

擬建工程為鄭州市某深基坑工程，位于鄭州市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)。基坑?xùn)|側(cè)北段距用地紅線最近為10.20 m，距已有6F居民住宅樓距離為10.50 m；該住宅樓地基形式為條形基礎(chǔ)，建筑結(jié)構(gòu)為磚混結(jié)構(gòu)，尺寸為長(zhǎng)30 m，寬12 m，埋深約2.0 m；地下水位為-16.8 m，遠(yuǎn)低于本次深基坑工程的基坑深度，因此施工過程中可不考慮降水情況。該場(chǎng)地設(shè)計(jì)土層的力學(xué)參數(shù)取值見表1。

本研究對(duì)象為基坑?xùn)|側(cè)。基坑剖面上部放坡開挖，坡比為1∶0.3，采用土釘墻的支護(hù)方式，基坑下部則豎直開挖，采用樁錨支護(hù)的聯(lián)合支護(hù)方式。

該剖面基坑深度為9.7 m，支護(hù)排樁樁頂標(biāo)高為-2.0 m，樁長(zhǎng)為15 m，直徑為0.6 m，嵌固深度為7.3 m，樁間距為1.1 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30；采用2道錨索，錨索成錨方式為高壓旋噴法，錨固段直徑為0.35 m，自由段直徑為0.2 m，水平間距為2.2 m。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

本研究采用FLAC3D6.0對(duì)基坑開挖進(jìn)行數(shù)值模擬。基坑?xùn)|側(cè)的開挖深度為9.7 m，將模型總尺寸設(shè)置為80 m（x）×30 m（y）×30 m（z），共有87 660個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元數(shù)，94 736個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)。計(jì)算模型如圖1所示。

2.2 施工工況

該工程施工工況模擬過程見表2。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 基坑周邊土體沉降變形分析

隨著基坑開挖深度的增加，基坑周邊土體的沉降量也在逐漸增大，并在工況7完成后，沉降量達(dá)到最大值，如圖2所示。由圖2可知，基坑底部由于上覆土層的開挖卸荷導(dǎo)致其出現(xiàn)明顯的隆起變形，基坑隆起最大值約為19.3 mm；沉降值在距離基坑邊緣處達(dá)到最大，而后隨著距基坑邊緣距離的增大而逐漸減小，沉降量最大值約為20.5 mm，滿足規(guī)范要求。

為了更好地研究基坑開挖引起的基坑外地表的沉降變形，在基坑開挖處向基坑外每隔2 m設(shè)置豎直位移檢測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)每個(gè)工況完成后基坑外地表的沉降變形，記錄沉降量并繪制出各工況下的沉降曲線，如圖3所示。由圖3可知：隨著開挖基坑深度的增加，沉降量也在增大；各工況中，沉降量最大值出現(xiàn)在基坑邊緣處，最大值為18.793 mm，之后隨著距離的增加逐漸減小，最終降低為0，符合相關(guān)理論與工程實(shí)踐情況。

3.2 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分析

由于支護(hù)樁是工況2放坡開挖后進(jìn)行施工的，因此支護(hù)樁圍護(hù)體的水平位移從工況3開始分析。支護(hù)樁圍護(hù)體的水平位移從樁頂位置每隔1 m取值直到樁底，工況3到工況7的水平位移曲線如圖4所示，由圖4可知：工況3、工況4中，圍護(hù)體水平位移最大值分別為4.14 mm、3.74 mm，位于樁埋深1 m處；工況5、6、7中，圍護(hù)體水平位移最大值分別為9.01 mm、8.83 mm和19.7 mm，均出現(xiàn)在樁埋深3 m處。可以看出，隨著工況的進(jìn)行，開挖深度的增加，圍護(hù)體的水平位移在不斷增大，在工況7達(dá)到最大值19.7 mm，符合規(guī)范要求；工況4和工況6的水平位移明顯比工況3、工況5的水平位移有所縮小，這是由于在預(yù)應(yīng)力錨索的施工下，樁周邊土體與錨固段的摩擦力很好地限制了圍護(hù)體的水平位移變形。

3.3 周邊建筑物的沉降變形分析

為了研究距離基坑邊緣10.5 m處6F居民住宅樓的沉降變形，在住宅樓周邊設(shè)置9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，鄰近基坑的一側(cè)設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，之后每隔10 m設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

建筑物西側(cè)短邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)4、5、6的沉降量模擬值如圖5所示，由圖5可知：隨著基坑開挖深度的增加，建筑物的沉降量均不斷增大；開挖完成后，建筑物最大沉降量出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)5，最大沉降量為-9.184 mm。建筑物南側(cè)長(zhǎng)邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)6、7、8、9的沉降量模擬值如圖6所示，由圖6可知：距離基坑邊緣近的建筑物一側(cè)沉降量最大，隨著距離的增加，沉降量不斷減小。在基坑施工期間建筑物長(zhǎng)邊和短邊的沉降量實(shí)測(cè)值的變化情況如圖7、圖8所示，由圖7和圖8可知：實(shí)測(cè)值與模擬值的沉降量變化規(guī)律基本相同，最大沉降量也出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)5，為-6.895 mm。通過模擬值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比發(fā)現(xiàn)：兩者的沉降量變化規(guī)律是一致的，但在數(shù)值方面存在偏差，實(shí)測(cè)值均小于模擬值，最大差值為2.391 mm，主要是由于住宅樓處土層參數(shù)采用了擬建場(chǎng)地的參數(shù)，而實(shí)際上住宅樓下的土層較為密實(shí)，且在此次模擬過程中，以最不利原則為基礎(chǔ)模擬的住宅樓底部附加荷載較實(shí)際偏大；模擬值與實(shí)測(cè)值的最大沉降量分別為-9.184 mm和-6.895 mm，最大傾斜值為0.24‰和0.20‰，均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中傾斜值在4‰以內(nèi)的限定。

4 結(jié)語

本研究利用FLAC3D軟件對(duì)鄭州市某深基坑支護(hù)工程進(jìn)行了數(shù)值模擬，在采用上部土釘墻+下部樁錨的支護(hù)形式下，探討了基坑開挖的穩(wěn)定性以及對(duì)鄰近居民住宅樓的變形影響，得出以下結(jié)論。

①基坑支護(hù)形式采取上部土釘墻與下部樁錨支護(hù)的聯(lián)合支護(hù)形式是可行的，開挖完成后的基坑周邊土體沉降量最大值為20.5 mm，符合規(guī)范要求；施工過程中，基坑周邊土體的沉降量隨著工況的進(jìn)行而不斷增大；沉降量隨著距基坑邊緣距離的增加而減小，最終降低為0。

②在數(shù)值模擬過程中，通過對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出圍護(hù)體的水平位移最大值為19.7 mm，符合規(guī)范要求；施工過程中，圍護(hù)體的水平位移隨著工況的進(jìn)行不斷增大。

③通過對(duì)鄰近建筑物長(zhǎng)邊和短邊的沉降量的模擬值與實(shí)測(cè)值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出建筑物的最大傾斜值分別為0.24‰和0.20‰，符合規(guī)范要求；施工過程中，建筑物的沉降量隨著工況的進(jìn)行不斷增大，基坑開挖對(duì)建筑物的沉降影響隨著距基坑邊緣距離的增大而減小。

參考文獻(xiàn)：

［1］徐中華，王建華，王衛(wèi)東，等.上海地區(qū)深基坑工程中地下連續(xù)墻的變形性狀［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2008，41（8）：81-86.

［2］李進(jìn)軍，王衛(wèi)東，邸國(guó)恩，等.基坑工程對(duì)鄰近建筑物附加變形影響的分析［J］.巖土力學(xué)，2007，28（S1）：623-629.

［3］王濤，余建民.基坑開挖對(duì)鄰近既有下穿頂管隧道的變形影響分析［J］水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2019，17（6）：200-204.

［4］宋廣，宋二祥.基坑開挖數(shù)值模擬中土體本構(gòu)模型的選取［J］.工程力學(xué)，2014，31（5）：86-94.

［5］帥紅巖，陳少平，曾執(zhí).深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征的數(shù)值模擬分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36（S2）：374-380.

［6］朱彥鵬，楊校輝，周勇，等.蘭州地鐵車站深基坑支護(hù)選型分析與數(shù)值模擬研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2016，14（1）：55-59.

［7］劉繼國(guó)，曾亞武.FLAC3D在深基坑開挖與支護(hù)數(shù)值模擬中的應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)，2006（3）：505-508.

收稿日期：2022-12-01

作者簡(jiǎn)介：趙帥（1997—），男，碩士生，研究方向：地基基礎(chǔ)、基坑支護(hù)。