基坑開挖引起的變形及對臨近建筑物的影響

趙 健

（北京住總集團有限責任公司軌道交通市政工程總承包部 北京 100029）

基坑工程在開挖過程中引起的卸載效應和時空效應， 不僅使得基坑自身產(chǎn)生變形， 而且也會對臨近的建筑物產(chǎn)生影響。 特別是對于軟弱的黏土、 粉質(zhì)黏土敏感建筑物而言， 基坑開挖的變形效應會產(chǎn)生十分不利的二次結(jié)構(gòu)應力， 使建筑物產(chǎn)生開裂、不均勻沉降等危害[1]。 為研究在粉質(zhì)黏土地質(zhì)條件下基坑工程開挖過程中， 圍護結(jié)構(gòu)的變形以及不同圍護結(jié)構(gòu)幾何尺寸對臨近建筑物的影響， 本文結(jié)合實際工程案例， 采用數(shù)值仿真計算的手段， 對開挖過程中基坑變形、 地表沉降和建筑物沉降三位一體的變形規(guī)律進行研究， 研究成果可為飽和軟黏土、粉質(zhì)黏土地質(zhì)條件下的基坑臨近建筑加固和保護提供參考[2]。

1 工程概況

北京市某科技產(chǎn)業(yè)園基地二期工程建設(shè)內(nèi)容包括2 層廠房（2 座） 、 7 層辦公樓（1 座） 、 8 層宿舍樓（1 座） 以及配套門衛(wèi)樓等附屬設(shè)施。 擬建地下室基坑面積約為3622 mm2， 圍護結(jié)構(gòu)周長約294 m，基坑基礎(chǔ)底板開挖深度4.8 m， 承臺區(qū)域坑底標高-5.300 m/-5.600 m/-5.900 m， 基坑形狀為矩形。 基坑西側(cè)為現(xiàn)狀城市主干道WC 路， 基坑圍護開挖邊線與該側(cè)用地紅線的垂直距離為14.21 m， 用地紅線外有管線分布， 管線分布離基坑16 m 以外。 基坑南側(cè)為現(xiàn)狀主干道WH 路， 該距離預留200 m 紅線范圍， 擬建4 號廠房。 基坑東側(cè)為現(xiàn)狀居民小區(qū)，分布有3 棟， 編號為A 樓、 B 樓和C 樓， A 樓和B樓高度均為30 層， 平面尺寸為45.6 m×15.5 m， 均采用筏板基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)組合基礎(chǔ)， 平均樁長28.5 m， C樓高度為10 層， 平面尺寸為39.2 m×13.2 m， 采用筏板基礎(chǔ)， 3 棟居民樓均沿著基坑邊線平行布置，離基坑邊線最近距離為10.0 m。 場地北側(cè)為現(xiàn)狀城市主干道路KHJ 路， 基坑北側(cè)管線在圍墻外， 離基坑外側(cè)約20 m 外， 管線有污水管、 給水管、 燃氣管、電信、 雨水管。 基坑支護圍護結(jié)構(gòu)采用樁基礎(chǔ)支撐，樁基礎(chǔ)直徑為800 mm， 樁中心距離為600 mm， 樁長為20 m， 單排設(shè)置。

2 基坑場地工程地質(zhì)特性

擬建場地地貌類型為湖沼平原Ⅰ—1 區(qū)地貌類型， 場區(qū)廣泛分布的粉質(zhì)黏土層共有9 層， 各層粉質(zhì)黏土的工程地質(zhì)特征及物理力學參數(shù)見第55 頁表1。 從表1 中可以看出， 各層粉質(zhì)黏土的厚度變化較大， 分布不均， 且粉質(zhì)黏土的壓縮模量差異較大， 上部粉質(zhì)黏土的壓縮模量較小， 下部粉質(zhì)黏土的壓縮模量較大， 相應地上部粉質(zhì)黏土的強度指標也較小， 下部粉質(zhì)黏土的強度指標較大。 因此在基坑圍護結(jié)構(gòu)中， 應采取合理的基坑支護圍護結(jié)構(gòu)形式， 同時施工中應降低對軟弱粉質(zhì)黏土的擾動， 避免基坑土層的松動和塌陷， 也應采取合理的地下水控制措施， 避免地下水滲流和松軟粉質(zhì)黏土在降水后固結(jié)沉降， 或者受地下水的沖蝕引起垮塌[3]。

表1 粉質(zhì)黏土的工程地質(zhì)特征及物理力學參數(shù)

3 基于仿真分形的基坑變形及對周邊建筑物影響分析

3.1 基坑及臨近建筑物三維仿真計算模型的建立

為了研究基坑開挖過程中引起的基坑變形變化規(guī)律及對臨近建筑物的影響程度， 采用ABAQUS 有限元分析軟件建立基坑及臨近建筑物的三維仿真模型， 模型網(wǎng)格劃分采用軟件內(nèi)嵌的網(wǎng)格單元進行劃分， 得到網(wǎng)格總數(shù)為25 793 個， 節(jié)點總數(shù)27 033 個，基坑及臨近建筑物三維模型網(wǎng)格劃分效果見圖1。

圖1 基坑開挖及臨近建筑物三維仿真計算模型

計算時， 假定各層土均為連續(xù)均勻介質(zhì)， 不考慮地層的起伏， 土層本構(gòu)關(guān)系服從摩爾庫倫準則，其物理力學參數(shù)指標按照表1 進行選取。 圍護樁重度取25 kN/m3， 彈性模量為3.25×104MPa， 泊松比取為0.20， 圍護樁換算為等效厚度的均勻地下連續(xù)墻進行計算， 地下連續(xù)墻的深度與圍護樁一致[4]。 為了研究不同圍護樁直徑工況對圍護樁結(jié)構(gòu)的變形和臨近建筑物變形的影響， 模擬時設(shè)置5 種不同直徑大小的圍護樁， 分別為400 mm、 600 mm、 800mm、1 000 mm 和1 200 mm， 換算后等效地下連續(xù)墻厚度分別為215 mm、 370 mm、 543 mm、 732 mm、933 mm。 建筑物的重度為25 kN/m3， 彈性模量為3.25×104MPa， 泊松比取為0.20， 體積模量為1×1010kPa， 剪切變模量為3.0×109kPa[5]。

3.2 基坑及臨近建筑物三維仿真結(jié)果分析

圖2 為設(shè)置5 種不同圍護樁直徑時， 樁身的水平位移分布情況， 可以看出， 不同圍護樁直徑的樁身水平位移分布曲線具有類似的變化規(guī)律， 整體表現(xiàn)為非對稱的拋物線形， 且圍護樁直徑對于樁身中段水平位移具有顯著的影響， 影響樁段范圍集中在-2.5 m～-12.5 m。 隨著圍護樁直徑的不斷減小， 水平位移不斷減小， 表現(xiàn)為曲線的不斷收縮， 而圍護樁直徑改變對于樁身上段（0～-2.5 m） 和樁身下段（-12.5 m～-20.0 m） 而言， 影響不大。

圖2 不同樁直徑大小時樁身水平位移分布

第56 頁圖3 為設(shè)置5 種不同圍護樁直徑時地表沉降曲線分布情況， 可以看出， 不同圍護樁直徑的地表沉降分布曲線具有類似的變化規(guī)律， 整體表現(xiàn)為臨近基坑處會突陷， 隨后又逐漸減小并趨于穩(wěn)定。 隨著圍護樁直徑的不斷加大， 這種地表沉降突陷峰值也有所緩解， 但降低幅度較小， 圍護樁直徑從400 mm 增加到1200 mm 時， 地表沉降峰值從17.9 mm， 降低為13.5 mm， 僅降低了4.4 mm， 降低幅度為24.5%， 這對于基坑圍護而言， 由于增加基坑直徑導致的施工成本將劇增。 另一方面， 圍護樁直徑大小的增加， 對于地表沉降突陷范圍的改變并無明顯影響， 地表大位移沉降主要集中在基坑開挖邊線周圍20 m 以內(nèi)， 對于20 m 以外的影響可以忽略不計。 而本工程研究的3 棟居民樓與基坑變形距離為10 m， 正好位于基坑沉降突陷峰值處， 因此在基坑開挖過程中， 需要對建筑采取加密監(jiān)測措施，有必要可以采取地基加固或者施作隔離樁的方式，對臨近的既有建筑物進行保護。

圖3 不同樁直徑大小時地表沉降分布規(guī)律

第56 頁圖4 為設(shè)置5 種不同圍護樁直徑時臨近建筑物沉降曲線分布情況， 可以看出， 隨著圍護樁直徑的增加， A 棟建筑物的最大沉降和最小沉降均呈現(xiàn)明顯的對數(shù)曲線減小的趨勢， 圍護樁直徑小于800 mm 時， 建筑物沉降下降速率較快， 而圍護樁直徑大于800 mm 后， 建筑物沉降下降較小。 因此， 為了降低建筑物的沉降， 并不能無限制地增大圍護樁的直徑。 另外可看出， 增大基坑圍護樁的直徑， 對于臨近建筑物的沉降差無明顯的改善。 因此實際基坑工程中， 圍護直徑的增加對于控制最大沉降值和最小沉降值可取得較好的效果， 但對于控制建筑物的沉降差而言并不是理想的工程措施。

圖4 不同樁直徑大小時臨近建筑物沉降分布規(guī)律

4 結(jié)論

本文通過采用數(shù)值仿真計算的研究手段， 建立不同的圍護結(jié)構(gòu)幾何尺寸， 分析圍護樁自身的變形規(guī)律以及臨近建筑的變形特征等措施， 對北京市某科技產(chǎn)業(yè)園基地二期工程基坑工程進行了研究， 得到以下3 個結(jié)論。 一是不同圍護樁直徑的樁身水平位移分布曲線具有類似的變化規(guī)律， 整體表現(xiàn)為非對稱的拋物線形， 且圍護樁直徑對于樁身中段水平位移具有顯著的影響， 對樁頂和樁底水平位移影響不大。 二是不同圍護樁直徑的地表沉降分布曲線具有類似的變化規(guī)律， 隨著圍護樁直徑的不斷加大，這種地表沉降突陷峰值也有所緩解， 但降低幅度較小， 圍護樁直徑大小的增加， 對于地表沉降突陷范圍的改變并無明顯影響。 三是隨著圍護樁直徑的增加， A 棟建筑物的最大沉降和最小沉降均呈現(xiàn)出明顯的對數(shù)曲線減小的趨勢， 增大基坑圍護樁的直徑， 對于臨近建筑物的沉降差來說， 并無明顯的改善效果。