黏土地層深基坑開挖對鄰近建筑物影響研究*

李忠超,賈 琪,馮 恒,唐合棋

(1.武漢市市政建設集團有限公司,湖北 武漢 430023;2.湖南大學土木工程學院,湖南 長沙 410082)

0 引言

近年來,我國城市地下空間得到飛速發展,在大規模開發城市地下空間的同時,不可避免會遇到新建深基坑近接既有建筑物的情況。基坑開挖卸載會引起地層應力釋放,從而引起周圍土體位移［1-3］和既有建(構)筑物變形［4-6］。許多學者采用了現場實測、數值模擬、模型試驗和理論分析等手段研究基坑開挖對鄰近既有建筑物的影響。鄭剛等［4］通過現場實測和數值模擬,研究了圍護墻變形、地表沉降與建筑物變形之間的聯系。Son等［5］通過物理模型試驗和數值模擬,結合建筑物變形和破壞的實例研究,評估砌體結構變形與破壞之間的關系。Pickhaver等［6］將砌體結構等效為Timoshenko梁并評估地層損失對建筑物的影響。

然而,已有研究大多探究地表沉降和建筑物變形之間的聯系,既有建筑物-土體-基坑關聯機制方面的研究較少,而圍護結構變形的大小和形狀將導致不同類型的土體沉降剖面,建筑物沉降又與土體沉降密切相關,因此很有必要分析建筑物-土體-基坑相互作用機理。此外,現有研究通常假設基坑與附近建筑物的相互作用為平面問題,而忽略了其三維空間效應,從而不能準確地揭示基坑開挖引起的鄰近建筑物實際響應規律。

本文基于武漢和平大道南延(中山路—張之洞路)工程北側某深基坑開挖工程案例,通過現場實測和三維數值模擬研究基坑開挖對鄰近既有建筑物的影響,獲得了基坑開挖作用下既有建筑物沉降、撓曲變形和最大角變量變化規律,揭示了基坑-墻后土體-既有建筑物相互作用機理,分析了坑角效應對建筑物變形的影響,最后根據建筑物破壞準則評估基坑開挖對鄰近建筑物的破壞程度。

1 工程概況

1.1 項目概況

基坑平面和剖面分別如圖1和圖2所示。基坑位于鄰近已建建筑物東側,基坑圍護結構由C30地下連續墻結合2道混凝土支撐和1道鋼支撐組成,鋼支撐預應力約166kN。基坑平面形狀近似為梯形,南側和北側邊長分別約28.5m和21.3m,長為94m。地下連續墻厚1m,深度為27.5m,穿越②6粉質黏土夾粉土,進入③粉砂夾粉土、粉質黏土的深度約1m。基坑開挖深度為16.2m,施工順序如表1所示。建筑物外形輪廓為長條形,長58.8m,寬33.7m,采用筏板基礎,承重體系為框架結構,層數8層,高36.5m,距基坑最小距離16.8m,建筑物立面如圖3所示。

圖1 場地平面及監測點布置Fig.1 Plan view of the site and monitoring point layout

1.2 工程地質條件

場地為典型黏土地層,屬于長江沖洪積一級階地,地下水位位于地表下14.8m。通過土體基本物理力學特性室內外試驗,包括含水量、常規三軸試驗、標準貫入試驗、旁壓試驗和剪切波速測試等,獲得了主要土層的物理性質指標,如表2所示。

表2 土體基本物理性質Table 2 Basic soil physical properties

基坑開挖范圍內地層包括①3素填土、②1粉質黏土、②2黏土和②3粉質黏土等,基坑底以下一定范圍內(-16.800～-26.500m)為②粉質黏土夾粉土。根據水文地質資料,地下水位在-14.800m以下,對基坑施工影響較小。

1.3 現場實測

為研究基坑開挖對鄰近建筑物影響,現場布設了地表沉降監測點、建筑物沉降監測點和地下連續墻水平位移監測點。如圖1所示,沉降監測點均布置在垂直圍護結構的斷面上,所有監測點均在基坑開挖前布設完畢。監測點安裝方式如下：將鋼筋錨入地表以下并用混凝土包裹加固,在建筑物墻面埋入彎成“L”形的φ14圓鋼筋并用混凝土澆筑固定,使用水準儀分別監測地表沉降和建筑物沉降;采用測斜儀測量埋設在地下連續墻中的測斜管,監測基坑開挖期間圍護墻的水平位移。

2 三維有限元模擬

本文采用PLAXIS 3D進行三維有限元數值模擬,模型參數和計算步驟如下。

2.1 結構參數

為便于建模及計算,地下連續墻、基坑底板、樓板和砌體建筑均采用6節點板單元模擬,混凝土支撐、鋼支撐、梁和柱采用3節點梁單元模擬,均假定為各向同性的線彈性材料。在分析中,考慮到施工缺陷等因素,結構單元剛度相對設計值均折減20%［7］。各結構單元計算參數如表3所示。

表3 結構計算參數Table 3 Structural calculation parameters

2.2 土體參數

研究表明,不考慮土體小應變現象會明顯高估基坑開挖引起的變形量,該結果將導致針對坑外建筑物的變形研究存在較大的誤差。Burland等［8］研究表明小應變水平下土體剛度對基坑開挖引起的隧道變形有顯著影響。Brinkgreve等［9］認為,只有考慮土體小應變現象的模型才能合理地預測開挖引起的土體或隧道變形。因此,本文土體采用10節點楔形體單元,其應力-應變關系通過考慮小應變剛度行為的小應變土體硬化模型(HSS模型)模擬。

(1)

式中：e0為土體初始孔隙比。

γ0.7的取值范圍較小,Brinkgreve等建議可采用下式計算γ0.7：

(2)

式中：c′和φ′分別為有效黏聚力和有效內摩擦角;σ1′為土體豎向有效應力,計算時可取對應土層中間位置豎向有效應力;K0為靜止側壓力系數。

對于影響基坑開挖的主要土層①3素填土、②黏土和③粉砂夾粉土、粉質黏土采用HSS模型,其余強度和剛度較大或位于基底以下較深處的土層(⑩1強風化含粉砂泥巖、⑩2-2中風化含粉砂泥巖和⑩3中微風化含粉砂泥巖)采用莫爾-庫侖模型。本基坑開挖時間相對較短,且土體滲透系數相對較低,因此數值計算中土體強度指標采用總應力指標(固結快剪)。各土層計算參數如表4所示。

表4 土層計算參數Table 4 Input soil parameters

為消除模型范圍對計算結果的影響,模型側向邊界取4倍基坑最大開挖深度的距離［7］,即225m(長)×198m(寬)×60m(高)。邊界條件方面：模型頂面自由,底部邊界受水平和垂直位移約束,側面邊界受水平位移約束。計算過程中,不考慮基坑分區開挖和基坑降水,土體位移僅由基坑開挖引起,基坑開挖前位移重置為0。地下水位以下土體在開挖完成后設置水位深度位于開挖面,開挖土體水力條件設置為干,周圍地層的水位仍為初始潛水位,基坑周圍地層在上述水頭差下向坑底發生滲流。有限元模型如圖4所示。

圖4 三維有限元模型Fig.4 Three-dimensional FEM model

2.3 模型驗證

通過比較各施工階段DB1～DB4測點地表沉降和CX01,CX05測點圍護墻水平位移的實測值與數值模擬計算值來驗證上述參數和模型的合理性。如圖5所示,地表沉降實測和計算值隨著基坑開挖卸載增大而增大,且兩者為凹槽形沉降,沉降大小也非常接近(最大實測值為-4.4mm,最大計算值為-4.6mm)。

圖5 地表沉降實測值與計算值Fig.5 Measured and calculated ground settlements

如圖1所示,CX01測點位于基坑南邊側墻,缺乏第1道支撐的約束作用,因此變形呈現懸臂形。相比而言,CX05測點位于基坑西邊側墻,由于存在第1道支撐約束,其變形呈現紡錘形。圍護墻最大實測位移為6.4mm,最大計算值為7.1mm,兩者較為吻合。

本基坑土方開挖分為3層,采用分塊分區開挖。由于圍護墻變形較小,為了搶工期,實際施工將第3層土方開挖到一定程度再施工第3道鋼支撐,所以主要變形發生在第2層土方開挖期間,后續的第3層土方開挖引起的變形增量很小。

從圖5和圖6可以發現實測結果與模型計算結果吻合較好,這說明本文所取的結構參數、土體參數和計算模型是合理的。

圖6 CX01測點圍護墻水平位移實測值與計算值Fig.6 Measured and calculated wall deflections on CX01

3 建筑物對鄰近基坑開挖的響應

3.1 建筑物變形特點

Ou等［12］認為基坑開挖引起的地表沉降剖面主要有兩種類型,即凹槽形和三角形,而基坑開挖卸載作用下引起的圍護結構變形是導致地表沉降的主要原因［13］,圍護結構變形的大小和形狀將導致不同類型的地表沉降和土層沉降剖面,而建筑物沉降與土體沉降密切相關,因此很有必要分析建筑物-土體-基坑關聯機制。

通過比較基坑開挖期間地表沉降、圍護墻變形和建筑物沉降實測值與計算值可以發現：A—A斷面地表沉降實測值、計算值與Ou等［12］經驗曲線非常接近;主次沉降區的分布也與其基本吻合;圍護墻變形和建筑物沉降實測值與計算值大小和趨勢較為一致(見圖7～9),這從另一方面證明了模型與計算的準確性。

圖7 A—A斷面圍護墻水平位移(CX05測點)Fig.7 Diaphragm wall displacement of section A—A (CX05)

地下連續墻在開挖的初始階段出現較小的墻體側移,當開挖進行到較深處時,墻體上部的側移受到內支撐的約束作用,墻體側移將轉移到更深處,出現了內凸形變形模式,實測最大水平位移為12.4mm,計算最大水平位移為12.0mm(見圖7)。

由于墻頂受第1道混凝土支撐約束作用幾乎不產生側移,只在第3道鋼支撐和基底之間有最大側移,使得緊鄰圍護墻的土體沉降很小,而墻后出現了明顯的沉降槽(凹槽形),即轉化為與圍護墻內凸型變形模式一致的地表沉降剖面(見圖8)。最大沉降發生在距墻體0.5倍基坑開挖深度處,為-2.9mm;超過主要影響區［12］后,沉降曲線迅速減小;約2.3倍開挖深度處,沉降曲線的上凸撓曲最為顯著;4倍開挖深度后土體幾乎不受基坑開挖影響,這與Lim等［7］研究結果一致,即基坑開挖的影響范圍大致為4倍基坑開挖深度。

圖8 A—A斷面歸一化沉降曲線Fig.8 Normalized settlement curves of section A—A

建筑物僅跨越墻后地表沉降槽的上凸區域,并未同時跨越沉降槽最低點及上凸曲率最大點［4］,其沉降曲線和地表沉降曲線在大小和趨勢上基本一致(見圖9)。但由于建筑物自身約束作用,使得地表沉降曲線的上凸區域沉降程度略微降低,沉降曲線的變化更為平緩,說明建筑物對土體約束作用較小,并和土體協調變形。而建筑物沉降受基坑開挖影響較大,隨開挖卸載量增大而增加,施加內支撐能很好控制建筑物沉降,底板澆筑完成后建筑物基本保持穩定不再發生沉降。

圖9 JZ01監測點建筑物沉降-時間曲線Fig.9 Building settlement-time curve of point JZ01

建筑上沿建筑物長軸方向布置的墻稱為縱墻,如圖1中虛線所示,其撓曲變形分為3種：下凹撓曲變形、上凸撓曲變形和S形撓曲變形。本文中建筑物跨越墻后沉降槽的上凸區域,其撓曲變形呈現上凸撓曲變形(見圖10),且建筑物在沉降槽上凸曲率最大點時有最大上凸撓曲變形(0.9mm),即建筑物距離圍護墻38.5m時,建筑物的上凸撓曲變形最為顯著。一般來說,上凸撓曲變形造成的建筑物損壞比下凹撓曲變形更嚴重［4］,因為前者的建筑物拉伸裂縫發展得更早、更快。而建筑物撓曲變形趨勢及撓曲程度取決于建筑物所跨區間內土體沉降曲線的撓曲變形特征,土體沉降曲線又取決于圍護墻變形模式,因此在基坑開挖期間要控制好圍護墻變形,避免引起過大側移而導致坑外土體和建筑物出現過大或不均勻沉降。

圖10 建筑物縱墻墻體B-B’撓曲變形曲線Fig.10 Flexure wall (B-B’) deformation curve in longitudinal direction

3.2 坑角效應

基坑長寬比約為0.94,開挖深度為16.2m,長、寬尺寸較小,而深度較大,三維空間效應顯著。基坑開挖的空間效應主要體現在坑角效應上,而建筑物恰好位于坑角處,坑外土體的不均勻沉降將導致建筑物發生不均勻沉降和撓曲變形,因此有必要分析坑角效應對建筑物變形的影響。建筑物沉降云圖如圖11所示。

圖11 建筑物沉降云圖Fig.11 Contours of building settlement

如圖12所示,坑外地表沉降最大值在距基坑邊(0.5～0.8)倍開挖深度處,這與Ou等［14］在某深基坑工程中得出的結論相近。由于坑角效應的影響,墻后地表沉降在沿基坑邊長方向上出現明顯的差異。d為地表沉降曲線與左上角坑角的距離,當d=90m,位于右上角坑角處時,坑角的約束作用最強,此時有最小地表沉降-0.9mm;而當d=0m,即位于左上角坑角處時,地表沉降相比要大些,為-2.3mm,原因是右上角坑角相比更為尖銳,坑角效應更強,對地表沉降的約束作用更大。而在基坑長邊中部地表沉降明顯大于坑角區域的地表沉降,且距離坑角越遠,地表沉降越大,最大地表沉降可達-5.3mm,約為坑角處最小地表沉降的5.9倍。根據Finno等［15］的研究,坑角效應的影響區域約為3倍開挖深度,即本文基坑長邊中部基本可忽略坑角效應的影響,此時圍護結構及土體的受力與變形可近似視為平面應力-應變狀態,且土體變形達到最大。

圖12 基坑距坑角不同距離處地表沉降曲線Fig.12 Surface settlement curve at different distance from excavation corner

圖11給出了底板施工完成后基坑坑角處建筑物的整體沉降,右側數字代表建筑物的沉降,它顯示了建筑物的整體沉降和傾斜情況［16］。由于坑角效應影響,建筑物沉降并有向基坑方向傾斜的趨勢,裂縫一般僅發生在垂直于基坑邊線的墻體上,這與丁勇春等［17］的研究是一致的。

從墻沉降與撓曲變形如圖13,14所示。圖13所指的縱墻是指與縱墻B-B’平行,且距基坑坑角不同距離(0.5,4,9,14,19,24m)的縱墻,其中縱墻B-B’距離坑角14m。從圖13和圖14可以發現,由于坑角效應的存在,建筑物沉降在沿基坑長邊方向上將呈現明顯的差異,其中,在緊鄰坑角的區域受坑角效應影響較大使得建筑物沉降最小(-0.51mm),而在距坑角較遠處沉降為-2.34mm,約為坑角處沉降的4.6倍。距坑角不同距離處的縱墻仍在地表沉降槽上凸曲率最大點時有最大上凸撓曲變形,其中坑角處撓曲變形為0.14mm,距坑角較遠處撓曲變形為1.0mm,約為坑角處的7.1倍。這說明坑角效應約束了建筑物的沉降和撓曲,即當建筑物縱墻垂直于基坑邊,且距坑角距離小于1.2倍開挖深度時,坑角效應對建筑物變形起有利作用。

圖13 距坑角不同距離處縱墻沉降曲線Fig.13 Settlement curve of longitudinal wall at different distance from excavation corner

圖14 距坑角不同距離處縱墻墻體撓曲變形曲線Fig.14 Flexure deformation curves of longitudinal wall at different distance from excavation corner

3.3 建筑物損壞程度評估

王衛東等［18］認為角變量β與建筑物內部結構扭曲或開裂直接相關,評估建筑物的附加變形主要是確定角變量β,所以將β作為評估基坑開挖對建筑物損壞程度的標準,其計算公式如下：

βij=θij-ω=δij/Lij-ω=(δi-δj)/Lij-ω

(3)

式中：θij為兩點間差異沉降與兩點間水平距離比值;ω為剛體轉動量;δij為任意兩點i,j之間的沉降之差;Lij為i,j兩點的水平距離。

本文中ω較小,可取其值為0,這能得到比較保守的結果。同一斷面不同兩點之角變量并不相同,但我們關注的是最大角變量,即最大角變量在容許范圍內,那么其余角變量也必然在范圍內。所以很有必要分析不同斷面和同一斷面不同兩點之間的最大角變量,如圖15所示。

圖15 距坑角不同距離處最大角變量-兩點之間距離關系曲線Fig.15 Curves of maximum angular distortion-distances of any two points at different distance from excavation corner

由圖15可知,由于坑角效應的影響,近坑角處的建筑物沉降相比遠坑角處要小,使得近坑角處的最大角變量小于遠坑角處的最大角變量。當任意兩點間隔1m時,有最大角變量,即角變量最大值近似等于建筑物沉降曲線切線斜率的夾角,最大角變量值為1.26×10-4。Bjerrum［19］總結了建筑物損壞程度與角變量之間的關系,如表5所示。

表5 角變量與建筑損傷程度的關系Table 5 Relationship between angular distortion and damage degree of building

可以發現最大角變量小于建筑物容許的角變量(1.26×10-4<1/750)。在基坑開挖時現場人員也未發現建筑物產生任何裂縫或其他破壞,即基坑施工并未對建筑物產生損壞,說明本文分析和現場實測結果基本吻合。

4 結語

本文基于武漢和平大道南延(中山路—張之洞路)工程北側深基坑開挖工程,研究了基坑開挖對鄰近既有建筑物的影響規律,通過現場實測和三維數值模擬,得到以下結論。

1)建筑物撓曲變形趨勢及撓曲程度取決于建筑物所跨區間內土體沉降曲線的撓曲變形特征,土體沉降曲線又取決于圍護墻變形模式,因此在開挖期間要控制圍護墻變形,避免墻體過大側移而導致坑外土體和建筑物出現過大沉降或不均勻沉降。

2)建筑物自身約束作用,使得地表沉降曲線的上凸區域沉降程度略微降低,沉降曲線的變化更為平緩,說明建筑物對土體約束作用較小。建筑物沉降受基坑開挖影響較大,隨開挖卸載量增大而增加,施加內支撐和底板能很好控制建筑物沉降。

3)坑角效應會明顯改變土體位移場從而導致建筑物在空間上發生不均勻沉降和撓曲變形。坑角角度越尖銳,坑角效應對坑外土體的約束作用越強,建筑物沉降和撓曲變形更小。

4)坑角效應約束了建筑物的沉降和撓曲,即當建筑物縱墻垂直于基坑邊,且距坑角距離小于1.2倍基坑開挖深度時,坑角效應對建筑物變形起有利作用。

5)近坑角處的最大角變量小于遠坑角處的最大角變量,角變量最大值近似等于建筑物沉降曲線切線斜率的夾角。