邻近建筑基坑施工对周围环境影响的数值模拟

陈运荣，赵永献

(浙江城建勘察研究院有限公司，浙江杭州 310005)

邻近建筑基坑施工对周围环境影响的数值模拟

陈运荣，赵永献

(浙江城建勘察研究院有限公司，浙江杭州 310005)

针对某邻近建筑的基坑开挖施工，建立了考虑土与结构物作用的三维有限元数值模型，通过对基坑开挖过程的数值模拟分析，研究了围护结构及周边建筑的位移变化。结果表明：基坑开挖造成了基坑坑底土体向上隆起，引起了邻近建筑发生竖向沉降，合理的施工过程可以保证建筑结构安全性控制在允许范围之内。同时，与现场监测结果对比良好的一致性，也验证了有限元数值模拟用于地下结构安全性评价中的合理性。

基坑开挖; 周边建筑; 安全性; 数值模拟; 现场监测

随着我国经济建设和改革开放所取得的骄人成绩，国民经济也高速增长，各种大中型建设项目如雨后春笋般蓬勃兴起[1]。地基与基础工程作为建筑领域的前期和基础性工作，经过了无数科技工作者进行理论上的探讨和研究，从勘察、设计、施工到监测均已达到一个全新的水平，工程质量、安全、工期均得以优化[2]。在城市建设过程中，大量基坑工程紧邻已有建筑或建筑群[3]，基坑施工过程中的开挖卸荷导致坑底土体变形隆起[4]。土体变形造成周边环境的不稳定，地表土体沉降[5-6]，从而导致周边建筑的正常使用受到较大影响甚至造成严重危害[7]，为保证基坑开挖过程中周边建筑的安全，须严格控制基坑围护方案并对施工过程严密监管[8]。

本文建立了考虑周边建筑的基坑施工三维有限元数值分析模型，以实现基坑开挖对邻近周边环境影响的数值模拟，研究基坑开挖引起的建筑结构的沉降变形和基坑围护结构的变形及内力分布规律，对基坑施工安全性给予评价。

1 工程概况

1.1 基坑工程概况

基坑呈狭长型，南北长80 m，东西宽130 m，周长420 m，面积约为10 495 m2，开挖深度6.6 m。基坑支护采用φ700@850灌注桩围护结构，入土深度19.5 m。第一道水平支撑为800 mm×800 mm钢筋混凝土支撑，第二道水平支撑为700 mm×800 mm钢筋混凝土支撑，支撑直接支撑于压顶梁上，设计圈梁尺寸为1100 mm×800 mm，C30混凝土。

1.2 周边建筑概况

基坑呈狭长型，根据业主提供资料和现场踏勘，拟建基坑周边环境情况为：

(1)基坑东侧：该侧基坑边线与红线最近距离为21.3 m(东南角转角处仅为10.7 m)，红线以外紧邻上海惠工缝纫机三厂，主要为2层车间厂房，砖混结构，基础形式为浅基础，距离基坑边线最近23.5 m。

(2)基坑南侧：该侧基坑边线与本场地1幢5层待拆建筑外墙边线最近距离仅2.6 m(距离该建筑基础边线最近1.5 m)，该建筑钢混结构，基础形式为复合桩基础，采用250 mm×250 mm预制方桩，桩长19 m。本工程建设过程中正常使用，待本工程建成后予以拆除。

(3)基坑西侧：该侧基坑边线与场地西侧围墙最近距离1.1 m(据业主介绍，围护施工前该侧围墙向西侧移位约3 m)，围墙以外为2幢9层保留建筑，钢筋混凝土结构，基础形式为桩基础，与基坑边线最近距离为12.9 m。

(4)基坑北侧：该侧基坑边线与红线最近距离为21.0 m，红线以外为若干栋1层建筑(据业主介绍，本工程施工前部分建筑予以拆除作为施工出入口)，砖混结构，基础形式为浅基础，距离基坑边线最近24.2 m。

场地周边建(构)筑物性质情况(表1)，环境示意(图1)。

表1 场地周边建(构)筑物性质情况

图1 基坑与周边建筑关系示意

1.3 场地地质条件

根据勘察资料，本场地受基坑开挖影响土体的参数见表2。

表2 地基土参数

2 有限元数值模拟计算

2.1 数值模型

假定土层均质分布，土体采用实体单元模拟，土体采用M-C本构模型。基坑支护为地下连续墙、基坑底板及顶板采用板单元模拟，结构中梁柱、支护结构中的水平支撑、圈梁等采用梁单元模拟，混凝土构件均采用线弹性本构模型。周边建筑简化处理，为了充分考虑基坑开挖对周边建筑的影响，采用混凝土实体单元模拟建筑荷载。根据理正基坑支护计算中的经验，建筑荷载按照建筑基础形式分别为：浅基础建筑采用20 kPa每层加载；桩基础建筑采用20 kPa每层并乘以0.2的折减系数。为了考虑施工过程中基坑周边的施工活动，并在基坑施工影响范围内施加了15 kPa的地面荷载。有限元计算中土体的计算参数根据岩土勘察报告提供的相关参数确定，土体的强度指标采用三轴固结不排水(CU)试验结果。土体的弹性模量取土的压缩模量的3倍。C30混凝土的弹性模量E取30 GPa，泊松比0.2，密度取为2 480 kg/m3。

根据基坑几何尺寸大小，结合基坑开挖施工对邻近环境影响范围的现场监测经验，有限元计算区域取为300 m×150 m×60 m。综合计算模型大小，综合考虑计算时间和计算精确度，共计剖分单元46 804个。计算区域有限元网格见图2(a)，基坑支护结构有限元网格见图2(b)。

2.2 计算步骤

基坑开挖属于临时性地下工程，工期较短，可按照不排水条件下总应力法进行分析，结合基坑开挖实际施工工况，数值模拟计算步骤如表3所示。

3 数值模拟与结构安全性分析

有限元计算结果分析表明，计算工况6 (即开挖土体至基坑设计标高)得到的基坑支护结构以及周围土体的变形最大，后续的地下室施工和拆撑施工等工程活动未引起车站结构位移的进一步增加，故下面的讨论着重以工况6的计算结果进行分析。

3.1 基坑支护结构位移

基坑支护结构Y方向水平位移较X方向水平位移大，Y方向最大水平位移为21.2 mm，发生在靠近建筑物4的支护段。靠近建筑物1、建筑物5和建筑物6由于距离基坑较远，邻近侧的基坑水平位移较小。

(a)模型整体网格

(b)基坑支护网格图2 有限元网格划分

计算步骤计 算 内 容1重力场初始化2地下连续墙、立柱、立柱桩，位移置零3开挖第一层土(1500mm)4加支撑5开挖第二层土(3000mm)6开挖第三层土(2100mm)7底板施工8施工墙体(地下室5100mm)9拆支撑+施工墙体(地下室1900mm)10施工顶板

由于靠近建筑物一侧支护结构平面布置上与建筑物整体平行，没有出现阳角等支护结构薄弱位置，但在靠前段与建筑物4最近距离只有3.2 m，因此基坑前侧支护结构靠左端应当适当加强支撑刚度，以减少水平位移。地下连续墙位移分布(工况6)如图3所示。

3.2 基坑坑底土体位移

基坑坑底土体隆起量最大为4.37 cm，它的大小沿着基坑边沿先增大后减小，在基坑边沿的隆起量最小。基坑周围的沉降量，离基坑的距离不断增大而增大，而后又随着距离的增大而减小，在集中荷载附近的隆起出现局部最大，如图4。

(a) X方向位移

(b) Y方向位移

(c) 西侧

(d)东侧

(e) 南侧

(f)北侧图3 地连墙的水平位移

图4 基坑坑底土体竖向位移

由图4可以看出隆起量最大值出现在没有立柱桩的位置，四边角点位置隆起量最小。这是由于基坑为矩形，且在基坑开挖卸荷过程中，基坑周围土体向基坑底部运动造成的。

3.3 周边建筑竖向位移

基坑开挖施工引起周边建筑结构发生竖向沉降位移，从而建筑结构中产生次应力，可能对建筑结构的安全带来不利的影响。根据数值模拟及现场监测结果得到周边建筑的沉降对比，见图5所示。

(a) 建筑1

(b) 建筑2

(c) 建筑3

(d) 建筑4

(e) 建筑5

(f) 建筑6图5 建筑沉降对比

4 结 论

通过数值模拟与监测数据对比分析得到如下结论。

(1)基坑开挖过程中，周边建筑出现沉降现象，且随基坑

开挖深度的增大而增大，开挖至坑底后的施工过程中，地表土体沉降趋缓。

(2)基坑开挖土体卸荷，围护结构发生位移变形，对基坑施工带来不利影响。

通过与现场监测数据的对比分析，数值模拟结果与现场监测规律上保持一致，验证了有限元数值模拟的合理性。基坑开挖对邻近建筑的竖向沉降造成了一定的影响，但在建筑结构安全性要求的控制范围之内。

[1] 钱七虎. 迎接我国城市地下空间开发高潮[J]. 岩土工程学报, 1998, (1): 112-113

[2] 李新星.邻近基坑开挖的运营地铁车站结构安全度分析[J]. 岩土力学, 2009, 30(2): 382-386

[3] 高文华, 沈蒲生, 杨林德. 基坑开挖中地层移动的影响因素分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2002, 21(8): 1153-1157

[4] 杨敏, 周洪波, 杨桦. 基坑开挖与临近桩基相互作用分析[J]. 土木工程学报, 2005, 38(4): 91-96

[5] 王素霞. 基坑开挖对临近建筑物影响的数值分析研究[D]. 南京工业大学, 2006

[6] 应宏伟，谢新宇.软土深基坑开挖的有限元分析[J].建筑结构学报，1999, 20(4): 59-64

[7] 唐孟雄，赵锡宏.深基坑周围地表沉降及变形分析[J]. 建筑科学，1996, (4)

[8] 侯学渊，陈永福.深基坑开挖引起周围地基土的沉降的计算[J]. 岩土工程师，1989, (1): 3-13

陈运荣(1957～),男，高级工程师，岩土工程方向。

TU94+2

B