考虑临近建筑物超载作用下的基坑变形及稳定性分析

陈建永

(宿迁市建设工程造价管理处，宿迁 223800)

考虑临近建筑物超载作用下的基坑变形及稳定性分析

陈建永

(宿迁市建设工程造价管理处，宿迁 223800)

以某深基坑工程为研究对象，利用有限元分析软件ABAQUS建立了考虑临近建筑物荷载影响的二维数值模型，模拟开挖实际工况。对土体开挖引起的土体塑形应变及基坑的稳定性进行分析计算，对建筑物位置及基础埋深对基坑稳定性的影响进行探讨。计算结果可为工程设计与施工提供理论依据，也可为类似工程提供参考。

深基坑；强度折减；安全系数；变形

1 引言

城市深基坑工程往往在城市建筑密集区内施工，必然会对周围已有建筑物与地下市政管线设施的受力和变形产生不利影响。另外基坑附近的已有建筑物也必然会对基坑围护结构产生不利影响。这两大问题可归纳为城市密集区内地下结构近接施工的相互影响问题。因此从基坑设计阶段预测已有建筑物对基坑工程变形与稳定性的影响至关重要。

2 安全系数计算的强度折减有限元法

强度折减法将基坑的安全系数定义为使基坑刚好达到临界破坏状态时，对其强度参数进行折减的程度。若基坑采用Mohr-Coulomb准则，影响其稳定性的强度参数是粘聚力c和内摩擦角φ，将土体原始粘聚力c和内摩擦角φ同时除以一折减系数K，然后进行数值分析。通过不断增大K，反复分析直至基坑达到临界破坏状态。假设此时粘聚力和内摩擦角为ccr和φcr，由于基坑处于临界状态，所对应的安全系数Kcr=1，可得原始基坑对应的安全系数为：

从上述强度折减法的基本原理来看，其基本实质就是材料的粘聚力和内摩擦角逐渐降低，导致土单元的应力和强度无法配套，即超出了屈服面，不能承受的应力将逐渐转移到周围土体单元中去，当出现连续滑动面后，土体将失稳。在ABAQUS中材料的参数可以随温度或场变量变化，由此可以在ABAQUS中实现强度折减法的实现，具体步骤如下：

(1) 定义一个场变量；

(2) 定义随场变量变化的材料模型参数；

(3) 在分析开始制定场变量的大小，并对模型施加重力(体力荷载)；

(4) 在后继分析步中线性增加场变量Fr，计算终止后对结果进行处理，按照上述失稳原则确定基坑的安全系数。

3 数值计算模型及参数确定

选取江苏省宿迁市某大厦深基坑工程为研究对象，基坑开挖区域为长140 m、宽40 m的长方形区域，开挖深度6 m，基坑长宽比为3.5，故可采用二维模型，模型包括7 128个节点和5 058个单元，其中226个无限单元，因模型边缘均为无限单元，固不需添加边界条件。基坑围护结构为无建筑物一侧为直径0.8 m间距1.2 m钻孔灌注桩；有建筑物一侧为直径1 m间距1 m钻孔灌注桩，桩长均为15 m。建筑物为一5层小楼，长10 m，距基坑边10 m，楼房按每层20 kPa加载，钻孔灌注桩按等强度原则简化为宽1 m地下连续墙。在地下连续墙与土体之间设置接触面，接触面无厚度，小滑移。接触面的本构关系为：切线方向采用Mohr-Coulomb摩擦模型，μ=0.2，法线方向为刚性，即不允许接触面的相互嵌入。考虑人工填土以下土层中孔隙水影响。划分的有限元网格见图1。建筑场地属于黄泛冲积平原地貌单元，覆盖层厚度大于80 m，其中新近沉积的粉土及粘性土层厚约16.0 m，其下为沉积时间较早一般粘性土和老粘土及砂层。表1为现场拟开挖场地岩土力学参数表。表2为地下连续墙的力学参数。基坑开挖全过程采用动态模拟，模拟过程按施工步骤进行，每层开挖2 m，共开挖3层，共定义7个模拟过程，模拟过程见表3。

图1 划分的模型网格图

层序厚度/m弹性模量/Pa湿密度/kg·m-3强度参数粘聚力内摩擦角①24．2e617501221②46．5e6178015．426．5③84．6e6189016．815．3④113．5e6191029．622．1⑤358e619601228．4

表2 地下连续墙的力学参数

表3 施工模拟步骤表

图2 模型等效塑形应变分布图

4 结果分析

基坑两侧围护结构均采用直径0.8 m间距1.2 m钻孔灌注桩支护，模型开挖至6 m后采用强度折减法对土体强度进行折减。基坑失稳前塑性应变分布图见图2，从图上可以看出基坑失稳时，地面下4 m处支护结构发生剪切破坏，此时基坑的稳定性安全系数为1.19，基坑失稳时，有建筑物一侧基坑土体塑形变形为7.195 cm，远大于无建筑物一侧的3.597 cm，这是因为在建筑物的荷载作用下，土体的塑形应变区增大，滑动面位置向建筑物所在位置移动，基坑外侧土体主动土压力增大，导致土体塑形变形增大。图3为建筑物对基坑支护结构变形影响对比图。从图中可以看出由于建筑物荷载的作用，有建筑物一侧水平方向的位移明显较无建筑物荷载一侧增大，无建筑物一侧变形与实测值较接近。当有建筑物基坑一侧采用直径1 m间距1 m钻孔灌注桩进行支护，即采用地下连续墙2力学参数进行计算后，基坑的稳定性安全系数由1.19增大为1.54。这说明因临近建筑物的存在，有必要对基坑支护进行加固。

图3 建筑物对基坑围护结构变形影响对比图

改变建筑物距基坑边缘距离，其他条件保持不变，研究基坑安全系数的变化，计算结果见图4。

图4 建筑物位置对基坑安全系数的影响图

由图4可以看出，当建筑物距基坑边小于6 m时，即1倍的基坑埋深时，基坑已失稳。在基坑2倍埋深范围内，建筑物对基坑安全影响较大，当超过3倍埋深时即大于18 m时，对基坑影响逐渐减小，超过基坑4倍埋深时，基坑安全系数基本保持不变。

建筑物埋深从零开始增加，其他条件保持不变，计算建筑物埋深不同对基坑安全系数的影响，结果见图5。从图中可以看出，随着基础埋深的增大，临近建筑物对基坑的影响逐渐减小，基坑安全系数也随之增大，且增大速率逐渐减小，当超过基坑开挖深度时，基坑安全系数几乎保持不变。

图5 建筑物埋深对基坑安全系数的影响

5 结语

本文采用有限元强度折减法，以宿迁市某深基坑工程为例对附近建筑物对基坑开挖引起的支护结构变形和稳定性安全系数的变化进行分析。

(1) 把临近建筑物简化为等效荷载施加在地面上，分析了临近建筑物对基坑围护结构侧向位移和基坑稳定性安全系数的影响，结果表明，临近建筑物的存在对基坑变形及稳定性影响较大。

(2) 随着建筑物与基坑距离的变大，基坑稳定性安全系数逐渐变大，当超过基坑4倍挖深时，基坑稳定性安全系数基本保持不变。

(3) 当临近建筑物埋深逐渐增大时，基坑的安全系数随之增大，超过基坑开挖深度后，基坑安全系数几乎保持不变。

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TUDY ON DEFORMATION AND SAFETY FACTOR OF FOUNDATION EXCAVATION UNDER THE LOAD OF NEIGHBORING STRUCTURE

Chen Jian-yong

(Construction Cost Management Division of Suqian,Jiangsu Suqian 223800,China)

In order to simulate the actual working conditions of excavation in a deep foundation pit project,a two-dimensional numerical model under the load of neighboring structure was built using finite element analysis software ABAQUS with shear strength reduction method, the equivalent plastic strain of soil and the safety factor of the deep foundation pit were analyzed.The influences of neighboring building position and depth base on basal heave stability of excavations are studied.It showed this method may provide a useful reference to the similar engineering.

deep foundation pit; shear strength reduction; safety factor; transformation

徐盛东(1989- )，男，助理工程师，主要从事地质灾害防治和岩土工程设计研究工作。E-mail：gongsuny@qq.com

1006-4362(2017)01-0099-03

2016-10-22 改回日期： 2016-12-17

P642

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