变电站基坑开挖对地表沉降及建筑物的影响分析

谢 辉， 卓 越， 刘 洪， 翟景国

(四川电力设计咨询有限责任公司，四川成都 610065)



变电站基坑开挖对地表沉降及建筑物的影响分析

谢 辉， 卓 越， 刘 洪， 翟景国

(四川电力设计咨询有限责任公司，四川成都 610065)

文章针对复杂周边环境下的变电站基坑开挖，采用Flac3D软件作为数值模拟的工具，深入分析了变电站基坑开挖对于附近一定范围内的地层水平位移以及地表沉降所产生的影响。

地基开挖； 水平位移分析； 地层沉降分析； 数值分析

变电站修建中经常需大面积的基坑开挖，尤其是城市里面的户内变电站。变电站基坑开挖工程对周围土体及建筑物有着重大影响，如果开挖不当，就会引起周围建筑物产生水平位移和不均匀沉降并开裂，带来重大的经济损失，尤其在建筑物比较密集的市区，基坑周围的地下管线和需要保护的历史性建筑比较多，基坑开挖一旦出现问题，将产生严重的后果。因此关于深基坑开挖工程的研究一直受到工程界的重视[1-2]。

国内外很多学者对这一问题的研究表明[3-4]，基坑开挖所引起的地基变形及建筑物沉降开裂，是多种因素综合作用的结果，实际工程中的计算理论很难考虑多种因素之间的相互作用[5]。而伴随着计算机技术在工程中的广泛应用，数值模拟逐渐在工程中得到应用，数值模拟能够很好的考虑多种因素之间的相互作用，使得分析结果与实际工程更为接近。因此基于计算机的数值模拟方法成为分析基坑变形的一种有效方法[6-7]。

在这种情况下，针对某变电站的基坑开挖，本文选择了以有限差分法为理论基础编制的大型工程软件Flac作为数值模拟的工具，并运用其三维版本Flac3D，以对三维空间效应比较明显的基坑支护-土体-近邻建筑物体系进行更准确的模拟分析。

1 软件相关信息

1.1 软件原理及边界条件

Flac3D是二维的有限差分程序Flac2D的拓展，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动(大变形模式)。Flac3D采用了显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常正确地模拟材料的塑性破坏和流动。由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。

求解问题的边界条件包括面力、集中荷载以及位移边界；另外体力和初始应力条件也是需要施加的。程序开始时，所有的应力和节点速度都为0，然后初始应力开始施加。集中荷载指定在表面的节点上，位移边界条件是由节点的速度来精确控制的。体力和面力在内部被转化成一系列等效的节点荷载。以上构成了数值计算的初始状态。

1.2 软件优势

针对某变电站的基坑开挖，所采用的模拟软件Flac3D有以下几个优势：

(1)对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是“混合离散法”。这种方法比有限元法中通常采用的“离散集成法”更为准确、合理。

(2)即使模拟的系统是静态的，仍采用了动态运动方程，这使得Flac3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。

(3)采用了一个“显式解”方案。因此，显式解方案对非线性的应力-应变关系的求解所花费的时间，几乎与线性本构关系相同，而隐式求解方案将会花费较长的时间求解非线性问题。而且，它没有必要存储刚度矩阵，这就意味着，采用中等容量的内存可以求解多单元结构；模拟大变形问题几乎并不比小变形问题多消耗更多的计算时间，因为没有任何刚度矩阵要被修改。

2 工程概述及模型建立

2.1 工程概况

某变电站施工过程中基坑周边一人行道与小区围墙相交，由于围墙边的人行道高程与围墙底部高程相差近5 m，若按正常放坡，将会占用人行道，现采用围墙外侧浇筑桩板墙回收边坡。某工程局按照设计方案进行桩板墙施工过程中，附近某小区靠近该路基坑侧部分路面出现下沉、裂缝，小区院墙部分地段开裂。

在该工程范围内，钻孔深度范围内所揭露地层为第四系全新统人工填土层(Q4ml)、第四系中下更新统冰水沉积层(Q1+2fgl)和白垩系上下统夹关组(K1-2j)，其力学参数如表1所示。

该施工路段区地表水主要为农田灌溉渠水，其补给源为河水及大气降水。在本路段区钻探过程中，该水渠水位0.5～1.0 m，流速0.2 m/s，主要为赋存于第四系人工填土中的上层滞水，其主要补给来源为大气降水、生活用水和区域地表水等。该地下水无稳定统一水位，且连通性较差。

表1 土的主要物理力学参数

根据工程经验，场地内有赋存于低洼地段白垩系上下统夹关组砂质泥岩中的裂隙水，其主要补给来源为大气降水、地表水。风化裂隙为主要含水层，其水量受汇水情况和裂隙发育程度影响，一般水量较小，流通性较差，无统一水位标高。

2.2 建立计算模型

在采用数值计算方法求解偏微分方程时，若由有限差分近似将每一处的导数替代，从而把求解偏微分方程的问题转化为求解代数方程的问题，这就是有限差分法的定义。有限差分法求解偏微分方程的步骤如下：

步骤1，区域离散化，即把所给偏微分方程的求解区域细分成由有限个格点组成的网格。

步骤2，近似替代，即采用有限差分公式替代每一个格点的导数。

步骤3，逼近求解。换而言之，这一过程可以看作是用一个插值多项式及其微分来代替偏微分方程的解的过程。

通过以上3步骤，连续介质的运动定律转化为离散单元节点上的牛顿定律。随后即可由虚功原理求出下一时步的节点不平衡力，进入下一时步的计算。

现场勘测小区围墙距建筑物8.5 m，围墙距建筑物后边缘距离26 m，开挖深度为5 m，强风化砂质泥岩平均厚度为1 m，填土厚度约为4 m。根据桩板墙施工与建筑物位置关系(图1)简化受力条件(图2)，建立数值计算模型，计算模型长度为56 m，其中护坡长度为30 m，现有围墙到建筑物后墙长度为26 m(图3)。

图1 桩板墙施工与建筑物位置关系示意

图2 受力条件简化示意

图3 计算模型

由于护坡在计算中需挖去，护坡的具体形态对整个边坡的稳定性影响不大，同时为了计算结果更加正确，网格划分采用0.5 m×0.5 m。

3 模拟过程和分析

应用以上模型，可以设定本构模型和材料特性、设置应力边界条件和位移边界条件等操作，最终进行求解。在求解过程中，护坡开挖之前应先求解一次，使模型在原始应力状态下达到平衡，护坡开挖后再求解一次，以便得到稳定系数、水平方向位移和垂直方向位移，整个计算精度设置为1×10-5N，即最大不平衡力达到1×10-5N时，认为计算收敛。由于实际工程中边坡一直向外渗水，计算模型中需设置渗水通道。

3.1 水平方向位移

护坡开挖后，计算稳定时模型的水平方向位移计算结果如图4、图5所示。

图4 水平方向位移云图

图5 土体破坏形式

从图4中可以看出，由于护坡的开挖，小区地面最大水平位移为5.36 cm，水平位移影响范围较大。从图中得，在现有围墙以内20 m范围内都将出现大于1 cm的水平位移，距离围墙26 m处水平位移较小，小于0.5 cm，对于建筑的影响相对较小，加之建筑物地基较深，对地基影响很小。可见，开挖面距离建筑物的距离最少应在20 m以外，避免对建筑物造成不利影响。

从图5可以简单的得出，护坡开挖后，围墙后侧土体大部分范围出现拉破坏，这也在一定程度上验证了现场地面裂缝和建筑物附属结构的部分变形特点，图中看出只有在开挖面底角附近出现剪切破坏，剪切破坏直接影响边坡稳定。

3.2 垂直方向位移

为了更加直观地看出由于护坡的开挖对小区的影响，计算过程中监测了距离现有围墙5 m、12 m、15 m时的垂直方向位移。计算曲线如图6～图8所示。

图6 距离围墙5m垂直方向位移

图7 距离围墙12m垂直方向位移

图8 距离围墙15m垂直方向位移

从图6～图8中可以看出，计算稳定时(最大不平衡力达到1×10-5N)，距离围墙5 m处，土体沉降量达到7.4 cm；距离围墙12 m处，土体沉降量达到3.3 cm；距离围墙15 m处，土体沉降量为0.5 cm，此时对建筑物的影响较小。通过垂直方向位移计算结果表明，边坡开挖应距离建筑物15 m左右，避免建筑物受到破坏。

以上是在一定的渗流通道情况下的土体破坏形式，并没有考虑由于渗流作用引起流土时的土体变形破坏形式。当土体发生流土时，土质变松，土体内出现空隙或者通道，边坡开挖的影响范围将更大，影响较以上分析结果更大。

4 结论

(1)根据数值计算水平方向位移计算结果，由于护坡的开挖，小区地面最大水平位移为5.36 cm，水平位移影响范围较大，从图中可知，在现有围墙以内20 m范围内都将出现大于1 cm的水平位移，距离围墙26 m处水平位移较小，小于0.5 cm，对于建筑的影响相对较小，加之建筑物地基较深，对地基影响很小。可见，施工作业面距离建筑物的距离最少应在20 m以外，避免对建筑造成不利影响。护坡开挖后，围墙后侧土体大部分范围出现拉破坏，这也在一定程度上验证了现场地面裂缝和建筑物附属结构的部分变形特点，由图5可以看出在开挖面底角附近出现剪切破坏，直接造成了边坡的不稳定。

(2)基于数值计算垂直方向位移计算结果，计算稳定时(最大不平衡力达到1×10-5N)，距离围墙5 m处，土体沉降量达到7.4 cm；距离围墙12 m处，土体沉降量达到3.3 cm；距离围墙15 m处，土体沉降量为0.5 cm，按照《建筑地基基础设计规范》的规定，此时对建筑物的影响较小。通过垂直方向位移计算结果表明，边坡开挖应距离建筑物15 m左右，避免建筑物受到破坏。

[1] 李进军，王卫东，邸国恩，等． 基坑工程对邻近建筑物附加变形影响的分析[J]． 岩土力学，2007，28( 增刊) :623-629.

[2] 刘国彬，刘登攀． 基坑施工对周围建筑物沉降的影响分析[J]． 建筑结构，2008，37(11) : 79-83.

[3] 陈观胜，严洪龙． 深基坑开挖对周围建筑物的保护[J]． 城市道桥与防洪，2003(2) : 74-77.

[4] 张亚奎． 深基坑开挖对近邻建筑物变形影响的研究[D]． 北京: 北京工业大学，2003.

[5] 王广国，杜明芳，候学渊． 深基坑的大变形分析[J]． 岩石力学与工程学报，2000，19(4) : 509-512.

[6] 朱华，钟岱辉，王宇佳． 开挖方式对支护结构和建筑物影响的数值分析[J]． 山东建筑大学学报，2013，28(2) : 134-138.

[7] 王宇佳．基坑开挖施工对既有框架结构影响的数值分析研究[D]．济南: 山东建筑大学，2012.

谢辉(1989～)，男，硕士，从事电力工程设计工作。

TU94+3.9

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[定稿日期]2016-12-04