环境工程引起的建筑物应力应变分析研究

梁智霖

（河南卫生干部学院，河南 郑州 450008）

环境工程引起的建筑物应力应变分析研究

梁智霖

（河南卫生干部学院，河南 郑州 450008）

结合某实际大型建筑物基坑开挖现场情况，运用有限元分析软件ETABS对可能的地表沉陷对周围建筑物的影响状况进行三维非线性模拟。首先介绍了基坑坑外土体沉陷的理论分析方法;然后建立了三层钢框架结构计算模型，对基础土体下沉时建筑物内部各柱的内力进行计算;最后分析了建筑物所受到的影响情况。

环境岩土工程；基础工程；沉降量；数值分析

一、引言

随着我国经济的快速增长，近年来，一大批大型、特大型构筑物相继开工。城市建设用地空间限制与越来越多人口之间的矛盾不仅要求工程师向天空索取空间，同时也要求工程师把目光聚焦于地下。深基坑、地下轨道交通等高难度工程应运而生且越来越多，基坑开挖过程中对基坑的稳定性和变形要求越来越高［1］，对岩土工程设计施工人员来说，新的问题也不断出现。其中，基础工程引起的环境岩土工程问题作为一个新兴问题，正越来越困扰工程设计施工人员。环境岩土工程问题既是指在工程建设过程及施工结束后，施工项目对周围环境，特别是岩土环境的影响，这里的环境岩土问题既包括生态环境、自然环境，同时包括环境中的人工设施。

本文模拟一受到地基沉降影响的框架结构建筑物，利用有限元软件对建筑物的应力应变状况进行分析。地基沉降情况根据实际某在建工程得出：整个项目建筑于旧房改造拆迁项目之上，占地面积7854.05m2，建筑基坑周长363m，基坑深9.2m～9.8m左右，基坑周围老旧建筑物较多，情况复杂。土体为黏性土，整个工程场地经过之前工程的平整压实，高差约0.5m，可以忽略不计。

二、基坑坑外土体沉陷概述

基坑开挖、支护甚至支护拆除过程中，施工工艺、支护方式、基坑降排水等因素不可避免地会对周围土体产生扰动，如措施不当，就会产生如基坑内管涌、突涌、基坑外土体变形沉降等诸多环境岩土工程问题，不仅影响基础工程的施工进度，甚至可能威胁人民群众生命财产安全。基坑产生管涌、突涌主要与基坑土体的性质、周围地下水位，甚至施工期间环境变化有关。为避免这种情况，工程中主要用提前测定地下水位及土地性质，采用挡水墙并提前打井抽水的方式解决，理论深度较浅，这里不再详细介绍。相反，土体开挖过程中产生的与支护结构协同的应力应变直接关系着基础开挖、施工的顺利进行，涉及岩土工程的本质问题。土体变形主要包括三个方面：基坑壁变形、基坑底部隆起、支护结构后地表及建筑物的沉降。［2］据研究表明，这三个方面是相互关联的，其中以支护结构后地表沉降对环境的影响最大也是研究的重点。本文将以基坑开挖引起的坑外土体变形问题为对象，在概述沉降计算方法的基础上具体分析地表沉降对坑外建筑物的影响。

三、地表沉降理论分析

基坑开挖后，围护结构外地表会发生沉降这是不争的事实，工程上长期观察发现，由开挖地层性状的不同，地表沉降以三角形分布或者抛物型分布：当开挖地层较软弱，而且坑壁支护结构入土深度较浅的时候，结构部有相对较大的水平位移，结构外侧会出现比较大的地表沉降，并且最大沉降点在基坑边，即三角形分布；当开挖地层刚性较大的时候，或者结构底入土较深时，坑壁支护结构的变形与梁的变形相当，此时地表沉降的最大值不是在结构旁，而是离基坑边尚有一段距离的位置上，即是抛物线形。［3］本案例即是这种情况。支护结构外地表沉降的范围与许多因素有关，其中主要包括底层的性质、基坑开挖深度H、墙体入土深度、下卧层软弱土层深度，以及支撑施工方法等。沉降的范围一般为墙后地表2～3H范围内。［4］

本文选用常用的Bowles［5］计算方法对基坑周边沉降进行分析。Bowles计算方法主要包括以下几个步骤：①计算支护结构的侧向变形曲线，假设支护结构侧向变形曲线为抛物线形式，f（z）=az2+bz+c；②以积分方法计算支护结构及横向变形曲线所包络的面积；③基坑开挖影响范围L：采用唐孟雄［6］及Capse［7］的建议，L＝Htan（45°-φ/2）或者L＝（h+ Hd）tan（45°-φ/2）；④沉降曲线数学表达式本文假设建筑物边缘到基坑边的沉降曲线为抛物线，建筑物基础沉降曲线为直线分布；⑤根据Milligan的研究，沉降面积大致等于支护结构的侧向变形包络面面积。

地表最大沉降值计算简图如图1，推导过程不再详述。得到最大沉降公式为：

图中h为基坑开挖深度，Hd为支护桩嵌固深度，d为建筑物基础埋深。公式中H为支护结构长度，φ为土体内摩擦角，l为建筑物基础与坑边的距离，L为基坑开挖影响范围，δvmax为最大沉降值，SH为支护结构侧向变形包络面积。

根据计算或实测支护结构侧向变形数据拟合侧向变形曲线，通过沉降公式求出靠近基坑侧建筑物角点的最大沉降值δvmax，再根据公式所设的沉降曲线，既可求得建筑物柱下独立基础的不均匀沉降，也为进一步通过结构计算分析建筑物框架结构变形位移和内力变化情况提供了条件。

图1 地表沉降计算示意图

四、模型应力应变分析

（一）地表沉降计算

本文选用某市一实际基础工程作为算例，进行该算例情况下基坑开挖对周围一假想框架建筑物的应力应变情况分析，以使本算例的分析结果具有一定的经济意义和社会意义，同时能对类似工程起到借鉴作用。实际工程基坑周长为363m，取样位置基坑深度约9.2m，基坑深度范围内依次包括杂填土、黏土、粉质黏土、有机质黏土四类地层。设被影响建筑物距离基坑边缘距离为8m，包含9个柱下独立基础，如图2所示，其中1、2、3为靠近基坑边缘一侧，且距基坑边缘距离相等。

图2 建筑物基础示意图

由上文所提内容，建筑物基础最大沉降位置在距离基坑最近处。经过加权平均后土体内摩擦角取φ=5.1°，基坑等效宽度取，0.5Btan（45°+φ/2）=48m。基础工程对周围地表影响范围为L=（h+Hd）tan（45°-φ/2）=（9.2+48）tan42.45°＝52.32m。地表最大沉降值点与坑边距离即为建筑物距离坑边距离8m。通过施工现场实测数据，由积分方法可以很方便得出支护结构侧向变形包络面积为SH=0.158m2。由（1-1）式得最大沉降值为5.36mm。

此即为建筑物最靠近基坑坑壁处基础沉降值，这里依然假设最简单的情况，如若建筑物为有9个柱下独立基础的边长为12m的钢框架建筑物，如图2为建筑物基础示意图。图中1、2、3距离基坑边缘最近。又因为将基础沉降在最大值两侧简化为呈线性变化，则可分别计算出建筑物9个基础的沉降量，沉降量统计表见表1。

表1 建筑物基础沉降值统计表

（二）计算模型及结果

ETABS是由CSI公司开发研制的房屋建筑结构分析与设计软件，在三十年的发展时间里ETABS已经成为全世界各个国家和地区公认的结构计算专业程序，在世界范围内广泛应用，其房屋结构应力分析更是成为业界标准。ETABS计算理论基于有限元理论，有限元理论是将连续问题离散化，再将偏微分方程组在离散单元上线性化，从而得到数理方程边值问题的近似解。

图3 框架结构尺寸图

这里假设钢框架结构有3层，每层层高为3000mm，立柱间间距都为6000mm，基础采用固定端支座。框架柱和框架梁采用450× 200×9×14（mm）工字型钢，楼板厚100mm，弹性模量24821Gpa，泊松比0.2，密度2.4g/cm3。结构构建完成后，即对结构施加外荷载作用，本例外荷载为支座沉降位移，采用表1支座位移值输入，由于建筑物为一长宽相等的对称形状，支座沉降设置灵活，这里认为：①轴线靠近基坑坑壁，沉降量为最大值5.36mm；②轴线远离基坑坑壁，沉降量为4.09mm。将框架结构尺寸及重度输入后，软件自动生成梁柱节点受力情况，由于设板跨方向沿数字轴号方向，作用力集中在跨端，且中间跨受力为边跨两倍。

前处理完毕后进行结构计算分析，基底沉降变形将导致上部结构位移变形，并进一步导致结构整体存在较大的附加内力。具体计算结果见图4、图5、图6。

通过观察计算结果，得出以下结论：①结构两边跨附加应力、位移变形对称，且中间跨应力、位移大于边跨，这是因为中间跨受力较大，结果与客观事实相符。②B-B跨剪力为零，这是因为B-B跨两侧结构、位移、受力的对称性，不会产生非对称的剪力作用。③结构底层柱和顶层柱所受附加应力较大，可知底层、顶层柱最危险。

五、结论

环境岩土工程作为一个新兴理论课题，在日益强调人与自然和谐发展的今天必将彰显出其越来越重要的理论作用，但由于发展时间还不长，环境岩土问题发展仍旧不完善。对本文来说，很多内容只能大致叙述，还有许多问题需要进一步讨论与研究。

图4 A-A跨附加弯矩图

图5 B-B跨附加弯矩图

图6 B-B跨附剪力矩图

（1）本文以环境岩土问题一个研究方向为研究对象，分析了基础工程可能引起的环境岩土问题，实际上，基础工程也肯定对岩土体的其他方面造成影响，比如基础工程中各种工程材料不合理的使用，混凝土材料对土质的影响，钻孔灌注时机械振动对土体的扰动，又或者灌注液中的有毒化学成分对土体中微生物的影响，等等。这些都是环境岩土研究所要关注的问题，还有待后来者进一步试验分析。

（2）就本文本身来说，在模拟基坑坑壁变形时将坑壁看作竖直的“一”字型边壁，实际该基坑还包括非直线边壁，包含阴角、阳角的拐角边壁，等等，这些边壁造成的土体沉降计算过程更加复杂，同样值得研究。

（3）本文在模拟基坑周围建（构）筑物时，选用了较简单的钢框架三框对称结构，并且没有计算在正常情况下建筑物的内力、变形分布，事实上如果将框架基础非下沉情况与基础下沉情况作对比，计算结果将更饱满。鉴于笔者目前能力水平的限制，这将有待进一步研究与探索。

［1］侯学渊，刘国彬，黄院雄.城市基坑工程发展的几点看法［J］.施工技术，2000，29（1）：5-7.

［2］刘长文，陈怿凡，李旭东.考虑空间效应的深基坑周围地表沉降分析［J］.辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2000，19（2）：145-147.

［3］高伟，窦远明，周晓理，等.分步开挖过程中基坑支护结构的变形和土压力性状研究［J］.岩土工程学报，2006，28（11）：1455-1459.

［4］赵花丽，傅少君.深基坑工程的现状与发展［J］.孝感学院学报，2005，25（3）：94-96.

［5］Bowles J E.Foundation analysis and design［M］.出版地不详，1988.

［6］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）：31-35.

［7］Caspe M S.Surface settlement adjacent to braced open cuts［J］.Journal of Soil Mechanics&Foundations Div，1966，92（ASCE#4867 Proceeding）.

TU753

A

1671-2862（2017）03-0109-04

2017-02-23

梁智霖，男，河南郑州人，硕士，河南卫生干部学院助教，研究方向：岩土工程、工程力学。