基坑开挖和堆载对邻近建筑物基础的影响模拟

陈 家 康

(安徽铁建工程有限公司，安徽 蚌埠 233000)

0 引言

伴随着国家经济的发展，我国城市化的进程日益加快，而施工技术的日趋成熟也使得城市化进程不断推进。有限的城市用地使得土地的稀缺性显得尤为突出，这使得许多已建成建筑物不可避免会受到其他工程活动的影响，例如基坑工程[1,2]，隧道工程[3]，地铁盾构施工[4-6]和地下水抽取[7]等一系列的工程活动。其中，基坑工程中坑外的土体会由基坑开挖、邻近堆载等工程建设活动引起应力重分布，地基土体不仅会由于二次固结导致不均匀沉降，而且附近结构也会因此受到水平荷载的作用[8]。在软土地区，堆载则会对既有结构的稳定性产生很大影响[9-11]。基坑开挖和邻近的堆载会造成结构基础产生负摩阻力、附加弯矩和水平位移，如地基位移过大，将导致上部结构开裂，严重的甚至造成上部结构倾覆[12,13]。因此，研究基坑开挖与邻近堆载对建筑物的影响具有重要的理论及现实意义。

1 数值计算简介

1.1 工程背景

本文拟对上海市梅陇镇26号地块商品住宅项目莲花河畔景苑7号楼的整体倾倒建立数值模型，考察结构应力、变形等特性，考察楼房整体倾倒原因。

据资料调查可知：上海市梅陇镇26号地块商品住宅项目共由12栋楼及地下车库等16个单位工程组成。莲花河畔景苑7号楼位于在建车库北侧，临淀浦河。该楼于2008年年底结构封顶，同时期开始进行12号楼的地下室开挖。根据甲方的要求，土方单位将挖出的土堆在5号、6号、7号楼与防汛墙之间，距防汛墙约10 m，距离7号楼约20 m，堆土高约3 m～4 m。

2009年6月1日，5号、6号、7号楼前的0号车库土方开挖，表层1.5 m深度范围内的土方外运。6月20日开挖1.5 m以下土方，根据甲方要求，继续堆在5号、6号、7号楼和防汛墙之间，主要堆在第一次土方和6号、7号楼之间20 m的空地上，堆土高约8 m～9 m。此时，尚有部分土方在此无法堆放，即堆在11号楼和防汛墙之间。6月25日11号楼后防汛墙发生险情，水务部门对防汛墙位置进行抢险，也卸掉部分防汛墙位置的堆土。6月27日，清晨5时35分左右大楼开始整体由北向南倾倒，在30 s内，就整体倒下，倒塌后，其整体结构基本没有遭到破坏，甚至其中玻璃都完好无损，大楼底部的桩基则基本完全断裂。由于倒塌的高楼尚未竣工交付使用，所以，事故并没有酿成特大居民伤亡事故。

1.2 工程地质概况

土层分布详细参数见表1。基础类型：桩—十字条形基础，埋深1.9 m，承台底面标高-2.6 m；桩：PHC(预应力高强混凝土)管桩，共118根，桩长33 m；堆土：北面堆土面积有足球场那么大，最高处达10 m，由北向南造成的侧向力约有3 000 t。

表1 地质资料及土层参数

1.3 计算模型及基本假定

本文采用ABAQUS CAE 2017软件进行二维有限元分析，针对商品住宅项目莲花河畔景苑7号楼工程，主要考虑基坑开挖和堆载对结构的应力变形影响。基本假定如下：

1)模型中土体采用各向均质同性弹塑性体，采用摩尔—库仑本构模型；

2)挡土墙和建筑物基础的桩均采用线弹性模型模拟；

由图6可知，纳米粒子热失重可以分为2个阶段，第1阶段是从室温升到100℃时，纳米粒子的失重率为2.19%到1.26%之间，这主要是因为吸附溶剂的挥发所致；第2阶段从100℃升到800℃，该阶段样品的质量流失则主要归因于有机基团的分解。比较3与纳米二氧化硅的热失重，可以计算出纳米粒子3中的氨基含量为 0.61 mmol/g。纳米粒子4、5是以纳米粒子3 为原料合成的，因此比较它们与纳米粒子3的热失重，可以计算出各自官能团的接枝率(表2)。从接枝率的数据可以看出，在纳米粒子3合成4和5的反应中，并非所有的氨基完成了转化，其中纳米粒子4中的氨基转化率较低，5的转化率较高。

3)不考虑土体流变的影响。

ABAQUS的分析框架是按分析步(STEP)进行的，一般分析步可以模拟岩土工程分析的施工和运行顺序。在某一个一般分析步中，不同的载荷可以按不同的顺序施加到结构的不同部分，甚至载荷的大小可以随时间变化。ABAQUS的计算框架本身就提供了过程分析的能力，可以方便地模拟各种施工过程。

尽管由于土是长期自然沉积形成的，在实际的工程中，天然地基沿深度方向的分布并非是均质的，而是沿深度方向层状分布，但考虑到多层土在前期建模及后期数值计算中的复杂性，本文计算模型将地基土体简化为一层土，地基土体的本构模型选取摩尔—库仑(Mohr-Coulomb)强度理论，该模型对于大多数岩土工程问题具有较好的适用性，在工程界应用广泛。

本文计算模型以商品住宅项目莲花河畔景苑7号楼工程为背景，建立的模型分为三个部分，分别为土体、挡土墙和建筑物的基础，装配后的模型如图1，图2所示，基坑开挖的深度为10 m，挡土墙深度为20 m，建筑物的桩基础同样假设埋深为20 m。

模型底部限制其水平方向位移和竖直方向位移，水平方向的边界都采用固定水平方向位移，上表面为地表面，设为自由边界。在计算中，为满足研究需求，本文参考实际工程定义模型参数，采取最简化的模型，土体弹性模量为22 MPa，泊松比为0.2，土体重度为20 kN/m3，黏聚力8 kPa，内摩擦角为30°，剪胀角为0；挡土墙和建筑物地基均采用混凝土结构模拟，弹性模量为28 GPa，泊松比为0.15；挡土墙和桩基础与土之间的摩擦角为30°，摩擦系数为0.577，在模型中，挡土墙和桩与土地接触均为：切向方向的摩擦公式选取“罚”，法向选择硬接触。

1.4 数值模拟过程

在数值模拟研究过程中，基坑开挖和邻近堆载造成的建筑物地基及桩产生的应力及变形不容忽视。本文二维模型中设定基坑为一次开挖，堆载为基坑开挖后施加压强模拟堆载。数值分析过程如下：

1)建立初始应力状态下的二维数值模型，并让挡土墙和建筑物基础均和土体一起在初始地应力下地应力平衡；

2)在建筑物基础上施加150 kPa的压强模拟建筑物的荷载；

3)将基坑开挖到指定位置(本模型中基坑开挖深度为10 m)；

4)在模型指定位置施加70 kPa的压强代替模拟逐步增加的堆载，本模型中堆载中心距建筑中心距离为18.5 m。

在上述分析过程中，涉及到模拟基坑开挖方法的关键步骤为：

1)在模型建立时，土体模型部分建立两个集合，一个集合为基坑开挖前的全部土体，另外一个集合为之后要开挖的土体；

2)在分析步中建立一个开挖土体的分析步，本文的模型定义为“Remove”，便于后面方便选取开挖的土体；

3)在相互作用中，在“Remove”分析步中定义一个型号改变的相互作用，使基坑开挖的土体在“Remove”这个分析步中无效，用以模拟基坑开挖工程。

2 数值模拟结果

本文主要模拟了三种不同的施工工况对桩和土体变形的影响：

1)工况1：模拟开挖基坑对桩和土体变形的影响，在这种情况中，不施加建筑物的荷载与外部土体的堆载，这种情况下的水平方向变形云图如图3所示。

2)工况2：模拟建筑荷载和开挖基坑对桩和土体变形的影响，在这种情况中，地应力平衡后，在建筑物基础表面施加压强，然后再开挖基坑，这种情况不施加堆载，水平方向最终变形云图如图4所示。

3)工况3：模拟建筑物荷载、基坑开挖和堆载对桩和土变形的影响，在这种情况中，地应力平衡后施加建筑物荷载，接着开挖基坑，最后施加堆载，水平方向最终变形云图如图5所示。

比较三种不同工况下的最终变形云图可以看出，基坑底部基本没有产生水平位移，基坑底部靠近挡土墙的土体向左发生位移，此外，挡土墙、建筑基础和两者间的土体同样向左产生了位移。对本文分析的三种不同工况，模型中最大的位移均为挡土墙表面，而土体最大位移位置为靠近挡土墙处的土体，另外，当基坑外侧邻近土体受到荷载作用越大时，挡土墙向左产生的位移越小。

3 数值模拟分析

三种不同工况下，基坑开挖后不同深度处的挡土墙的水平位移值如图6所示。从图6中可以看出，基坑开挖后，由于开挖卸载的作用，会引起挡土墙向左发生位移，且开挖深度越深，挡土墙向坑内发生的位移越大。比较工况1与工况2可以看出，在开挖基坑之前，基坑外部有竖向荷载作用时，可以有效减少基坑开挖后挡土墙向坑内产生的变形；通过工况2和工况3还可以看出，当基坑开挖之后，远处有外部荷载作用可减少基坑开挖后挡土墙向基坑内发生的变形。

基坑开挖与邻近堆载对既有建筑物基础的影响如图7，图8所示。比较工况1和工况2可以看出，基坑开挖将会导致建筑物桩基础产生横向变形，建筑物自身的荷载作用将使桩身顶部水平位移增大；比较工况2和工况3可以看出，施加堆载将使桩身底部水平位移增大，同时会减小桩身顶部的水平位移，从而会使桩身中部弯矩增大，邻近桩桩身中部弯矩增大尤为明显，使得桩身中部断裂风险增大，这可能就是莲花河畔景苑7号楼底部桩基完全断裂的主要原因。

4 结论与建议

基坑开挖和堆载会改变已有建筑原有的平衡状态，引起建筑的基础产生很大的变形，诱发一系列的安全隐患。本文利用ABAQUS CAE 2017有限元分析软件，采用数值模拟分析了基坑开挖和邻近堆载对既有建筑物的影响，分析了不同工况对挡土墙和建筑物桩基础的影响，主要得到的结论如下：

1)本文建立了基坑工程对既有建筑物的影响模型，能够考虑基础上部不同荷载，基础邻近堆载对挡土墙和建筑物桩身的影响，且可以通过改变荷载分析不同外荷载下基坑开挖对既有建筑的影响。

2)通过分析表明，当基坑开挖时，不论是开挖前和开挖后，在基坑外侧一定距离施加一定强度的荷载能够减少基坑开挖后挡土墙的水平变形。

3)基坑开挖将会导致建筑物桩基础产生横向变形，建筑物自身的荷载作用将使桩身顶部水平位移增大；施加堆载将使桩身中部弯矩增大，邻近桩桩身中部弯矩增大尤为明显，使得桩身中部断裂风险增大。