邻近建筑物荷载对深基坑坑角效应分析

肖罗发 邱红胜 朱万鑫 黄伟洪

(武汉理工大学交通与物流工程学院1) 武汉 430061) (珠海航空城工程建设有限公司2) 珠海 519040)

0 引 言

在修建有着复杂结构的建筑物时，有时必须在常规深基坑中开挖小型基坑，即坑中坑型深基坑.在深基坑工程中，基坑坑角侧墙提供了额外的约束,相较于非坑角的侧墙拥有更高的系统刚度,坑角附近的变形和受力受到应力集中的影响，其变形偏小，称为坑角效应.Zhandos等[1]通过对实际工程的监控分析，研究得出基坑开挖引起的地表沉降模式可分为“三角形”及“凹槽形”两种,地基沉降的适用范围分别为有悬臂式支护结构的基坑和有内支撑支护的基坑.Moorak[2]进一步拓展，提出了地表沉降主影响区及次影响区的概念，得到了“三角形”及“凹槽形”地面沉降模式的深度和位移的折现图.

对于建筑物与基坑相互影响的研究已成为近年来的研究热点.张艳书等[3]通过对实际工程的监控观察，研究了基坑开挖对附近建筑物的影响，提出了三种推导建筑物损害的方法，认为考虑土体水平位移的预测方法更为准确.钱天平[4]对某在建基坑进行监控，利用有限元进行了建模分析.Finno等[5]研究了不同结构类型的建筑物对基坑的影响，结合有限元分析方法，提出了对建筑物损害的预测因结合结构开裂前后的表现形式.Blackburn等[6-7]研究了不同软土层厚度、埋置深度以及基坑的开挖深度对基坑的影响，系统地分析了狭长型基坑中这些因素对基坑周围地表沉降的影响规律.

以上研究都是侧重于普通深基坑，也没有将邻近建筑物对基坑产生的坑角效应对围护结构的影响进行具体的分析.文中结合实际工程，通过有限元分析软件MIDAS GTSNX对其进行模拟，分析在邻近建筑物荷载作用的条件下，基坑阴角及阳角附近的坑角效应，得到了阴角及阳角坑角效应的影响范围及规律.

1 工程概况和模型建立

1.1 工程环境概况

某在建大型办公楼及其附属设施由一座35层搞得塔楼和8层的裙楼组成，基坑为坑中坑异性深基坑.工程周围的主要环境见图1，基坑北部和东部为城市主干道，交通量较大；南侧为某公司的6层办公楼和其附属厂库；西侧为一小区，多为老式的砖混构造，基础埋深2 m.

图1 基坑周围环境图

1.2 基坑的围护体系

综合考虑到基坑的环境和周围建筑物的安全后，决定采用φ1 000@1 300、φ1 200@1 500两种类型钻孔灌注桩，混凝土等级为C35，共331根.由于工程复杂，采用了31 m和38 m两种深度的支护桩.为简化建模的操作和方便计算分析，文中将支护桩等代替换为地下连续墙，相关计算公式为

EIP=E(πD4/64S)

式中：E为混凝土弹性模量；Ip为每延米地下连续墙抗弯刚度，IP=h3/12，h为等效地连墙厚度,m；D为支护桩直径,m；S为相邻支护桩桩芯距,m.

对φ1 000@1 300和φ1 200@1 500的支护桩进行等刚度替换得到地下连续墙厚度分别为h1=0.768 m和h2=0.934 m.

基坑内部的支护结构采用了内支撑加支护桩的形式，设置3道内支撑，通过角撑加对撑的形式构成了稳定的内支撑体系.第一道内支撑中心标高为-1.0 m，所用钢筋的截面大小为0.9 m×0.9 m；第二道内支撑中心标高为-11.00 m，钢筋截面为1.4 m×1.2 m.在这两道支撑之外为加强坑中坑附近的支护体系强度，在坑中坑处设置了第三道内支撑，中心标高为-16.0 m，钢筋截面为1.2 m×1.2 m.为使支护体系更加完整和牢固，还设置了一道冠梁和两道腰梁.冠梁钢筋截面为1.4 m×0.8 m、腰梁钢筋截面为1.6 m×1.2 m、1.5 m×1.2 m，与内支撑均采用C40混凝土浇筑.坑中坑位置及内支撑布置见图2.

图2 内支撑及坑中坑位置示意图(单位：m)

1.3 模型建立

根据文献[4]的研究结果，基坑建模的最佳尺寸为：纵向为开挖深度的2～4倍，水平方向为开挖深度的3～5倍.本工程中，外坑开挖深度为19 m，坑中坑开挖深度为26 m.综合考虑后，决定后基坑模型大小为342 m×283 m×80 m.建成后的基坑模型见图3.

图3 基坑总体模型图

土体的本构模型采用修正Mohr-Coulomb本构模型.为简化计算和分析的时间，平衡计算效率和计算精度的关系，假设土体在所属土层中完全均匀完整的分布，经过考虑取舍后，只保留杂填土、粉质黏土、中分化粉砂质泥岩、微分化粉砂质泥岩.根据地参报告各土层物理参数见表1.

表1 各土层物理力学参数

确定各支护结构的材料参数，为方便建模将钻孔灌注桩运用等刚度替换的方法转换为地下连续墙，各组成部分参数见表2.

表2 各支护结构材料及参数表

支护结构的单元模型建立见图4.

图4 围护结构单元布置图

根据工程实际的开挖顺序，将开挖过程分为九个工况.

1) 地应力平衡，位移清零 建立四层水平土体，并对土体施加重力荷载，提供土体的初始应力场并消除土体自重沉降位移.

2) 建筑物的修建，位移清零 建立邻近建筑物的基础，并依据相关规范，以每层15 kPa将建筑物荷载等代施加在基础上，从而将建筑物的影响引入模型；模型计算得到加入建筑物施作后的应力场，并且消除建筑物修筑引起的位移.

3) 地连墙及立柱桩施作，位移清零 激活地下连续墙及立柱桩，模拟地下连续墙及立柱桩的施工，同时利用位移清零，消去施工引发的土体位移.

4) 第一次开挖 开挖至-2 m，并施作冠梁及第一道内支撑.

5) 第二次开挖 挖至-8 m.

6) 第三次开挖 开挖至-14 m，施作第一道腰梁及第二道内支撑.

7) 第四次开挖 开挖至外坑基底(-19 m)，施作第二道腰梁及第三道内支撑.

8) 坑中坑地连墙施加作用力.

9) 第五次开挖 开挖至坑中坑基底(-26 m).

1.4 模型验证

为验证所建模型的合理性和计算结果的精度，本文选取了钻孔灌注桩中的7号桩进行了监控.仅选取工况⑤和工况⑥进行对比选取各阶段围护结构最大水平位移值及最大水平位移深度，见表3.

表3 围护结构最大水平位移表

由表3可知：在最大位移处仅有8%的误差，可以认为建立的模型比较好的模拟了实际情况.

2 模拟结果分析

为了研究在附近有建筑物的条件下坑角效应对基坑支护结构的影响，本文将指定一个基础大小为20 m×10 m的建筑物，规定建筑物与基坑边缘大的水平距离为10 m，分别作用于基坑阳角与阴角附近，得出其对基坑围护结构的影响范围差异.建筑物与基坑位置见图5.

图5 建筑物相对基坑位置

2.1 阴角附近的坑角效应分析

由于坑角效应的影响，当建筑物与坑角水平距离D不同的情况下，邻近建筑物对围护结构将产生不同的影响.选取建筑物平面大小为20 m×10 m，建筑物与基坑边长水平距离B为10 m，分别将建筑物作用在阴角及阳角附近，得出邻近建筑物作用受坑角效应的影响规律及其对围护结构影响范围的差异.

由于文中所用的实际工程中包含一个坑中坑，其会对下面将要进行的对围护结构的受力分析产生不必要的影响，因此下面选取常规深基坑开挖至-19 m作为分析的工况.当建筑物荷载p分别作用于距阴角D为0，10，20，35，50 m处时，东侧围护结构水平方向位移云图见图6.

图6 各开挖阶段围护结构水平变形云图

由图7可知，当距离D逐渐增大时，东侧围护结构的最大水平位移也同时增大，最大位移发生的位置也同时随之变化.无建筑物作用时最大位移发生在距阴角46 m处，D=10 m时，最大位移发生在距阴角41.5 m处；而当D增大到50 m时，最大水平位移发生位置又重新回到了距阴角46 m附近.

提取不同工况下，建筑物位置对应围护结构的水平位移见图7.各建筑物与阴角水平距离D下围护结构水平变形见图8.

图7 不同工况下下围护结构水平变形图

图8 各建筑物与阴角水平距离D下围护结构水平变形图

由图7可知，在邻近建筑物荷载的作用下，围护结构的水平位移随深度的变化规律并为改变，均是沿深度先增加后回落的表现形式，同时可以看出相较于无邻近建筑物的0号对照组，最大水平位移均明显增长，当D=10 m时，围护结构最大水平位移δmax为6.207 mm，较无建筑物模型该处位移的5.304 mm增长了17.02%；当D=50 m时，则增长了22.26%.故，邻近建筑物的作用受坑角效应影响显著.

为分析在坑角效应影响下，邻近建筑物对围护结构影响的范围，从模型中提取D=0，10，20，35，50 m的情况下，基坑开挖至-19 m时，-16 m深处靠近建筑物一侧的围护结构的水平变形见图9.

图9 -16 m深处围护结构处水平位移图

由图9可知，在距坑角小于10 m的范围内和超过80 m的范围外时，6段曲线几乎重合，可知在建筑物从D=10 m变化到D=50 m的过程中，对超过坑角80 m的范围外的围护结构水平位移δ几乎没有影响.其原因可能为：内支撑在基坑坑中坑上方加入了第三道内支撑进行加固，图2恰好在80 m的范围外，且该处围护结构厚度为0.934 m，刚度较大；所以当围护结构距阴角d大于80 m以上时，邻近建筑物对该处围护结构几乎无影响；而当d在0-10 m的范围内时无影响，其原因可能为：坑角处有坑角效应且变化陡峭因此在极小的范围内无影响.

2.2 阳角附近的坑角效应分析

取基坑开挖至-19 m时，邻近建筑物作用在与阳角水平距离D分别为15，25，35，40，45 m条件下，阳角附近东侧围护结构水平方向位移云图见图10.

图10 各建筑物与阳角水平距离D下围护结构水平变形云图

由图10可知，当有邻近建筑物影响时，阳角附近的围护结构的水平变形云图呈现由内向外环形扩散状，中部部分水平位移δmax大，向四周扩散时逐渐减小，但其增大趋势逐渐减小.建筑物距阳角D=15 m时，围护结构最大水平位移δmax为8.873 mm；D=35 m时，最大水平位移为10.008 mm；D继续从35m增大至45 m时，围护结构最大水平位移保持在10.010 mm附近.当D从15 m增大至45 m时，建筑物所处位置对应的围护结构与无建筑物同处围护结构水平位移对比图见图11.

图11 不同工况下围护结构水平变形图

由图11可知，相比于对照组无邻近建筑物，有邻近建筑物的部分水平位移随深度的变化规律没有改变，均为随着深度增加，先增大在逐渐回落的过程.但最大水平位移的增加明显.当D=15 m时，围护结构最大水平位移δmax相较无建筑物时增大了11.3%；当D=40 m时，则加大到18.6%.分析原因为：当D=15 m时，即所取围护结构距阳角15 m，该处受到阳角坑角效应的影响，综合第三道内支撑布设位置影响，围护结构水平位移发展相对较小；而当D=40 m时，所取围护结构距阳角40 m，几乎不受阳角处坑角效应的影响，且受第三道内支撑的影响较小，故而围护结构水平位移增速较D=15 m时增速大.

为分析各建筑物与阳角水平距离D变化下，邻近建筑物对围护结构水平位移的影响范围，提取各模型中，-14 m处围护结构的水平位移见图12.

图12 -14 m处围护结构水平位移图

由图12可知，建筑物与阳角水平距离D不同时，其对各处围护结构的影响也不一.阳角处围护结构变形相较阴角处围护结构更易受到外荷载影响.分析其原因可能为相对于阴角一侧在阳角一侧并没有内支撑的强化和钢筋的强化，所以全段都会受到邻近建筑物的影响.

3 结 论

1) 当邻近建筑物与坑角水平距离D从0～50 m的过程中，靠近建筑物一侧的围护结构的水平位移与深度的变化与无邻近建筑物时相比变化规律没有变化，同样为随着深度先增加后慢慢回落的变化规律，但由于邻近建筑物施加的荷载使围护结构最大变形δmax产生了显著的差异.在阴角附近，当D=20 m时，围护结构最大水平位移δmax为8.744 mm，较无建筑物模型该处位移增长了1.626 mm；当D=50 m时，则增长了1.893 mm.对于阳角处，当D=35 m时，围护结构最大水平位移δmax相较无建筑物时增长了1.380 mm，增大了17.9%；当D=45 m时，增速则加大到18.6%.

2) 坑角效应影响了邻近建筑物对深基坑围护结构的变形程度.当建筑物距坑角水平距离D较小时，建筑物影响的范围及程度均受到了坑角效应的限制，表现为对围护结构的横向变形的抑制，具体表现为：基坑坑角侧墙提供了额外的约束,相较于非坑角的侧墙拥有更高的系统刚度,坑角附近的变形和受力受到应力集中的影响，其变形偏小.当建筑逐渐原理坑角时表现为围护结构的变形增速呈现上升趋势，说明坑角效应的影响在降低，基坑围护结构不再受到基坑坑角侧墙提供的额外约束的影响.

3) 围护结构变形规律不随距坑角水平距离d增大而变化，仅围护结构的最大水平位移δmax随距坑角水平距离d的增大而增大，且增大幅度逐渐减小，最后趋于定值.在本工程中，阳角处坑角效应影响范围大于阴角影响范围.由于基坑坑角效应的存在，在设计过程中，可以考虑减小基坑阴角附近围护结构的强度及刚度，并可考虑减小阴角附近内支撑密度，且增大对基坑阳角的支护，以保证工程安全性的前提下，降低成本.