基坑开挖对周边环境的影响分析

魏云霞

(甘肃省公路交通建设集团有限公司, 甘肃 兰州 730050)

随着城镇化的发展及基础建设的增多,工程建设的可用地范围不断缩减.现如今很多基坑工程临近既有建(构)筑物,限制了诸如放坡开挖等一系列较为经济的支护结构的使用,也对基坑开挖过程中周边环境的响应做出了严格要求.为了保证在基坑开挖过程中周边既有建(构)筑物的安全,避免在基坑开挖过程中产生生产安全事故,研究基坑围护结构及周边建(构)筑物在基坑开挖过程中产生的应力、变形等一系列响应势在必行.

国内外专家学者就该问题进行了大量的研究,Liyanapathirana等[1]通过有限元模拟研究了基坑开挖时临近的桩与周围土体的相互作用；Zheng等[2]研究了开挖深度、支护结构水平位移对现有临近隧道的影响,提出了一种预估临近隧道变形的半经验方法.丁智等[3]分别从理论研究、模型试验、数值模拟和工程实测四个方面分析阐述了基坑开挖对临近地铁隧道影响的研究现状与发展方向.韩健勇等[4]基于临近浅基础建筑物的基坑实例,通过运用Plaxis的不同本构模型建立模型进行模拟研究,研究了邻近建筑物基础位置和地基附加应力对桩锚支护结构基坑与邻近建筑物本身的影响规律.施成华等[5]在考虑桩基剪切情况下,建立了计算基坑开挖时临近单桩的力学响应模型.李辉[6]基于有限元模拟和实际工程现场监测分析了临近两个基坑同步进行开挖时各自的响应.刘念武等[7]基于实际工程的现场监测,分析了基坑开挖过程中周边土体及既有建筑的变形.冉启仁等[8]基于室内模型试验,研究了基坑开挖过程中临近建筑物桩基的力与位移变化情况.康志军等[9]基于现场实测与有限元模拟,分析了围护结构发生最大侧移深度对周边土体位移场的影响.王浩然[10]改进了上海市《基坑工程技术规范》中预估基坑开挖过程中周边建筑变形的方法,使得改进后的预估方法能较好地估计上海地区基坑开挖过程中周边环境的变形.王志杰等[11]通过理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法,得出了在车站群基坑单侧开挖时既有车站的变形响应情况.

由以上研究可知,现有的研究大多针对单一围护结构或单一的周边既有建筑,单独取出基坑围护结构或临近建筑桩基础进行分析；对多种围护结构作用以及临近建筑整体变形的研究分析较少.本文基于西北某市实际基坑工程,分析了复合土钉墙及桩锚协同支护下的围护结构变形的空间效应,对比分析了复合土钉墙及桩锚支护体系的支护效果,也分析了围护结构及周边环境既有建筑物的变形.可对类似工程起到一定的借鉴、指导作用.

1 工程概况

1.1 基坑概况

本文所述基坑位于西北某市区十字路口处,西侧和北侧近邻马路,马路距基坑北侧1.3 m,距基坑西侧2.1 m；东侧和南侧临近既有建筑物,既有建筑距基坑最近处仅3.7 m.基坑南北长约70 m,东西长约80 m,基坑开挖深度10 m.基坑平面布置及周边概况如图1所示.

图1 基坑平面布置图Fig.1 Layout plan of foundation pit

1.2 支护结构概况

根据本工程特点及场地周围的具体情况,同时考虑经济效益等因素,确定西侧和北侧采用复合土钉支护(如图2a所示),东侧和南侧采用排桩预应力锚杆支护(如图2b所示).

图2 基坑围护结构剖面图Fig.2 Profile of foundation pit support structure

1.3 工程地质概况

工程场地地处黑河冲洪积细土平原区,场地内地形平坦,地貌类型单一.地基土在工程勘探深度范围内自上而下分为2层,其岩性特征分述如下：

第①层：杂填土.结构松散,在场地内分布较稳定,层厚0.5 m～2.1 m,力学强度低,为季节性冻土.

第②层：卵石.中密～密实,厚度较大,分布稳定,重型动力触探锤击数平均为21.57击,力学强度较高.

1.4 水文条件概况

根据本次工程勘察及区域水文资料,工程场地地下水属第四系松散岩类孔隙潜水,地下水主要赋存于卵石层中,地下水补给来源主要为大气降水及侧向径流补给,由南西向北东方向径流.侧向流出及人工开采是地下水的主要排泄方式.

勘察期间场地地下水位埋深0.7 m～1.5 m,据地下水动态观测资料,地下水位年变幅1.0 m～2.0 m.杂填土渗透系数k=5.2 m/d,卵石层渗透系数k=190 m/d.

2 建模与计算

2.1 计算模型

分析软件采取岩土工程专用有限元软件Plaxis3D.为了更好地模拟工程实际情况,将基坑及其周边环境进行适当简化后采用与实际尺寸1∶1的比例建立相应的有限元模型；为了消除模型边界效应,模型整体尺寸为230 m×185 m×48 m(长×宽×高).建立的基坑及其周边环境模型如图3所示,其中基坑围护结构模型如图4所示.

图3 基坑及其周边环境模型Fig.3 Foundation pit and surrounding environment model

图4 基坑围护结构模型Fig.4 Model of foundation pit support structure

2.2 计算参数

土体采用硬化土本构模型进行模拟,土体参数如表1所示.

表1 土层参数Tab.1 Soil parameters

周边既有建(构)筑物中,公路宽度12 m,采取12 kN/m2面荷载进行模拟；砖混结构建筑物统一使用条形基础,采用板单元进行模拟；砖混结构建筑物统一使用桩基础,采用Embedded桩+梁单元+板单元进行模拟.建筑层高统一为3 m,周边既有建筑物参数如表2所示.

表2 周边既有建筑参数Tab.2 Surrounding existing building parameters

基坑围护体系中,围护桩采用板单元进行模拟,采用刚度等效原则(式(1))等效成厚度为0.532 m的板单元；锚杆自由段采用点对点锚杆进行模拟；土钉墙土钉及锚杆锚固段采用Embedded桩单元进行模拟.围护结构参数如表3所示.

表3 围护结构参数Tab.3 Foundation pit support structure parameters

(1)

式中：D为支护桩直径；d0为支护桩中心距；h为板桩厚度.

2.3 边界条件

模型边界条件为位移约束边界条件,具体约束为：上表面自由、下表面约束3个方向位移、4个侧面约束法向位移.

2.4 计算工况

整个模拟过程包含1个初始状态和13个施工工况；由于本文研究基坑开挖对周边环境的影响,故在既有建筑以及灌注桩、冠梁施工结束后所有位移及应力清零.每次开挖前坑内水位面降至开挖面以下1.5 m处,采用稳态地下水渗流模式计算孔压.模型计算工况如表4所示.

表4 模型工况Tab.4 Model calculation condition

3 模拟结果

由于本文模型为与实际尺寸1∶1的三维模型,得出的变形数据是空间变形；为了方便分析,取具有代表性的几个剖面进行分析,剖面位置如图5所示.

图5 剖面位置Fig.5 Profile location

主要从基坑顶部土体水平位移、坑外土体竖向沉降、土体深层水平位移、锚杆力的变化和临近道路、周边建筑的变形几个方面分析基坑开挖对基坑围护结构及周边环境的影响.

3.1 模型合理性验证

由于本文所模拟基坑监测数据缺乏,参照类似工程监测结果对本文模拟结果进行验证.根据基坑深度、支护形式、地层参数等选取上海轨道交通9号线隧道基坑A区[12]、杭州市上城区某基坑[13]、成都地铁17号线凤溪站[14]作为参考对象,3个车站与本文所模拟基坑深度均为9～11 m,围护结构相似.

本文模拟结果如表5所示,与所选3个车站实际监测数据对比可知,针对锚杆(内撑)轴力、支护桩变形以及地表沉降三方向结果,本文模拟所得结果与实际监测结果较为接近.其中地表沉降数据本文模拟结果是上海轨道交通9号线隧道基坑A区、成都地铁17号线凤溪站的3倍左右,这是因为本文地表沉降受临近建筑以及降水影响,沉降影响范围大、沉降值高.

表5 结果对照Tab.5 Results comparison

3.2 基坑顶部土体水平位移

选取基坑四周顶部适当位置的土体水平位移进行分析,基坑顶部剖面1～剖面6土体水平位移数据如图6a所示；基坑顶部剖面7～剖面9、剖面16～剖面18土体水平位移数据如图6b所示；基坑顶部剖面10～剖面15土体水平位移数据如图6c所示；图6中土体水平位移数据皆以向坑内位移为正.

图6 土体水平位移Fig.6 Horizontal displacement of soil mass

剖面1～剖面6为复合土钉墙支护段,故需要研究从工况1至工况11所有施工步.从图可以看出,随着基坑的不断开挖、支护,复合土钉墙顶部土体水平位移呈不断增大的趋势.而由于剖面位置的不同,不同剖面最终的顶部土体水平位移也不同；其中剖面2、剖面5位于复合土钉墙支护段中间位置,受土钉墙两侧阴角影响最小,故最终的顶部土体水平位移值最大；剖面3、剖面4位于两段土钉墙相交而形成的阴角附近,受基坑阴角的影响,最终的顶部土体水平位移值比剖面2、剖面5小；剖面1、剖面6位于复合土钉墙与灌注桩相交形成的阴角附近,由于灌注桩刚度比复合土钉墙大,故阴角对土体变形的限制作用也很大,从而使得剖面1、剖面6最终的顶部土体水平位移值最小.

可以看到在工况8时坑顶水平位移无变化,这是因为工况8是在桩锚支护段对第二层锚杆施加预应力的步骤,此时复合土钉墙支护段的受力状态与工况7保持一致,故坑顶水平位移也保持不变.

剖面7～剖面18为桩锚支护段所取剖面,只需要重点关注工况2、工况3、工况7、工况8和工况11.从图6b、图6c可以看出桩锚支护段基坑顶部水平位移总体呈现出增大的趋势,但在工况3、工况8表现出无增长或减小的状态,这是由于工况3、工况8中在锚杆上施加预应力的原因；锚杆上所施加的预应力使得锚杆锚固段有向坑内移动的趋势,使得锚固体与土体之间产生向基坑外部的摩阻力,这种摩阻力经过锚杆自由段传递到锚头,表现为作用在桩体上向坑外的力,这个力抵消了部分甚至全部的主动土压力,故坑顶土体水平位移在工况3、工况8呈现无增长或减小的状态.图6b、图6c中各个剖面坑顶土体水平位移大小产生差距的原因也是由于各个剖面剖切位置不同.剖面10、剖面15取自基坑阳角附近,剖面12、剖面13取自基坑阴角附近,剖面11、剖面14取自支护段中间位置.由图6c可知,基坑阳角相比支护段中间部位坑顶土体水平位移大,基坑阴角相比支护段中间部位坑顶土体水平位移小.

3.3 基坑外土体竖向沉降

图7为模型竖向位移云图,从图中可以看出距离基坑近的地方地表沉降受基坑变角、临近建筑影响出现不规则形状；而距离基坑、既有建筑较远处的地方,地表沉降云图大致形成了以基坑为中心向外扩展的圆.其中,主要影响区(地表沉降10～18.5 mm)形成的圆大致半径50 m,次要影响区(地表沉降5～10 mm)大致半径80 m.在离基坑边线80 m远外(超出次要影响区),随着距离基坑越远地表沉降越小,至模型边缘处(距基坑边线95 m)沉降已减小至2.3 mm.

图7 模型竖向变形云图(mm)Fig.7 Model vertical deformation cloud map(mm)

3.4 深层水平位移

以剖面2(复合土钉墙支护段)、剖面11(桩锚支护段)为例说明围护结构深层水平位移.图8a～8k为剖面2深层土体水平位移；图9为桩锚支护段剖面11深层水平位移.

图8 复合土钉墙深层土体水平位移(mm)Fig.8 Horizontal displacement of deep soil of composite soil nailing wall(mm)

图9 剖面11灌注桩深层水平位移Fig.9 Horizontal displacement of deep layer of cast-in-place pile in profile 11

如图8所示,基坑开挖、支护引起的深层土体水平位移的影响范围在不断地加深、扩大,最大水平位移也从3 mm增大到17 mm.从变形规律来看,施工步1～施工步3在土钉墙范围内的深层土体水平位移变形规律一直为“上部大、下部小”,从施工步4往后变形从上到下表现出“大-小-大”的规律；这是因为施工步3之前支护形式竖向分布为“土钉-锚杆”,施工步之后变为“土钉-锚杆-土顶”的缘故；由于锚杆在施加预应力后土体未发生变形前就已经对土体起到主动约束作用,而土钉需要在土体发生一定位移之后才被动得对土体产生约束作用,故锚杆相对土钉对于土体位移约束作用要好得多,最终形成锚杆处土体深层水平位移小、土钉处土体深层水平位移大的变形规律.

以剖面11说明桩锚支护段的土体深层水平位移.从变形规律来看,未对锚杆施加预应力前(施工步2)的变形为典型的悬臂结构(上大下小)的变形规律,最大水平变形1.32 mm,位于围护桩顶；在对第一排锚杆施加预应力后(施工步3),由于此时开挖深度不太大(3 m),此时围护结构上所受主动土压力较小,此时锚杆上施加的预应力比主动土压力大,故在锚杆预应力的作用下灌注桩上部变形减小,呈现“上小下大”的变形规律,最大变形0.90 mm,位于灌注桩底部；在之后的施工步,灌注桩表现出桩锚结构典型的“大肚子”变形规律,施工步7、施工步11的最大水平位移分别为4.10 mm和9.97 mm,最大变形位置分别为开挖面以上0.7 m和2.1 m；施工步8为对第二层锚杆施加预应力,相对施工步7最大水平位移减小了0.42 mm,最大变形位置向下移动0.35 m.

以本文模拟基坑为例，锚杆支护处土体水平变形11～12 mm,土钉支护处土体水平变形16～17 mm，可见锚杆比土钉的支护效果优秀30%左右.土钉墙深层土体水平位移最大值16～17 mm,桩锚支护段深层水平位移13～14 mm，桩锚支护效果比土钉墙支护效果优秀20%左右.

3.5 锚杆力的变化

取每一施工步同一批锚杆自由段上最大的力进行分析,如图10所示.由图10分析可知,同样的工况,灌注桩段锚杆上的力大于土钉墙段.这是因为同样的开挖深度下复合土钉墙段有土钉分担围护结构上的主动土压力的缘故.除了土钉墙段第一排锚杆在施工步6、灌注桩段第一排锚杆在施工步8时锚杆上的力减小以外,锚杆上的力都是随着基坑开挖而增大；这是因为在施工步6、施工步8时分别施加了第二排锚杆预应力的缘故,在未施加第二排锚杆预应力之前,围护结构上的主动土压力主要由第一排锚杆(和土钉)承担,施加第二排锚杆预应力之后,第二排锚杆分担了一部分第一排锚杆(和土钉)上的力,故第一排锚杆上的力减小了.相比第一排锚杆,第二排锚杆上的力增长更为迅速,最终值也更大.这是因为围护结构上主动土压力呈上小下大的类三角形分布,故越靠下的锚杆所需要承担的主动土压力也越多.

图10 锚杆自由段轴力变化Fig.10 Variation of axial force in free section of anchor

3.6 临近道路变形

以基坑支护段中部受开挖影响最严重的剖面2、剖面5的地面沉降说明基坑临近马路的变形.图11为剖面2、剖面5地面沉降.

图11 地面沉降值Fig.11 Ground subsidence value

如图11所示,除施工步3、施工步6、施工步8以外,地面沉降一直呈现增大的趋势.这是因为这几个施工步是对锚杆施加预应力,坑内外土体状态与上下施工步土体状态相同.从施工步1～施工步9,部分道路显示出向基坑外部倾斜的状态.这是因为在基坑刚开挖时(施工步1)坑内土体卸荷回弹带动坑边土体向上位移,而距离坑边稍远的土体产生向坑内运动的趋势(如图12),这两种不同的运动趋势使得在其上部的道路产生了向坑外倾斜的趋势.随着基坑的继续开挖,道路临近基坑下方土体由卸荷回弹引起的向上、向外的变形逐渐转变成因为基坑开挖引起的向下、向内的变形；故道路最高点由临近基坑侧逐渐像远离基坑的地方移动；道路倾斜方向先由向坑外方向倾斜转变为向坑内、坑外两个方向倾斜,后进一步变成完全向坑内倾斜.

图12 土体位移矢量图Fig.12 Soil displacement vector illustration

道路最大沉降值为14.7 mm,位于基坑开挖到底后剖面5距离基坑边缘最近处(1.3 m)；这是因为此处道路距离基坑边缘最近且处于基坑支护段的中间位置,远离基坑支护段两侧阴角,受基坑开挖影响最大,受基坑阴角影响最小的缘故.道路向坑外最大倾斜度0.19‰,发生在施工步8；向坑内最大倾斜度0.49‰,发生在施工部11.最大沉降值和最大倾斜值都发生在剖面5,这是因为剖面5处马路离基坑边缘最近,受基坑开挖影响最大.

3.7 周边建筑变形

以周边既有建筑的底板竖向沉降作为建筑沉降、倾斜的标准,各个既有建筑的主要变形数据如表6所示.

表6 既有建筑变形Tab.6 Deformation of existing buildings

周边建筑最大沉降值位于砖2建筑靠近基坑支护段中部的位置,沉降值13.97 mm；这是因为此处距离基坑边缘不足4 m,且位于支护段中部,受阴阳角影响小.最小沉降位于砖6(2)远离基坑边缘的位置,沉降值3.21 mm；这是因为此处距离基坑边缘55 m,为既有建筑离基坑边缘最远的位置.周边建筑物倾斜度为0.15‰～0.22‰不等,房屋倾斜度远小于规范规定值,建筑物处于安全状态.

4 结论

本文以西北某实际基坑为工程背景,分析了基坑开挖过程中围护结构及周边环境的内力和变形,得到了以下结论：1) 基坑围护结构变形为空间变形,距离基坑阴阳角越近,受空间效应影响越明显.2) 锚杆的支护效果比土钉好30%左右,桩锚支护的效果比复合土钉墙支护效果好20%左右.3) 对下排锚杆施加预应力会减小相应上排锚杆上的力,下排锚杆所承担的主动土压力大于上排锚杆.4) 随着基坑开挖深度的增大，道路变形由向坑外倾斜变化为向坑内倾斜,沉降最大处也由远离基坑边缘变化至靠近基坑边缘.5) 桩锚支护对临近建筑的支护效果较好,建筑物最大沉降13.97 mm,最大倾斜度0.22‰,皆在规范允许范围内.