深基坑开挖对邻近住宅楼的变形影响分析

赵帅 余建民 王荣彦

摘 要：【目的】深基坑工程中土体的开挖卸荷会导致土体位移变形，可能引起周围建筑物变形，因此有必要对深基坑开挖对邻近宅楼的变形影响进行分析。【方法】本研究以郑州某深基坑工程为例，在采取上部土钉墙、下部桩锚支护的联合支护方式下，使用FLAC3D对基坑的开挖过程进行数值模拟，探究不同工况下基坑开挖对周边土体和邻近建筑物的影响。【结果】研究发现：沉降量随着距基坑边缘距离的增加而减小，最终降低为零；沉降量和围护体的水平位移随着基坑开挖深度的增加而增大；邻近建筑物的沉降随着基坑开挖的加深而增大，随着距基坑边缘距离的增大而减小。【结论】本研究验证了该支护方式的可行性。

关键词：基坑开挖；桩锚支护；数值模拟

中图分类号：TU433          文献标志码：A        文章编号：1003-5168（2023）10-0063-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.013

Abstract： [Purposes] The excavation unloading of soil in deep foundation pit engineering will lead to the displacement and deformation of soil， which will cause the deformation of surrounding buildings，so it is necessary to analyze the influence of deep foundation pit excavation on the deformation of adjacent residential buildings. [Methods] In this study， a deep foundation pit project in Zhengzhou was taken as an example. Under the combined support mode of upper soil nailing wall and lower pile-anchor support， FLAC3D was used to simulate the excavation process of the foundation pit， and the influence of foundation pit excavation on surrounding soil and adjacent buildings under different working conditions was explored. [Findings] It is found that the settlement decreases with the increase of the distance from the edge of the foundation pit， and finally decreases to zero. The settlement and the horizontal displacement of the enclosure increase with the increase of the excavation depth. The settlement of adjacent buildings increases with the deepening of foundation pit excavation， and decreases with the increase of distance from the edge of foundation pit. [Conclusions] This study verified the feasibility of the support method.

Keywords： foundation pit excavation; pile anchor support; numerical simulation

0 引言

随着城市化进程的不断推进，促进经济迅速发展的同时，城市人口也越来越稠密，城市建筑随之朝着高层化、地下化不断发展，因此产生了很多深基坑工程［1-2］。基坑开挖会改变初始应力场，从而引起应力重分布，使土体发生变形，若支护不当导致土体变形过大，往往会产生严重后果。因此，深基坑工程中基坑的开挖支护方式尤为重要，特别是周边有邻近建筑物或地下隧道的工程［3］。

为了保证基坑支护设计的安全可靠，一般采用数值模拟软件来模拟基坑开挖的过程［4］。近年来，许多人通过使用数值模拟来研究基坑开挖对周边土体和邻近建筑物的变形规律［5-6］，对工程实例有很大的借鉴作用。Itasca公司开发的有限差分软件FLAC3D在基坑开挖数值模拟中具有独特优势，深受众多专业人士青睐［7］。

1 工程概况

拟建工程为郑州市某深基坑工程，位于鄭州市经济技术开发区。基坑东侧北段距用地红线最近为10.20 m，距已有6F居民住宅楼距离为10.50 m；该住宅楼地基形式为条形基础，建筑结构为砖混结构，尺寸为长30 m，宽12 m，埋深约2.0 m；地下水位为-16.8 m，远低于本次深基坑工程的基坑深度，因此施工过程中可不考虑降水情况。该场地设计土层的力学参数取值见表1。

本研究对象为基坑东侧。基坑剖面上部放坡开挖，坡比为1∶0.3，采用土钉墙的支护方式，基坑下部则竖直开挖，采用桩锚支护的联合支护方式。

该剖面基坑深度为9.7 m，支护排桩桩顶标高为-2.0 m，桩长为15 m，直径为0.6 m，嵌固深度为7.3 m，桩间距为1.1 m，混凝土强度等级为C30；采用2道锚索，锚索成锚方式为高压旋喷法，锚固段直径为0.35 m，自由段直径为0.2 m，水平间距为2.2 m。

2 数值模拟计算

2.1 计算模型及计算参数

本研究采用FLAC3D6.0对基坑开挖进行数值模拟。基坑东侧的开挖深度为9.7 m，将模型总尺寸设置为80 m（x）×30 m（y）×30 m（z），共有87 660个网络单元数，94 736个网格节点数。计算模型如图1所示。

2.2 施工工况

该工程施工工况模拟过程见表2。

3 数值模拟结果与分析

3.1 基坑周边土体沉降变形分析

随着基坑开挖深度的增加，基坑周边土体的沉降量也在逐渐增大，并在工况7完成后，沉降量达到最大值，如图2所示。由图2可知，基坑底部由于上覆土层的开挖卸荷导致其出现明显的隆起变形，基坑隆起最大值约为19.3 mm；沉降值在距离基坑边缘处达到最大，而后随着距基坑边缘距离的增大而逐渐减小，沉降量最大值约为20.5 mm，满足规范要求。

为了更好地研究基坑开挖引起的基坑外地表的沉降变形，在基坑开挖处向基坑外每隔2 m设置竖直位移检测点，监测每个工况完成后基坑外地表的沉降变形，记录沉降量并绘制出各工况下的沉降曲线，如图3所示。由图3可知：随着开挖基坑深度的增加，沉降量也在增大；各工况中，沉降量最大值出现在基坑边缘处，最大值为18.793 mm，之后随着距离的增加逐渐减小，最终降低为0，符合相关理论与工程实践情况。

3.2 桩锚支护结构水平位移分析

由于支护桩是工况2放坡开挖后进行施工的，因此支护桩围护体的水平位移从工况3开始分析。支护桩围护体的水平位移从桩顶位置每隔1 m取值直到桩底，工况3到工况7的水平位移曲线如图4所示，由图4可知：工况3、工况4中，围护体水平位移最大值分别为4.14 mm、3.74 mm，位于桩埋深1 m处；工况5、6、7中，围护体水平位移最大值分别为9.01 mm、8.83 mm和19.7 mm，均出现在桩埋深3 m处。可以看出，随着工况的进行，开挖深度的增加，围护体的水平位移在不断增大，在工况7达到最大值19.7 mm，符合规范要求；工况4和工况6的水平位移明显比工况3、工况5的水平位移有所缩小，这是由于在预应力锚索的施工下，桩周边土体与锚固段的摩擦力很好地限制了围护体的水平位移变形。

3.3 周边建筑物的沉降变形分析

为了研究距离基坑边缘10.5 m处6F居民住宅楼的沉降变形，在住宅楼周边设置9个监测点，邻近基坑的一侧设置3个监测点，之后每隔10 m设置2个监测点。

建筑物西侧短边监测点4、5、6的沉降量模拟值如图5所示，由图5可知：随着基坑开挖深度的增加，建筑物的沉降量均不断增大；开挖完成后，建筑物最大沉降量出现在监测点5，最大沉降量为-9.184 mm。建筑物南侧长边监测点6、7、8、9的沉降量模拟值如图6所示，由图6可知：距离基坑边缘近的建筑物一侧沉降量最大，随着距离的增加，沉降量不断减小。在基坑施工期间建筑物长边和短边的沉降量实测值的变化情况如图7、图8所示，由图7和图8可知：实测值与模拟值的沉降量变化规律基本相同，最大沉降量也出现在监测点5，为-6.895 mm。通过模拟值和实测值的对比发现：两者的沉降量变化规律是一致的，但在数值方面存在偏差，实测值均小于模拟值，最大差值为2.391 mm，主要是由于住宅楼处土层参数采用了拟建场地的参数，而实际上住宅楼下的土层较为密实，且在此次模拟过程中，以最不利原则为基础模拟的住宅楼底部附加荷载较实际偏大；模拟值与实测值的最大沉降量分别为-9.184 mm和-6.895 mm，最大倾斜值为0.24‰和0.20‰，均满足设计规范中倾斜值在4‰以内的限定。

4 结语

本研究利用FLAC3D软件对郑州市某深基坑支护工程进行了数值模拟，在采用上部土钉墙+下部桩锚的支护形式下，探讨了基坑开挖的稳定性以及对邻近居民住宅楼的变形影响，得出以下结论。

①基坑支护形式采取上部土钉墙与下部桩锚支护的联合支护形式是可行的，开挖完成后的基坑周边土体沉降量最大值为20.5 mm，符合规范要求；施工过程中，基坑周边土体的沉降量随着工况的进行而不断增大；沉降量随着距基坑边缘距离的增加而减小，最终降低为0。

②在数值模拟过程中，通过对支护结构的水平位移数据进行分析，得出围护体的水平位移最大值为19.7 mm，符合规范要求；施工过程中，围护体的水平位移随着工况的进行不断增大。

③通过对邻近建筑物长边和短边的沉降量的模拟值与实测值数据进行分析，得出建筑物的最大倾斜值分别为0.24‰和0.20‰，符合规范要求；施工过程中，建筑物的沉降量随着工况的进行不断增大，基坑开挖对建筑物的沉降影响随着距基坑边缘距离的增大而减小。

参考文献：

［1］徐中华，王建华，王卫东，等.上海地区深基坑工程中地下连续墙的变形性状［J］.土木工程学报，2008，41（8）：81-86.

［2］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（S1）：623-629.

［3］王涛，余建民.基坑开挖对邻近既有下穿顶管隧道的變形影响分析［J］水利与建筑工程学报，2019，17（6）：200-204.

［4］宋广，宋二祥.基坑开挖数值模拟中土体本构模型的选取［J］.工程力学，2014，31（5）：86-94.

［5］帅红岩，陈少平，曾执.深基坑支护结构变形特征的数值模拟分析［J］.岩土工程学报，2014，36（S2）：374-380.

［6］朱彦鹏，杨校辉，周勇，等.兰州地铁车站深基坑支护选型分析与数值模拟研究［J］.水利与建筑工程学报，2016，14（1）：55-59.

［7］刘继国，曾亚武.FLAC3D在深基坑开挖与支护数值模拟中的应用［J］.岩土力学，2006（3）：505-508.

收稿日期：2022-12-01

作者简介：赵帅（1997—），男，硕士生，研究方向：地基基础、基坑支护。