砂土地层基坑开挖与邻近建筑物相互影响关键参数分析

侯志强, 柏谦, 刘东升, 韩健勇, 曾宇昕, 刘东

(1. 中国中铁四局集团第五工程有限公司, 九江 332000; 2. 东北大学资源与土木工程学院, 沈阳 110819; 3. 山东建筑大学土木工程学院, 济南 250101)

基坑工程是城市发展、地下空间开发的重要手段[1]。基坑开挖不可避免地会对邻近建筑物产生影响,而建筑物的存在也增加了基坑施工过程中的不确定性,进而提高设计风险[2]。因此,研究基坑与邻近建筑物之间的相互影响对于基坑工程能否安全施工十分必要。

目前,已经有很多学者对基坑开挖引起的围护桩和建筑物变形进行了研究。陶志刚等[3]通过数值模拟和模型试验分析了基坑开挖引起的基坑应力、桩基应力和基坑位移变化规律。孙超[4]通过数值模拟结合现场监测得出了基坑开挖引起的周边环境的变化规律。朱大鹏等[5]借助三维有限元模型研究了基坑开挖引起的地表沉降及邻近建筑物变形规律。李帆等[6]通过数值模拟研究了基坑距离、基坑开挖深度对周围建筑物沉降的影响。胡建林等[7]研究了不同围护结构形式和各工序施工对邻近建筑物的沉降影响,并提出了控制建筑物沉降的方法。朱亚林等[8]通过现场监测和数值模拟分析了深基坑开挖对邻近建筑物沉降的影响。施有志等[9]在考虑土体小应变刚度行为的基础上,研究了基坑开挖引起条形基础、箱型基础及桩基础的多层建筑物的沉降变化规律。韩健勇等[10-11]基于现场实测数据深入分析了基坑开挖引起的桩体变形、桩顶位移和建筑物沉降等变化规律。范凡等[12]根据规律总结出基坑开挖对周边环境影响的分区特征,提出了坑外开挖面深度以上土体沉降分布曲线的简化计算公式。上述研究多集中在基坑开挖对建筑物沉降的影响,主要对基坑周边环境进行了分析,缺乏对基坑与建筑物之间相互作用的研究。

鉴于此,现依托沈阳文化路深基坑工程实例,通过实测数据分析了基坑开挖对围护桩变形的影响,然后通过建立数值模拟研究不同参数下基坑与建筑物基础相互影响,为后续类似工程场地和相近工程的施工设计提供参考和借鉴。

1 工程背景

基坑开挖长度为108 m,宽度为62 m,总周长约360 m。北侧为5层建筑物,高15 m,与基坑最小距离约10.5 m。东侧为4层建筑物,高12 m,基础形式均为条形基础。建筑物方向与基坑平行,与基坑最近距离38 m。基坑与建筑物相对位置如图1所示。基坑西北角基坑局部开挖深度约为7 m,如图2所示。采用支护桩结合两道预应力锚索共同支护,锚索的水平间距约为1.2 m,竖向间距约为3 m。围护桩直径为600 mm,桩间距为1 200 mm,桩长约为10 m。

图1 基坑平面图Fig.1 Plan of excavation

Nk指锚杆轴力图2 西北角基坑支护剖面图Fig.2 Profile of retaining of the excavation in northwest corner

2 现场监测分析

选取基坑周围监测点的水平和竖向位移进行分析,从开挖基坑西北侧开始监测,至基坑东侧砼浇筑完成监测结束,各监测点的累计沉降值和水平位移值分别如图3、图4所示。

由图3可知,随着基坑开挖施作支护结构,基坑北侧、西侧和东侧的监测点的沉降值随监测日期逐渐增大并趋于稳定,基坑南侧的监测点的沉降值在整个基坑开挖阶段不发生变化。最大沉降值位于基坑北侧的3号监测点处,最终沉降值为1.01 mm。与3号监测点相比,1号和5号监测点的沉降值分别减小71%和40%。由图4可知,桩顶水平位移变化趋势较竖向位移更剧烈,各监测点的水平位移随监测日期的增长逐渐增大,最大水平位移同样位于3号监测点,最大水平位移为7.02 mm。与3号监测点相比,1号和5号监测点的水平位移分别减小71.5%和70.79%。可以看出,基坑北侧监测点位移大于基坑南侧位移,基坑东侧监测点位移大于基坑西侧位移,本文认为这是由于基坑北侧和东侧存在建筑物引起的。在北侧建筑物存在和只采用围护桩支护两个因素的影响下,中间部分基坑受到开挖的影响最大。东北角处的围护桩距离建筑物较近,但由于该位置采用支护桩和两道锚索共同支护,所以该处监测点受基坑开挖的影响比中间部分基坑小。

图3 桩顶累计竖向位移Fig.3 Cumulative vertical deformation of the pile head of the retaining wall

3 数值模拟及结果

由前文分析可知,建筑物的存在会对基坑开挖引起的围护桩位移产生明显影响,而且对水平位移影响更大,为了更加深入地研究基坑开挖与建筑物之间的相互影响,利用Midas GTS NX有限元分析软件建立数值模型,研究不同围护结构抗弯刚度(0.5EI、EI、2EI)、不同建筑物层数(5层、10层、15层)、不同建筑物与基坑相对位置(用建筑物长边轴线与基坑长边轴线的夹角度数来表示,选为0°、30°、60°)等参数条件下,基坑开挖引起的围护桩水平位移、建筑物沉降和水平位移变化规律。在开挖前会进行降水处理,因此数值模拟不考虑水的影响。

3.1 有限元模型

计算模型尺寸为200 m×150 m×20 m,如图5所示。土体采用修正摩尔库伦本构,实体单元建模;围护桩采用弹性本构,梁单元建模;建筑物侧墙和顶底板等采用弹性本构,板单元建模。模型底部固定,四周约束法向位移,模型共有121 377个单元,81 097个节点,土层及材料参数见表1。与现场实际施工步骤相同,整体基坑开挖从左向右分为三部分开挖,开挖深度分别为7 、5、8 m,每层开挖3 m,基坑第一部分共开挖3次,采用围护桩结合锚杆组合支护;基坑第二部分共开挖2次,采用围护桩支护;基坑第三部分共开挖三次,采用围护桩结合锚杆组合支护,基坑锚杆支护位置如图6所示。

表1 土层及材料参数Table 1 Soil layer and material parameters

图5 计算模型图Fig.5 Calculation model diagram

图6 基坑锚索支护图Fig.6 Diagram of foundation pit anchor cable support

3.2 数值模型验证

为验证数值模拟计算的准确性,选用1号、3号和5号监测点的水平位移模拟值与监测数据进行对比,对比结果如图7所示。由图7可知,基坑开挖过程中数值模拟的变化规律与监测值变化规律相同,且模拟值整体大于监测值,这是由于实际施工过程中,基坑开挖造成的土体损失速度比数值模拟土体钝化速度慢,所以监测值小于模拟值。各监测点的模拟值与监测值的最大差距分别为14.74%、8.85%和14.81%,均在15%以内,可见本文采用的数值模型具有一定的准确性,可以应用于后续分析。

为便于分析不同参数下基坑开挖与建筑物的相互影响,在基坑和建筑物上布置监测断面进行分析,位置如图8所示。JZ1和JZ2分别表示建筑物上的两个监测断面,其中JZ1断面上有9个监测点,从左至右分别为JZ1-1～JZ1-9,JZ2断面上有7个监测点,从左至右分别为JZ2-1～JZ2-7。JK1和JK2分别表示基坑边上的两个断面,命名规则与JZ1和JZ2相同。

图7 1号、3号和5号监测点水平位移对比Fig.7 Comparison of horizontal displacement of No. 1, No. 3 and No. 5 monitoring points

图8 围护桩和建筑物分析点Fig.8 Analysis point of retaining pile and building

3.3 数值模拟结果分析

3.3.1 围护桩刚度对基坑开挖稳定性的影响

1)建筑物基础沉降和水平位移

提取不同基坑围护桩刚度条件下建筑物基础的沉降和水平位移,如图9、图10所示。

JZ1距离基坑较远,最近距离为26 m,最远距离34 m,随基坑围护桩刚度变化JZ1上监测点沉降及水平位移变化较小,变化幅度均在5%以下。JZ2距离基坑边缘最近距离10.5 m,随基坑围护桩刚度增大,基坑开挖产生的卸荷作用对建筑物的影响逐渐减小,建筑物基础沉降及水平位移均减小。由建筑物基础不同位置变形可以看出,当建筑物距基坑距离小于1.3倍基坑开挖深度时,建筑物变形受基坑围护结构刚度影响较大;当建筑物距基坑距离大于1.3倍基坑开挖深度时,建筑物变形基本不受基坑围护结构刚度影响。

图9 不同围护桩下基础沉降Fig.9 Foundation settlements influenced by various retaining piles

图10 不同围护桩下基础水平位移Fig.10 Horizontal displacement of foundation influenced by various retaining piles

2)围护桩水平位移变化规律

提取不同基坑围护桩刚度情况下的JK1、JK2围护桩水平位移,如图11所示。

由图11可以看出,围护桩作为基坑开挖的主要围护结构,对基坑开挖稳定性影响很大。基坑开挖过程,围护桩产生向基坑内侧的水平向位移。围护桩JK1边长58 m,采用围护桩与锚索组合支护。当围护桩刚度由0.5EI增加到EI时,围护桩水平位移最大值减小41.6%;围护桩刚度由EI增加到2EI时,围护桩水平位移最大值减小35.7%,围护桩水平最大值分别为11.96、7.10、4.49 mm。围护桩JK2边长25.8 m,为距离基坑北侧建筑物最近的基坑位置。不同刚度下JK2边围护桩最大水平位移分别为2.28、2.05、1.92 mm,随围护桩刚度增加水平位移分别减小10.08%、6.3%。通过对比不同围护桩刚度情况下围护桩水平位移可以看出,基坑开挖过程应对开挖长边进行重点支护。应采用组合支护、分层分块开挖、放坡开挖等方式,保证基坑开挖过程施工安全性。

图11 不同围护桩下围护桩水平位移Fig.11 Horizontal displacement of retaining piles influenced by various retaining piles

3.3.2 不同建筑物层数对基坑开挖稳定性的影响

1)建筑物基础沉降和水平位移

提取不同北侧建筑物层数情况下的建筑物基础沉降及水平位移,如图12、图13所示。

建筑物JZ1边长22.7 m,JZ2边长17 m。因北侧建筑物不规则形状,随建筑物层数增加,建筑条形基础均匀分担建筑物自重,JZ1沉降变化较小,建筑物从5层增大到15层时,JZ1沉降最大值增加4.6%。建筑物层数增加导致自重增加,对建筑物周围土体产生更多的水平向挤压作用,JZ1水平位移变化明显,最大值分别增加19.5%和6.0%。JZ2边因距离基坑最近,当建筑物层数增加时,受到建筑物自重增加及基坑围护桩约束的共同作用,JZ2建筑物基础沉降及水平位移变化明显。建筑物层数每增加5层(15 m),JZ2建筑物水平位移增加10%,JZ2建筑物基础沉降增加8%。

2)基坑围护桩水平位移变化规律

提取不同建筑物层数情况下的基坑围护桩JK1、JK2边水平位移,如图14所示。

图12 不同建筑物层数下基础沉降Fig.12 Foundation settlements influenced by various building layers

图13 不同建筑物层数下基础水平位移Fig.13 Horizontal displacement of foundation influenced by various building layers

图14 不同建筑物层数下围护桩水平位移Fig.14 Horizontal displacement of retaining piles influenced by various building layers

由图14可以看出,距离建筑物距离较远的JK1位置围护桩基本不受建筑物层数影响,围护桩水平位移基本无变化。JK2位置围护桩水平位移随建筑物层数增加而变大,建筑物层数增加5层,JK2位置围护桩水平位移增加5.5%。

3.3.3 建筑物与基坑相对位置对基坑开挖稳定性的影响

基坑开挖过程中,周围建筑物与基坑相对位置对建筑物安全性有重要影响。本工程建筑物与基坑平行,为探究建筑物位置对基坑开挖过程安全性的影响,以建筑物JZ2最右侧点为中心,分别顺时针旋转建筑物30°和60°。

1)建筑物基础沉降和水平位移

提取不同建筑物位置情况下建筑物基础沉降及水平位移结果,如图15、图16所示。

由图16可知,当建筑物与基坑的夹角为30°时,建筑物基础的最大沉降为1.707 mm,最大水平位移为0.708 mm。当建筑物与基坑的夹角为60°时,建筑物基础的最大沉降为1.345 mm,最大水平位移为0.476 mm,且夹角为30°和60°时的水平位移变化趋势相同。可以看出建筑物与基坑的夹角在30°以上时,基坑开挖引起的建筑物基础变形较小。与夹角为0°时相比,同一位置处建筑物基础的沉降分别减小约81.23%和88.59%,水平位移分别减小约86.85%和91.16%。由此可见,开挖过程中,建筑物与基坑的相对位置对建筑物基础变形的影响十分明显。

图15 不同建筑物位置下基础沉降Fig.15 Foundation settlements influenced by various building locations

图16 不同建筑物位置下基础水平位移Fig.16 Horizontal displacement of foundation influenced by various building locations

2)基坑围护桩水平位移变化规律

提取不同建筑物位置情况下基坑围护桩JK1、JK2位置水平位移,如图17所示。

由图17可以看出,基坑北侧建筑物的存在对基坑围护桩水平位移产生较大影响。当建筑物与基坑平行时,对基坑周围土体施加外荷载,基坑围护桩JK1位置最大水平位移约为7.1 mm,JK2位置最大水平位移约为2.05 mm。当建筑物与基坑的夹角为30°时,JK1位置围护桩最大水平位移为0.74 mm,减小89.6%,JK2位置围护桩最大水平位移为0.61 mm,减小75.6%。当建筑物与基坑的夹角为60°时,JK1、JK2位置围护桩水平位移基本保持不变。

图17 不同建筑物位置下围护桩水平位移Fig.17 Horizontal displacement of retaining piles influenced by various building locations

由此可见,当建筑物与基坑水平夹角大于30°时,建筑物与基坑平均距离大于40 m(5倍基坑开挖深度),建筑物产生的荷载不再对基坑围护结构产生侧向挤压作用,基坑围护结构水平位移明显减小。

4 结论

(1)建筑物的存在会对基坑开挖产生影响,采用围护桩结合锚索支护会显著减小基坑开挖引起的围护桩变形。

(2)基坑开挖引起的建筑物基础沉降和水平位移随围护桩刚度的增加变化幅度较小,均在5%以内;围护桩刚度的增加对基坑开挖引起的桩顶水平位移影响显著,应对靠近建筑物的基坑开挖长边进行重点支护。

(3)靠近基坑的建筑物基础沉降和水平位移受建筑物层数影响较为明显。建筑物层数每增加5层,建筑物基础的沉降和水平位移分别增加约8%和10%,靠近建筑物的基坑围护桩水平位移增加约5.5%。

(4)基坑开挖过程中,建筑物与基坑的相对位置对建筑物基础变形和围护桩水平位移的影响均十分显著。在建筑物与基坑的夹角在30°以上时,基坑开挖引起的建筑物基础变形均在2 mm以内,引起的围护桩水平位移均在0.8 mm以内。