基于Ansys数值模拟的基坑开挖降水对邻近建筑物变形的影响研究*

沈 勇

(浙江潮远建设有限公司 杭州 311200)

基坑开挖降水会导致周围土壤的变动,可能引起邻近建筑物的沉降或倾斜,这种对邻近建筑物的影响是恶性且不可逆的[1]。一般来说基坑开挖的深度、基坑与邻近建筑物的距离、开挖方式、降水方式、地质条件等都会对邻近建筑物的沉降有影响[2]。如果基坑附近有着邻近建筑物的话,基坑沉降对邻近建筑物稳定性的影响更大,比如地基沉降会导致整个建筑物向下沉降,这可能使建筑物失去平衡,如果沉降不均匀,不同部分的沉降速度不同,建筑物可能会出现倾斜,严重的情况下可能导致建筑物的倒塌[3]。

在研究中常用工程软件Ansys进行数值模拟[4],研究基坑开挖降水的深度和距离对临近建筑物沉降变形的影响。研究基坑开挖降水对邻近建筑物的影响是具有一定的实践意义,可以为工程实际提供一定的数值理论依据。

1 有限元建模

1.1 建模模型

为了研究基坑开挖降水对邻近建筑物的沉降影响,以某基坑项目为参考,建立了一个矩形的基坑,长120 m,宽80 m,深50 m,邻近建筑物尺寸为长30 m,宽20 m,高40 m,并且按规范要求降水深度设置为18 m。建立起来平面尺寸如图1所示。

图1 基坑与临近建筑物尺寸平面图

图2 Ansys建模图

1.2建模过程

在Ansys中进行基坑开挖降水对邻近建筑物沉降影响的数值模拟,首先使用Ansys Workbench创建一个新项目。在Geometry模块中,建立基坑和周围的建筑物几何模型。并且在Material模块中定义各个结构元件的材料属性,包括基坑周围土壤、临近建筑物的的参数设置,定义地基条件的摩擦角、内摩擦角等参数,选择适当的土壤模型,如弹性模型、弹塑性模型等,以更好地模拟土壤行为,选择建筑物时也要定义结构材料的弹性模量、泊松比等参数。接下来设置边界条件在Meshing模块中生成网格,确保基坑和建筑物的几何体得到适当的划分。在Setup模块中设置边界条件,包括土壤和建筑物的约束条件以模拟实际情况,定义建筑物基础支撑条件为固定支座,使用强度学或位移学约束来模拟建筑物的行为,根据实际情况设置水平和垂直方向上的约束。在加载设置中要着重考虑雨水降渍,在加载条件中设置降水对土壤的影响,包括渗透系数、土壤饱和度等,也考虑降水对建筑物的荷载影响,设置了额外的表面荷载。在设置所有边界条件后,进行模型验证。模型见下图。

1.3 数据采集

在Ansys中进行数据收集通常涉及使用Post Processing(后处理)模块来分析和可视化模拟结果[5]。在设置好边界条件和模型参数后,通过运行模块运行模拟并解算结果,确保模拟收敛并没有出现错误。在求解模块中选择适当的求解器,并运行数值模拟,在后处理模块中分析模拟结果,包括土壤沉降、建筑物位移等并利用Ansys提供的图形工具和结果文件导出到Excel中进行可视化和分析。

2 结果与分析

2.1 周边无建筑时基坑开挖降水对四周沉降变形的影响

周边无邻近建筑物时,基坑开挖降水四周土体的沉降主要是以竖向沉降变形为主,水平位移变形相较较小。因此本文主要研究基坑开挖降水对基坑四周土体竖向沉降变形的影响。由于基坑是个矩形,不妨取任一长边和任一短边作为研究对象,参考点取边长的1/4、1/2、3/4,研究距离基坑边界不同距离位置处的竖向变形,得到的设不同参考点处与基坑周边不同间距时的竖向位移变化曲线如图3所示。

图3 不同参考点处与基坑周边不同间距时的竖向位移变化曲线

可以看出不论是长边还是短边,同一边的1/4、1/2、3/4参考点与基坑边界的距离越来越大,其竖向沉降变化趋势是一致的,整体呈现一个抛物线的变化趋势,沉降变形中最大的不是在基坑边界处,而是从边界开始先上升后降低,且从中间到两边不断减小。在0～10 m 范围内,距离越远沉降越大,在10 m 之后距离越远沉降开始变小,沉降速率可以发现,在0～5 m沉降速率较5～10 m 要大得多。因此0～10 m 是主要沉降区域,5 m 的位置有沉降速率最大;10～20 m开始减小。可以发现基坑四周的沉降变形主要与距离基坑的距离相关,和所处哪条边无关,在与基坑边界距离约10 m 的位置有沉降最大点。这是由于与基坑越接近的地方也和基坑围护结构越接近,基坑周边土体下沉时会和围护结构间形成摩擦力,该力会产生一定的约束作用,因而表现出坑周土体仅有较小的沉降。

为了得到较为准确的模拟结果,先清零了原始的地应力。首先比较最大沉降点出现的位置,可以发现建筑物与基坑周边的距离影响了竖向最大沉降点出现的位置和大小,但这距离并没有出现一个简单的线性叠加关系。建筑物在距离基坑10 m 的范围内,最大沉降点出现在建筑物内测,10 m 范围以外最大沉降点出现在建筑物外测。建筑物距基坑边界在6～10 m范围内,建筑物处的沉降位移相比这个范围之外的要大的大,建筑物所处的位置也更危险,这个与无建筑物时周围土体的主要沉降区域范围相对应,因此在工程实践中基坑开完与邻近建筑物的距离要尽量避免在主要沉降区域。对建筑物内外侧沉降变形进行对比分析可以看见,建筑物与基坑距离3 m 处建筑物内侧的沉降比外侧小,建筑物与基坑距离6 m 处内外侧的沉降相近,建筑物与基坑距离10 m 和15 m 处建筑物内侧的沉降比外侧大,这表明不是跟基坑越近就会有越大的沉降。这是因为基坑围护结构对建筑物的变形有一定的约束作用,建筑物越接近基坑,也同步接近围护结构,因此建筑物内侧一部分变形被围护结构所约束,沉降变形也不明显,建筑物不会倾斜到基坑侧。

2.3 不同开挖深度下邻近建筑水平位移变形的对比分析

相比竖向变形而言,邻近建筑物的水平位移变形要小得多,为了研究不同开挖深度对邻近建筑物水平位移的影响,同样设置了四种工况(邻近建筑物与基坑边界距离x分别为3 m、6 m、10 m 和15 m),不同开挖深度(0、4 m、8 m、12 m、16 m),得到各工况下不同开挖深度所对应的邻近建筑物水平位移变化趋势如图4所示。

图4 不同开挖深度下各工况邻近建筑物水平位移变化曲线

可以直观的发现,开挖深度与邻近建筑物的水平位移是一种正相关关系,开挖深度在4～12 m 范围内,水平位移的增长速率较其他段要快得多。研究最大水平位移,可以发现在开挖深度16 m 时,各工况出现其对应的最大水平位移,建筑物在和基坑相距6 m时候,最大水平位移为16.5 mm,建筑物在和基坑相距10 m 时候,最大水平位移为15.8 mm,建筑物在和基坑相距3 m 时候,最大水平位移为15.5 mm,建筑物在和基坑相距15 m 时候,最大水平位移为12.7 mm.建筑物与基坑的距离在6～10 m 范围内,水平位移较其他范围要大一些,这与竖向沉降变形的规律一致。开挖深度在0～4 m 范围内,各工况下建筑物的水平位移极其接近,在开挖深度大于4 m 时,可以明显看到x=6 m 和x=10 m 工况下,建筑物的水平位移要相较其他工况要大。因此,在6～10 m 范围内的建筑物受基坑开挖降水的影响最大,其次是10～15 m。在工程实践中,要加强主要沉降区域(6～10 m)范围内的沉降观测,对处于这一区域的建筑物要采取一些措施,如选择合适的基础类型、进行地基处理、使用灵活的结构设计等,以确保建筑物在地基沉降的情况下依然能够保持稳定性和安全性。此外,定期的结构监测和维护也是确保建筑物长期稳定运行的重要手段。

3 结论

通过以上对比分析,可以得出以下结论:

(1)对于周围土体的沉降变形,基坑开挖降水对周围土体的沉降有较大影响,竖向位移变形较水平位移变形要大。基坑开挖降水对建筑物的沉降是有一定的影响,影响因素主要是建筑物与基坑的距离、基坑的开挖深度,和建筑物所在基坑的哪条边哪个位置关系不大。

(2)建筑物在主要沉降区域(距基坑边界在6～10 m 范围内),建筑物处的水平沉降和竖向位移相比这个范围之外的变形要大,建筑物的外侧变形更大,建筑物所处的位置也更危险。基坑与建筑物的距离并不是越远越好,要尽量避开主要沉降区域,且距离基坑较近反而因围护结构存在有着良好的稳定性。

(3)开挖深度与邻近建筑物的水平位移是一种正相关关系,开挖深度在0～4 m 范围内,各工况下建筑物的水平位移极其接近,在开挖深度大于4 m 时,可以明显看到x=6 m 和x=10 m 工况下,建筑物的水平位移要相较其他工况要大。