紀(jì)曉佳 陸炫毅

（浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325016）

0 引言

隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展，出現(xiàn)大規(guī)模的城市深基坑工程。城市中心區(qū)域的深基坑與其他區(qū)域的深基坑相比有很大不同，最主要的特點(diǎn)之一是周邊環(huán)境復(fù)雜，與已有建筑物距離近、地下各種管線復(fù)雜?；庸こ涕_(kāi)挖引起的周?chē)馏w變形會(huì)對(duì)鄰近既有建筑物和地下管線產(chǎn)生不良影響，例如周?chē)ㄖ锂a(chǎn)生不均勻沉降以及建筑物上部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂等。在深基坑設(shè)計(jì)施工的過(guò)程中，如果基坑支護(hù)體系承載力不足，一旦基坑變形超過(guò)周?chē)h(huán)境所能承受的最大值，就會(huì)導(dǎo)致周邊建筑物倒塌、地下管線斷裂等，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，造成不良的社會(huì)影響[1-3]。

基坑工程具有很強(qiáng)的區(qū)域性和個(gè)體性[4]。不同地域的巖土性質(zhì)千差萬(wàn)別。該文運(yùn)用 PLAXIS 3D 有限元軟件，進(jìn)行全尺寸的三維有限元分析，模擬溫州城市中心區(qū)某深基坑施工全過(guò)程，分析深基坑開(kāi)挖引起的其鄰近構(gòu)筑物的附加變形，研究成果可為后期類(lèi)似深大基坑的支護(hù)和監(jiān)測(cè)決策提供參考。

1 工程概況

擬建溫州市核心片區(qū)某項(xiàng)目位于溫州市鹿城區(qū)松臺(tái)街道，北側(cè)為蛟翔巷，東側(cè)為九三外路，南側(cè)為九三佳園和廣匯商廈，西側(cè)為勤奮路，總用地面積36528 m2，由1#樓（30層）、2#樓（33 層）、3#樓（15-22 層）、4#樓（28 層）、5#樓（12 層）、6#樓（14 層）、7#樓（33 層）、8#、9#樓商業(yè)裙樓（1-3 層）及10#樓幼兒園（3 層）組成，除幼兒園外全場(chǎng)設(shè)1-2 層地下室（3#、4#以北為2 層地下室、以南為1 層地下室），開(kāi)挖深度5.15m～10.05 m。

結(jié)合周邊場(chǎng)地情況，該工程二層地下室基坑支護(hù)采用機(jī)械鉆孔樁加兩道砼內(nèi)支撐復(fù)合支護(hù)體系，樁外側(cè)采用三軸水泥攪拌樁止水帷幕。單層地下室采用機(jī)械鉆孔樁加一道砼內(nèi)支撐和錨索的復(fù)合支護(hù)體系，樁外側(cè)采用單軸水泥攪拌樁止水帷幕。工程樁采用機(jī)械鉆孔灌注柱基礎(chǔ)。該項(xiàng)目基坑安全等級(jí)為一級(jí)，重要性系數(shù)為1.1。

圖1 為項(xiàng)目場(chǎng)地平面示意圖。項(xiàng)目東側(cè)存在大量的C 級(jí)危房，危房34 號(hào)位于地下二層開(kāi)挖區(qū)域，距離圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)約為29 m。盡管34 號(hào)樓已經(jīng)位于3 倍基坑開(kāi)挖深度以外，但是房屋質(zhì)量受損嚴(yán)重，需要計(jì)算基坑開(kāi)挖引起的附件變形。

圖1 項(xiàng)目場(chǎng)地平面示意圖

2 建立基坑開(kāi)挖數(shù)值模型

基于基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)資料和前期基坑周邊建筑物的調(diào)研結(jié)果，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系

縱多研究成果表明，基坑開(kāi)挖引起的墻后土體沉降范圍為4 倍的深基坑開(kāi)挖深度，本次數(shù)值計(jì)算的有限元網(wǎng)格長(zhǎng)×寬×高分別為390 m、320 m 和100 m。既有房屋側(cè)的墻后土體長(zhǎng)度均大于10 倍的基坑開(kāi)挖深度，滿足邊界條件的要求。模型中土體采用三維實(shí)體單元，樁剛度等效后的連續(xù)墻、房屋墻體和樓板采用板單元模擬，基坑立柱、內(nèi)支撐、連梁、冠梁及腰梁采用梁?jiǎn)卧M，如圖2 所示。模型中土體采用反映土體非線性變形的硬化模型（HS 模型），其他結(jié)構(gòu)均采用彈性模型?？傮w計(jì)算模型含189 590 個(gè)單元，269 625 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 三維模型圖

地基四周側(cè)面采用法向位移約束，底部采用三向位移約束，即四周網(wǎng)格只能沿豎直方向運(yùn)動(dòng)，而底部網(wǎng)格不允許產(chǎn)生任何位移。

基于Plaxis 3D 使用手冊(cè)和已有工程經(jīng)驗(yàn)，主固結(jié)加載切線剛度取值與基本一致。基于許多學(xué)者的研究，卸載再加載剛度一般為加載模量的3 倍[5]。對(duì)黏性土來(lái)說(shuō)，剛度的應(yīng)力水平相關(guān)冪值（m）的變化范圍很小，介于0.8～1.0[6]。本次數(shù)值計(jì)算冪值（m）的取值為0.9。各土層的硬化模型（HS 模型）參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各土層力學(xué)參數(shù)取值

基坑開(kāi)挖施工步驟如下：1）初始應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算。2）建筑物施工。3）支護(hù)結(jié)構(gòu)施工。4）開(kāi)挖表層素填土。5）施工第一道支撐。6）開(kāi)挖至一層地下室底部。7）激活第一道支撐和一層地下室底板。8）開(kāi)挖至二層地下室底部。9）澆筑二層地下室底板?；谟邢拊?jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可知，當(dāng)基坑開(kāi)挖至坑底工況時(shí)，基坑最不利。因此重點(diǎn)分析計(jì)算結(jié)果中二層地下室施工完后臨近建筑物的變形特性。在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，土體整體開(kāi)挖不是分區(qū)開(kāi)挖和分區(qū)施工，計(jì)算的結(jié)果是偏安全的。

3 基坑施工對(duì)臨近建筑物影響的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

3.1 34#危房附近土體位移矢量圖

圖3 為基坑施工至坑底時(shí)34#危房側(cè)的土體變形矢量圖。34#危房側(cè)開(kāi)挖深度為9.2 m，建筑物距離維護(hù)結(jié)構(gòu)29m。盡管34#危房位于3 倍的基坑開(kāi)挖深度之外，基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)建筑物底部土體依然產(chǎn)生了較大的豎向和水平向位移。

圖3 34#危房側(cè)的土體變形矢量圖

3.2 建筑物附加沉降

圖4 為基坑施工至坑底時(shí)34#危房的附加沉降。34#危房為磚混結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)并未采用樁基進(jìn)行支撐。基坑開(kāi)完導(dǎo)致建筑物底部土體產(chǎn)生了較大的豎直向和水平向位移，如圖2 所示。因此，基坑開(kāi)挖引起的不均勻地層位移下，34#危房產(chǎn)生較大的沉降變形，靠近基坑側(cè)的最大沉降為13.1mm，遠(yuǎn)離基坑側(cè)的建筑沉降為8.8 mm，表明34#危房倒向基坑。

圖4 34#危房豎向沉降

3.3 建筑物附加水平變形

圖5為基坑施工至坑底時(shí)34#危房的東西向水平向位移。34#危房側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的側(cè)向變形，高達(dá)41.6 mm。因此，墻后土體的水平位移理應(yīng)較大。基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)，建筑物底部的水平向位移為14.1 mm。由于建筑物倒向基坑，建筑物頂部的水平位移為19.0 mm。34#危房幾乎垂直于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，沿南北向水位位移較小，最大值為0.7 mm，如圖6 所示。

圖5 危房沿東西向水平向位移

圖6 危房沿南北向水平向位移

3.4 差異沉降

基于房屋的不均勻沉降，可以計(jì)算房屋的坡角（沉降差/房屋的長(zhǎng)度）。Bjerrum（1963）[6]發(fā)現(xiàn)如果建筑物的不均勻沉降產(chǎn)的坡角大于1/500，建筑物的穩(wěn)定性便會(huì)受到影響。34#房屋基本垂直于新建基坑，平行于基坑方向的水平位移很小。垂直于基坑方向，34#危房的最大和最小沉降分別為13.1mm 和8.8 mm。此危房的長(zhǎng)度為12 m，34#危房的坡角為1/2790，要小于Bjerrum[6]提出的臨界值。

3.5 豎直向轉(zhuǎn)角

房屋底部和頂部的水平位移分別為14.1 mm和19.0 mm。34#危房的高度為13 m，計(jì)算得到房屋的豎直向坡角為1/2653（0.02°）。

4 結(jié)論

基于34#危房的不均勻沉降，危房的縱向坡角為1/2790；基于34#危房的不均勻水平位移，房屋的豎直向坡角為1/2653（0.02°）。盡管基坑施工引起的房屋坡角小于Bjerrum（1963）提出的容許值（1/500），但是這部分傾角只由基坑施工出現(xiàn)附加變形。由于危房前期產(chǎn)生了較大的變形，存在較大的裂縫，因此建議在基坑施工時(shí)采用一定的保護(hù)措施。

基于有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果，基坑施工導(dǎo)致東側(cè)的危房產(chǎn)生過(guò)大的附加變形。數(shù)值計(jì)算未考慮基坑周邊的附加堆載。施工產(chǎn)生的附加荷載必然加劇土體和危房的變形。因此，施工時(shí)要嚴(yán)格控制基坑周邊的堆載，尤其是危房側(cè)。

盡管基坑施工引起的危房坡角未超過(guò)影響房屋安全的允許值（1/500），但是該部分變形僅為基坑施工誘發(fā)的附加變形。在基坑開(kāi)挖前，房屋所處的狀態(tài)并不清楚。為了確?；邮┕r(shí)鄰近危房的安全性和穩(wěn)定性，建議在基坑?xùn)|側(cè)危房區(qū)域，采用放坡開(kāi)放的方式，充分利用被動(dòng)區(qū)的土阻力限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土體變形。另外，采用分塊開(kāi)挖，分塊澆筑支撐和底板的施工方法，充分利用三維約束效應(yīng)降低基坑?xùn)|側(cè)的土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)和建筑物的變形。