毗邻建筑荷载对基坑支护结构变形的影响研究

毗邻建筑荷载对基坑支护结构变形的影响研究 毗邻建筑荷载对基坑支护结构变形的影响研究

胡铁馨1， 李顺群1， 李 丹2

(1.天津城建大学土木工程学院，天津 300384；2.天津市南洋金龙建筑工程有限公司，天津 300384)

摘 要：基坑支护结构的设计不仅受土体成分、主被动土压力和地下水位的影响，同时受毗邻建筑物的影响也较大。结合天津某基坑工程，通过ABAQUS有限元软件模拟受毗邻建筑物影响的基坑支护结构，分析了基坑周边存在不同高度建筑物及相同高度建筑物与基坑不同水平距离作用下，支护结构的水平位移和应力的变化规律。得出的结论是：桩身最大水平位移随着荷载的增加及荷载离基坑距离的减小而增大；桩身最大水平应力随荷载的增加及荷载离基坑距离的减小而增大，最大水平应力都出现在桩身-9 m处。

关键词：基坑；支护结构；ABAQUS；数值模拟;水平位移；应力

随着经济的迅猛发展，城市中高层建筑物的兴建以及地下空间的开发利用，出现了大量的基坑工程。在新建基坑的周边存在已建建筑物是不可避免的，这就引出了一个问题，在这些建筑物密集区开挖基坑，不仅要考虑到基坑本身的安全，还要考虑到周围的建筑物、道路和地下管线的安全[1]。如何减小基坑支护结构的位移，保障基坑支护结构的安全和稳定，进而减小对周围环境的不利影响是一个迫切需要解决的课题。

1 基坑与毗邻建筑物的相互影响

由于基坑的开挖是对原状土体的一种卸荷过程，使得场地原已稳定的应力场随着基坑的开挖发生不断变化。不仅表现为基坑周边土体的变形，例如基坑侧壁的位移、支护结构变形、周围地表的沉降以及基底隆起等，而且还会对临近建筑物的地基反力分布产生较大影响；又由于建筑物的基础与地基土体的刚度差异较大，会致使建筑物的基础和地基之间的接触产生“不紧密”或“脱离”的现象。为了使变形达到新的协调，地基将与基础及其上部建筑结构在荷载的作用下发生共同变形。

如果基础变形过大，会对周边建筑物的外观、正常使用功能和结构的安全性带来一定的影响。基坑土体的开挖可能会引起周边建筑物的剪切破坏和拉裂破坏。剪切破坏会对建筑物上部结构的墙体产生附加应力，导致墙体强度降低；拉裂破坏会对建筑物上部结构的墙体产生附加应力，导致墙体发生拉裂破坏，使垂直裂缝方向的墙体不能再继续承受拉力[2]。

同时毗邻建筑物的存在会对基坑存在不同程度的影响；建筑物的自重增加了基坑的附加应力；基坑降水会使周围地面产生沉降现象，而临近建筑物的存在会使沉降程度进一步加大；由于基坑的开挖是一个卸载的过程，周围附加应力有可能对基坑隆起产生有利条件。在基坑支护结构设计时应当充分考虑到支护结构的位移变形和承载能力的水平，确保支护结构的刚度和稳定性。

2 有限元程序模拟分析

本文运用ABAQUS有限元程序对天津某基坑工程实例进行模拟，分析了当基坑周边存在不同高度建筑物以及建筑物与其距离不同时，基坑支护结构受到的影响。

2.1 工程概况

本基坑工程位于天津市，其开挖深度为8 m，平面尺寸为50 m×30 m。基坑采用钻孔灌注桩加冠梁的支护形式。周边存在成片住宅小区，其中有一栋距离本基坑为6 m的6层住宅楼，其横截面尺寸为10 m×14 m，如图1所示。

2.2 相关设计参数

钻孔灌注桩的直径为1 m、桩长为24 m、桩间距为1 m，混凝土强度等级为C30；冠梁的截面尺寸为1 m×0.8 m(宽×高)，混凝土强度等级为C30。支护结构的材料力学相关指标见表1。

本基坑所处地区主要以耕种土为主，土体成分从上往下依次为杂填土、粘土、粉质粘土和粉土。土体的具体物理力学指标见表2。

图1 6层住宅楼示意图

表1 混凝土材料力学指标

结构名称密度ρ/(kg·m-3)弹性模量/GPa柏松比μ灌注桩2500200．20冠梁2500200．20

2.3 计算模型及边界条件

2.3.1 计算模型

表2 土体的物理力学指标

土层名称厚度/m重度/(kN·m-3)弹性模量/MPa柏松比粘聚力/kPa内摩擦角/°杂填土219．83．00．35——粘土419．18．50．452610．3粉质粘土1020．010．00．422310．1粉土2019．913．50．371720．4

为保证建立模型的正确性，应合理地处理外部荷载和边界条件。考虑到影响建模的因素较多，可忽略一些次要的影响因素，充分利用结构以及荷载的对称性，对计算模型进行简化。既可以轻松地建模和网格划分，又可以缩短程序的计算时间。

根据文献[3]可知，当基坑开挖宽度不小于基坑开挖深度H时，取(2～3)H处作为开挖面后的边界；取开挖面以下的0.5H处作为下边界；如果继续扩大计算范围对基坑变形也没有显著的影响。所以根据本基坑实际情况，取基坑开挖深度的4倍为竖直方向(y轴方向)的尺寸；取基坑向外各延伸4倍开挖深度为水平方向(x轴方向)的尺寸；即基坑模型的长为8H+L=114 m，高为4H=32 m。其中:H为基坑开挖深度(m)，L为基坑开挖长度(m)。对于桩体和土体采用4节点四边形双线性减缩积分平面应变单元CPE4R进行模拟，桩土之间采用摩擦接触，摩擦系数取0.4。

2.3.2 边界条件

由于基坑的对称性，可以取模型的1/2部分进行计算，计算简图如图2所示，边界条件限定为：土体模型两侧的水平位移即x轴方向位移为0，模型底部x轴与y轴两个方向的位移为0。这样不仅可以减轻计算量，而且可“提高位移函数的初期逼进度，从而得到更为合理的计算结果”[4],网格划分如图3所示。

2.4 基本假定

图2 基坑1/2模型计算简图(单位：m)

图3 模型网格划分

为了简化计算，缩短计算时间，假定不考虑土体的排水固结以及土体受基坑支护结构施工的扰动影响，同时不考虑地下水的作用和时间因素。假定同一种材料为均质、各向同性，并假定桩和冠梁为理想弹性材料，土体为理想弹塑性材料。本文土体采用Druker-Prager弹塑性模型，其屈服准则的表达式为：

(1)

式中：F为屈服函数；I1为应力张量的第1不变量；J2为应力偏量的第2不变量；α、k分别为与岩土材料的粘聚力c以及内摩擦角φ有关的常数。

本文为模拟具有不同荷载的建筑物以及建筑物距基坑不同距离时对基坑支护结构的影响，现进行两种假定：

(1)存在6层和12层建筑物，距离基坑都为6 m，模拟不同建筑物与基坑的距离相同时对深基坑支护结构的影响。

(2)存在6层建筑物，距离基坑分别为6 m、10 m以及14 m，模拟同一建筑物与基坑距离不同时对支护结构的影响。

假定建筑物是以荷载的形式施加给基坑支护结构，荷载取每层楼自重为20 kN/m2且均匀作用在土层上。本文不考虑其他荷载对基坑支护结构的影响。

3 计算结果分析

3.1 不同层数建筑物对深基坑支护结构的影响

(1)图4为建筑物层数分别为6层和12层、距基坑6 m时，桩身水平位移的变化情况。由图可见，当建筑物为6层时桩身最大水平位移为21.71 mm，而当建筑物为12层时桩身最大位移为42.95 mm，是6层桩身位移的1.98倍；通过对比分析，其位移倍数关系基本符合荷载的2倍关系。随着桩身埋入深度的增加，桩身水平位移逐渐减小，最大位移出现在桩顶；在基坑底部以上，两种情况的水平位移大致呈线性关系，而在基坑底部(-8 m)处出现反弯点。反弯点以下随着桩的埋深加大，水平位移变化幅度变小，这是由于基底土体提供了主动土压力，阻碍了桩身的位移变形，而且随着土层深度的增加，建筑物荷载对桩身的影响也随之逐渐减弱。

图4 不同荷载条件下桩身水平位移

(2)图5为建筑物层数分别为6层和12层、离基坑水平距离为6 m时，桩身水平应力的变化情况。通过对比分析可知，在基坑底部(-8 m)以上两种情况的桩身应力相差不大，但在-9 m时应力值达到最大，同时两种情况的应力值相差最大，大致成2倍关系。在-9 m以下应力曲线呈抛物线走势，其应力值逐渐变小，两条应力曲线仍然保持着比例关系。

3.2 不同距离对深基坑支护结构的影响

(1)图6为6层建筑物距基坑分别为6 m、10 m和14 m时支护结构桩身的水平位移变化曲线图。通过对比分析可知，随着建筑物与基坑的距离增加，桩身的水平位移逐渐减小；在基坑底(-8 m)以上，距离为6 m时桩身水平位移变化最大，而距离为14 m时变化最小：这说明荷载距基坑越远，对基坑的影响越小。在基底(-8 m)处同样出现了反弯点，与不同荷载作用时情况大致相同。由于基底土体的影响，在3种情况作用下桩身-8 m以下的位移相差不大，甚至有重合之处。

图5 不同荷载条件下桩身水平应力

图6 建筑物不同位置时桩身水平位移

(2)图7为6层建筑物距基坑分别为6 m、10 m和14 m时桩身水平应力的变化情况。在基坑底(-8 m)以上3种情况的应力值非常接近，直到在-9 m时应力值出现突变，且3种情况的应力值相差非常大，其比例关系与到基坑的距离比例关系相似。在-9 m以下应力值呈抛物线走势，应力值逐渐变小。建筑物距离基坑6 m和10 m时，应力曲线存在交叉点。

图7 建筑物不同位置时桩身水平应力

4 结论

(1)桩身最大水平位移随着荷载的增加以及荷载离基坑距离的减小而增大。基底以上的桩身水平位移呈线性变化，而在基底处水平位移曲线出现反弯点；基底以下桩身水平位移与基底以上水平位移变化相比较小，呈抛物线变化。

(2)桩身最大水平应力同样随着荷载的增加以及荷载离基坑距离的减小而增大，最大水平应力都出现在-9 m。-9 m以上水平应力值都非常小，而-9 m以下水平应力值较大。在支护设计时要重点考虑基底以下水平应力值的大小。

参考文献：

[1]侯胜男,刘陕南,刘 征，等.紧邻深基坑某历史建筑变形实测分析[J].地下空间与工程学报,2011,7(5):977-982

[2]刘 影,王旭东.地下开挖对临近建筑物损害影响评估综述[J].地下空间与工程学报, 2009,5(4):841-847

[3]陈进杰,贾金青,张明聚.土钉支护工作性能参数分析[J].岩土工程学报,2001,23(5):618-622

[4]王 进.高层建筑深基坑开挖三维弹性、弹塑性有限元分析[D].西安:西安建筑科技大学,2001

A Study of the Effect of the Load of the Adjacent Building on the Deformation of the Supporting Structure for a Foundation Pit

HU Tiexin1， LI Shunqun1, LI Dan2

(1.College of Civil Engineering,Tianjin University of Municipal Construction,Tianjin 300384，China；2.Tianjin nanyang jinlong construction engineering co., LTD，Tianjin 300384,China)

Abstract：The design of a supporting structure for a foundation pit is not only affected by the soil composition,active and passive earth pressure and the underground water level, but also, at the same time,by adjacent buildings to a comparatively great extent.With the project of a certain foundation pit in Tianjin as a practical example,in the paper an analysis is made,by using the ABAQUS finite element software to simulate the foundation pit affected by adjacent buildings,of the horizontal displacement and the law of the change in stress of the supporting structure under the action of adjacent buildings of different heights and adjacent buildings of the same height at different horizontal distances. The conclusion thus obtained is as follows:the maximum horizontal displacement of the pile body increases with the increase in the load and the shortening of the distance between the load and the foundation pit;the maximum horizontal stress of the pile body also increases with the increase in the load and the shortening of the distance between the load and the foundation pit, with the maximum horizontal stress always appearing at the height of 9 meters of the pile body.

Key words：foundation pit;supporting structure;ABAQUS;numerical simulation;horizontal displacement;stress

收稿日期：2016-05-12

作者简介：胡铁馨(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为地下结构。[email protected]

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.06.013

中图分类号：TU433

文献标识码：A

文章编号：1672-3953(2016)06-0049-04