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基坑开挖对周边环境的影响
孙超, 许成杰     
吉林建筑大学测绘与勘查工程学院, 长春 130118
摘要: 为了更深入地研究深基坑开挖对周边环境的影响,运用Midas GTS/NX软件对长春某深基坑工程开挖过程中周边建筑物进行了模拟,并与现场监测结果进行对比分析,探讨了周边环境的变化规律。结果表明:深基坑开挖会引起围护结构产生朝向基坑内的水平位移,位移最大值为10.8 mm,与实际监测数据7.9 mm相差了2.9 mm,计算结果与实测结果在误差许可范围内基本吻合;对于浅基础建筑物,在距离基坑0.6H~0.8HH为基坑开挖深度)处建筑物沉降和地表沉降差异较大,建筑物表现为不均匀沉降。
关键词: 基坑开挖    周边环境    数值模拟    数据分析    
Influence of Excavation of a Deep Excavation on the Surrounding Environment
Sun chao, Xu Chengjie     
School of Geometrics and Prospecting Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China
Abstract: In order to study the influence of deep foundation pit excavation on the surrounding environment, the excavation process of a deep foundation pit in Changchun was numerically simulated for its effect on the surrounding buildings by using Midas GTS/NX software. Compared with the on-site monitoring records, the changes of the surrounding environment were discussed. The results show that the calculated results are basically consistent with the measured results; the deep foundation pit excavation caused a displacement of the enclosure structure towards the foundation pit, and the maximum displacement is 10.8 mm, 2.9 mm larger than that of the actual monitoring data of 7.9 mm; for the shallow foundation in the buildings, the settlement and surface settlement of the buildings are different from those of a foundation pit at 0.6H-0.8H (excavation depth of foundation pit), and the building settlement is uneven.
Key words: excavation    surrounding environment    numerical simulation    data analysis    

0 引言

近年来,随着社会的进步和经济的发展,城市人口急剧增加,城市建设用地越来越紧张,深基坑工程数量在逐渐增多,并且其规模和深度也在不断增加。深基坑开挖会对周边环境产生一定的影响,如基坑开挖引起周围地表沉降,会对临近建筑物等造成不利的影响,导致临近建筑物的开裂、倾斜以及地下管线的开裂等[1]

对于深基坑开挖对周边环境的影响,成怡冲等[2]总结了以下规律:基坑开挖会导致临近土体应力场和位移场发生变化,进而导致围护结构变形;基坑周围的建筑物以及地下管线会因为土体应力场与位移场的变化产生相应的附加变形以及附加内力,进而对建筑物和管线自身的安全性产生影响。此外,郑刚等[3]对不同围护结构形式下的土体位移场进行了系统性总结,并归纳出了土体位移场规律;张治国等[4]和王卫东等[5]结合上海地区深基坑工程,分析总结了深基坑开挖对临近浅基础建筑物的沉降规律,并提出了沉降预测方法;张爱军等[6]对于高层建筑物的变形提出了两阶段分析方法,即首先根据影像源法计算得出基坑开挖引起的开挖土体位移,再推导出基坑开挖对临近桩基础水平响应影响的数学解析解矩阵表达式;徐洪钟等[7]等对南京地铁基坑开挖进行了数值模拟,认为基坑开挖引起建筑物差异沉降的主要原因为建筑物的基础薄弱、受基坑开挖影响较大。

本文结合长春某深基坑工程实例,采用数值分析方法模拟了深基坑开挖对周边环境的影响,在施工过程中对周边环境进行了系统的监测,并将实测结果与数值模拟结果进行了对比分析,以期为长春地区和同类型工程的设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况及地质条件 1.1 工程概况

拟建场地地形平坦,南部稍低,勘探孔口高程最大值为197.68 m,最小值为197.23 m,最大高差0.45 m。深基坑长约103 m,宽约21 m,开挖深度为8.6~10.1 m,工程主体深基坑标准段开挖深度为8.6~9.1 m,电梯井开挖深度达到10.1 m。基坑平面图及监测点位置如图 1所示。深基坑开挖面积约2 170m2,开挖周长约250 m;等级为一级,设计使用时间为1 a。支护结构采用护坡桩+锚杆支护体系,如图 2所示。

图 1 基坑平面图及监测点位置 Fig. 1 Foundation excavation plan and monitoring point location
图 2 支护结构剖面图 Fig. 2 Sectional view of the supporting structure

土方开挖首先采用对称的岛式开挖(深基坑周边挖土、中部留土)的方式,待深基坑周边锚拉系统设置完成后,对称挖除深基坑中部的岛式留土。土方开挖必须分层、对称、平衡地进行,待每道锚拉系统全部形成并达成设计强度要求的80%后,方可向下开挖深基坑周边的下层土体。第一次开挖,开挖深度取第一道锚杆下0.5 m,以后每次开挖都取锚杆下0.5 m,最后一次开挖取深基坑深度下0.5 m。

1.2 工程地质条件

场地位于松辽平原东缘与吉东山地接趾带,地貌单元为伊通河阶地。本次勘察的最大深度为17.0 m,所揭露的地层上部为填土层、第四纪黏土层、砂土层,下部为白垩纪泥岩,地层可根据岩土的物理力学性质分为5层。土体物理力学参数如表 1所示,其中黏聚力以及内摩擦角通过固结快剪获得[8],基坑底板主要位于粉质黏土②中,桩锚支护结构端部主要位于强风化泥岩中。

表 1 土体物理力学参数 Table 1 Soil physical and mechanical parameters
层号 土类名称 层厚/m 容重/ (kN/m3) 泊松比 黏聚力/ kPa 内摩擦角/(°) 弹性模量/ MPa
1 杂填土 2.2 17.0 0.37 8 6 6.3
2 粉质黏土① 4.0 19.7 0.32 48 27 11.7
3 粉质黏土② 4.0 20.3 0.30 30 23 14.5
4 全风化泥岩 5.6 21.0 0.35 0 30 15.5
5 强风化泥岩 6.4 21.2 0.31 27 23 17.6

地下水主要补给来源为大气降水补给,场地地下水水位随季节变化,6—9月为丰水期,水位年变化幅度为1.0~2.0 m。地下水初见水位较稳定水位低0.6~0.8 m。

2 设计及研究方案 2.1 基坑围护体系设计

根据基坑的开挖深度以及工程所处的地质条件,围护结构采用钻孔灌注桩+锚杆支护体系,钻孔灌注桩桩径600 mm,钻孔灌注桩主筋保护层厚度为50 mm,水下混凝土设计强度等级C30,设计相对标高以下桩身应满足设计强度。侧壁挂钢筋网采用直径为8.0 mm的钢筋编成间距50 mm×50 mm的网片,钢筋网伸入坡顶水平段1 500 mm,用直径为25 mm的钢筋和长1 300 mm的摩擦土钉固定,喷射细石砼厚度80 mm,支护结构剖面见图 2

在基坑外侧采取控制性降水措施有利于围护结构的变形和弯矩,进而提高基坑的稳定性。沿基坑周边间距6 m,基坑外共布设降水井44眼,井深17 m,坑外降水井距基坑上口线1.5 m;基坑内侧降水井布置在加深部位,深度超过基坑底面以下5 m,布置16眼。

2.2 基坑监测方案

将基坑外3倍于开挖深度范围内的周围环境作为监测对象。在该范围内本工程共设置支护桩桩顶监测点15个、周边建筑物沉降监测点14个、地表沉降监测点14个和内力监测点若干。由于研究范围有限,本文只列出桩顶沉降、周围建筑物沉降以及坑外水平监测点3项检测内容,基坑监测点位置布置如图 1所示。

2.3 数值模拟方案

采用数值模拟软件Midas GTS对基坑进行精细化模拟,在软件中土体采用了实体单元,支护桩采用了地连墙等刚度转换。实体单元用来模拟实体结构或者厚板壳结构,根据实体单元边界上是否有中间节点来区分高阶单元和一般实体单元,实体单元只有3个方向的平移度,没有旋转方向的自由度[9]

该数值模拟采用三维模型,按照表 2所示的工况进行开挖,开挖方式为岛式开挖。在基坑的西侧根据工程所处周边环境,建立4座建筑物模型,分别为浅基础建筑物和桩基础建筑物,如图 3所示。

表 2 深基坑开挖步骤 Table 2 Excavation excavation steps
工况 内容 备注
1 初始应力场以及建筑物施工
2 管线以及地面堆载施工
3 等效地下连续墙施工
4 第一步土体开挖并设置第一层锚索 挖深至2.0 m
5 第二步土体开挖并设置第二层锚索 挖深至6.0 m
6 第三步土体开挖 挖深至10.0 m
7 坑底土开挖 坑底土清槽
图 3 深基坑开挖三维模型 Fig. 3 3D model of deep foundation excavation
3 结果分析 3.1 土体开挖时围护结构的水平位移

图 4给出了位于基坑长边东侧中部的5#和西侧中部的14#监测点在不同工况下围护结构的水平位移。从图 4可以看出:基坑两侧围护结构水平位移变化趋势较为接近,随着开挖深度的增加,桩体水平位移呈现出不断增大的趋势;在最终开挖深度时,桩体深度9 m附近桩体水平位移达到最大值,9 m以下的桩体水平位移缓慢变小。同时,将经过数值模拟分析后得出的结果与现场监测结果相比较,差距最大处为0.84 mm,最小处仅为0.18 mm;可证明Midas GTS软件在本工程案例中的准确性与可靠性,这也为下文进行周边环境的模拟提供了一定的基础[10]

图 4 基坑两侧桩体水平位移 Fig. 4 Lateral displacement of tip on both sides of the excavatio

按照深圳市基坑支护技术规范[11]的相关规定,北京、深圳对围护结构水平位移值要求的最大限值分别为0.2%H(H为基坑开挖深度)和min{0.2%H,30 mm}。本工程实测水平位移最大值为10.8 mm,符合国家相关规范和上述规范中适用于本工程的水平位移限值0.2%H=18.2 mm的规定。

3.2 基坑开挖对地表沉降的影响

从基坑开挖周围地表沉降(图 5)可以看出,深基坑临近建筑物群的一侧的地表沉降明显要大于没有建筑物的一侧,因此选取远离建筑物一侧的地表沉降进行分析[12]。选取垂直于深基坑长边方向上的点进行分析,其分别为距离深基坑东侧长边5、10、15、20、25、30 m。随着深基坑开挖的不断进行,坑外地表的沉降值逐渐增大(图 6)。

图 5 基坑开挖周围地表沉降值 Fig. 5 Surface settlement around the foundation pit
沉降量为负值代表地表下沉,为正值代表地表隆起。下同。 图 6 不同距离深基坑周边地表沉降值 Fig. 6 Surface settlement around deep excavation at different distances

图 6可知:在距离基坑10 m处地表沉降值最大,下沉最大值为7.7 mm左右;并且随着深基坑开挖深度越深,最大沉降点距离深基坑边缘越近,沉降曲线大致表现为“勺”形,这与文献[13]的结果相符合。随着监测点与深基坑距离的增加,地表沉降呈现时空分布规律:在空间上,地表沉降主要与距离深基坑边缘的距离有关,在达到最大值之后,沉降值逐渐随着距离的增加而逐渐减小,并最终保持稳定趋势;在时间上,随着深基坑工程的进行,地表沉降值会逐渐增加,并且沉降曲线趋势基本相同[14]

由地表沉降计算与监测对比(图 7)可以看出:在深基坑开挖过程中,周边30 m范围内的地表沉降较为明显,地表沉降的趋势随着开挖深度的加深发生变化,整体沉降趋势类似“勺”形;并且计算变形趋势与实际变形监测变形相差不大,实际监测数据要大于数值计算数据[15]。以上结果与文献[15]相一致。

图 7 地表沉降计算值与实测值对比 Fig. 7 Comparison of surface settlement between monitoring values and measured values
3.3 基坑开挖对建筑物的影响 3.3.1 对桩基础建筑物的影响

由于工程深基坑为狭长型深基坑,具有一定的特殊性,因此分别选取桩基础建筑物角点JZ1、JZ2、JZ3、JZ4和实际监测点4-2、4-3、5-2、5-3进行分析。各点位置和建筑物沉降云图如图 8所示。

图 8 桩基础建筑物沉降云图 Fig. 8 Pile foundation building settlement cloud map

根据建筑物角点JZ1、JZ2、JZ3、JZ4沉降数据(表 3)可知:在深基坑开挖的工况4、5下,建筑物出现不均匀沉降,建筑物朝向深基坑开挖的方向倾斜,下沉最大值为2.55 mm;在深基坑开挖的工况6,下沉最大值为3.10 mm;在深基坑开挖的工况7,建筑物下沉最大值为4.17 mm。深基坑的开挖对建筑物包括建筑基础造成了一定的影响。在空间上,建筑物越靠近深基坑,产生的沉降越大,表现为不均匀沉降[16]

表 3 建筑物角点实测沉降数值 Table 3 Settlement measured values of building monitoring points  
工况 JZ1 JZ2 JZ3 JZ4
工况3 -2.37 -2.30 -2.32 -2.11
工况4 -2.39 -2.31 -2.36 -2.12
工况5 -2.55 -2.37 -2.47 -2.16
工况6 -3.10 -2.48 -2.97 -2.20
工况7 -4.17 -2.60 -3.13 -2.22

高层建筑物结构基础形式为桩基础,其对于结构变形较为敏感,因此,分别提取图 8中靠近深基坑一侧的建筑物监测点4-2、4-3、5-2、5-3的实际监测数据,绘制建筑物沉降曲线(图 9)。建筑物监测数值保持在0.002L=12 mm(L为相邻柱距)安全范围内,建筑物沉降曲线较为平缓,这是由桩锚支护结构的优点决定的[17]

图 9 桩基础建筑物监测点沉降曲线 Fig. 9 Settlement time curve of building monitoring points

随着深基坑的开挖,建筑物的沉降值逐渐增加,并且不同位置处的建筑物监测点表现出不一样的监测数据。从图 9看出,4-2、4-3、5-2、5-3监测点的沉降变化趋势基本相同,随着深基坑开挖的不断进行,各监测点的沉降差异均匀:沉降量最大发生在监测点5-2处,下沉值达到了1.7 mm左右,与数值模拟计算3.0 mm有一定的差距;最小沉降量发生在5-3测点处,下沉值为1.3 mm,均在预警值控制范围内[18]

3.3.2 对浅基础建筑物的影响

图 10可以看出:开挖10.0 m的浅基础建筑物与地表沉降变化趋势较为一致,并且地表沉降略小于浅基础建筑物沉降值;浅基础建筑物在距离基坑固护结构5.5~7.2 m(0.6H~0.8H,H=9.1 m)处建筑物沉降和地表沉降差异较大,此位置为基坑开挖所产生的沉降槽位置处,应当充分重视该区域内地表差异对建筑物结构安全的影响[19]

图 10 地表沉降与浅基础建筑物沉降对比 Fig. 10 Comparison of surface settlement and shallow foundation buildings settlement
4 结论

1) 基坑开挖使基坑周围的土体产生较大的水平位移,并且伴随着基坑开挖深度的加深逐渐加大,围护结构最大水平位移处位于基坑开挖面附近。

2) 不同类型基础的建筑物沉降值以及变化趋势与地表沉降较为一致,桩基础建筑物的沉降要远小于浅基础建筑物的沉降,并且二者的沉降值均大于地表沉降值。

3) 建筑物的存在会对基坑围护结构的位移产生一定的影响,具体表现为存在建筑物的一侧围护结构的变形要大于无建筑物一侧。

4) 数值分析结果与实测结果基本趋势吻合,但由于实际工程施工过程中的不确定因素,使得计算结果与实测结果存在一定的差别。

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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20190003
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孙超, 许成杰
Sun chao, Xu Chengjie
基坑开挖对周边环境的影响
Influence of Excavation of a Deep Excavation on the Surrounding Environment
吉林大学学报(地球科学版), 2019, 49(6): 1698-1705
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2019, 49(6): 1698-1705.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20190003

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收稿日期: 2019-01-03

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