軟土基坑開挖對鄰近大底盤多塔樓變形影響分析

張治國，邢李，孫海忠

（1. 上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2. 上海市建工設(shè)計研究總院有限公司，上海 200234）

隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展和城市化進程的不斷加深，城市用地愈發(fā)緊張，于是，人們越來越重視城市地下空間的開發(fā)與利用。因此，在城市中心必然會產(chǎn)生一些相對較為復(fù)雜的基坑工程。鄰近建筑物的基坑開挖卸荷必將會對建筑物的基礎(chǔ)產(chǎn)生不利的影響，從而導(dǎo)致建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形，嚴重威脅到建筑物的正常使用。

目前，眾多國內(nèi)外專家學(xué)者[1-12]已針對基坑開挖對鄰近既有建筑物樁基影響這一課題進行了研究。宋偉[1]以信和2B期項目為工程背景,對環(huán)形內(nèi)支撐深基坑開挖引起的變形及對既有建筑物影響進行了研究，結(jié)果表明：在基坑的開挖過程中，建筑物的位置越靠近基坑，基礎(chǔ)沉降越大，表現(xiàn)為不均勻沉降，其水平側(cè)移也越大，水平側(cè)移朝著基坑內(nèi)部方向發(fā)展。丁前進等[3]以北京地鐵9號線東釣魚臺站4號出入口基坑為例，采用數(shù)值模擬軟件ANSYS模擬了基坑開挖及支護的整個過程，分析了基坑開挖過程中既有建筑物基礎(chǔ)的沉降變形規(guī)律。劉睿[4]以北京地鐵14號線望京站為背景，利用有限元軟件Midas/GTS建立三維模型，對基坑開挖過程中建筑物的沉降和側(cè)移進行模擬?；訋酝跁疣徑ㄖ锏牟町惓两岛蛡?cè)移，建筑物近端沉降大、遠端沉降小。距離基坑越近，建筑物水平側(cè)移越大。唐素閣[8]應(yīng)用有限元軟件ABAQUS建立三維模型，模擬了基坑開挖全過程中的多樁基礎(chǔ)，通過對比基坑開挖前后樁基的受力和變形性能，分析了基坑開挖對前排樁和后排樁的影響。陳滋雄[11]以重慶市長壽區(qū)新市鎮(zhèn)某小區(qū)地下車庫基坑開挖工程為背景，利用有限差分法軟件FLAC3D作為數(shù)值模擬的工具，模擬和分析了基坑工程開挖對鄰近建筑物的變形影響，結(jié)果表明：靠近基坑的樁位移比遠離基坑的樁基位移要大，因為，隨著距離的增大，基坑開挖的影響就越小。

近年來，大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)在全國各城市住宅建設(shè)中大量涌現(xiàn)，但是，針對施工環(huán)境下大底盤多塔樓受力變形進行相關(guān)理論研究還不多見，為此本文采用三維有限元軟件Midas/GTS建立了基坑和大底盤多塔樓協(xié)同作用的有限元模型，分析基坑開挖對鄰近既有大底盤多塔樓的變形影響。

1 工程概況

1.1 模型介紹

圖1為大底盤多塔樓有限元模型。大底盤多塔樓為地上12層框架結(jié)構(gòu)，其中，塔樓10層，采用3跨×3跨布置，柱距5 m，層高3.5 m。底盤2層，采用 17跨×6跨，柱距 5 m，層高 4 m。大底盤采用樁筏基礎(chǔ)，筏板厚1 m，懸挑2 m。樁采用等長均勻布置，樁徑1 m，樁長14 m，間距5 m（模型未考慮填充墻的影響）。各建筑構(gòu)建具體參數(shù)如表1所示。

圖1 大底盤多塔樓有限元模型Fig.1 Finite element model of the multi-tower with large chassis

表1 建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Building structural parameters

圖2（見下頁）為大底盤多塔樓與基坑有限元模型?；娱_挖范圍均為 50 m×50 m×14 m，多塔樓底盤與基坑開挖面的水平距離為14 m?；訃o結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻和兩道環(huán)形混凝土支撐。地下連續(xù)墻深 24 m，墻厚 1 m，立柱長 22 m，環(huán)形支撐共設(shè)置2道，分別位于地下2 m與地下7 m處。Z1，Z2，Z3，Z4，Z5和Z6為樁的數(shù)據(jù)采集點。各圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示（見下頁）。

圖2 大底盤多塔樓與基坑有限元模型Fig.2 Finite element models of the foundation pit and multitower with large chassis

表2 圍護結(jié)構(gòu)尺寸及材料信息Tab.2 Enclosure structure size and material information

圖3為土體–基坑–多塔樓共同作用有限元模型。為了充分考慮工程的影響范圍，模型尺寸取195 m×150 m×45 m。為了簡化計算，模型中不考慮施工荷載、施工堆載、地下水的影響以及基坑的開挖時間，僅考慮基坑的開挖順序。

圖3 土體-基坑-多塔樓共同作用有限元模型Fig.3 Finite element model of the soil-foundation pit-multitower with large chassis

1.2 工程地質(zhì)條件

土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，根據(jù)工程勘測報告以及工程經(jīng)驗可確定本模型現(xiàn)場土層共分為6層，分別為填土、粉質(zhì)粘土①、淤泥質(zhì)土、粘土、粉質(zhì)黏土②、砂土。根據(jù)勘察報告以及工程經(jīng)驗確定如下土體參數(shù)：土體容重、彈性模量、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角。具體土體參數(shù)如表3所示。

表3 土層分布及物理力學(xué)參數(shù)Tab.3 Physic-mechanical parameters of soils and soil layer distribution

1.3 工況設(shè)置

為了研究基坑開挖對大底盤多塔樓樁筏基礎(chǔ)的影響，基坑開挖工況設(shè)置如下：

工況1：激活土體，平衡地應(yīng)力，位移清零；

工況2：激活上部建筑，位移清零；

工況3：施工地下連續(xù)墻和立柱；

工況4：基坑土體開挖至地下2 m；

工況4：安裝基坑第一道支撐與圈梁；

工況5：基坑土體開挖至地下7 m；

工況6：安裝基坑第二道支撐與圈梁；

工況7：開挖基坑至地下14 m；

工況9：施工基坑底板。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

由于本文計算模型樁體較多，為了便于分析，提取了6根樁的數(shù)據(jù)進行研究，分別為Z1，Z2， Z3， Z4， Z5 和 Z6。 其 中 ， Z1， Z2， Z3，Z4位于基坑中心對應(yīng)位置，Z5位于基坑邊緣對應(yīng)位置，Z6位于塔樓下方。如圖2所示。

2.1 樁的水平側(cè)移

每根樁在不同工況下的側(cè)移情況如圖4所示。圖4中開挖2 m為第一層土開挖結(jié)束后樁的水平側(cè)移；開挖7 m為第二層土開挖結(jié)束后樁的水平側(cè)移；開挖14 m為第三層土開挖結(jié)束后樁的水平側(cè)移。

圖4 樁的側(cè)移Fig.4 Lateral displacement of the pile

圖4 為基坑開挖過程中樁的側(cè)移隨深度的變化曲線。從圖中可以看到：隨著基坑開挖深度的增加，樁的側(cè)移不斷增大，且除了Z4和Z6，樁的最大位移均出現(xiàn)在樁底；樁身在整個深度范圍內(nèi)側(cè)移的變化較小。

圖4為基坑開挖過程中 Z1，Z2，Z3，Z4，Z5和Z6樁的側(cè)移隨深度的變化曲線。圖4（a）中樁的最大水平位移為4.04 mm；圖4（b）中樁的最大水平位移為2.62 mm；圖4（c）中樁的最大水平位移為1.99 mm；圖4（d）中樁的最大水平位移為1.46 mm；圖 4（e）中樁的最大水平位移為 1.65 mm；圖4（f）中樁的最大水平位移為1.44 mm。通過6幅曲線圖的對比分析可知，基坑開挖過程中距離基坑開挖中心最近的樁變形最大，且最大變形位置在樁底，距離基坑較遠的樁最大變形位置發(fā)生在樁頂。

2.2 樁的豎向沉降

每根樁在不同工況下的沉降情況如圖5所示（見下頁）。圖5中一撐表示第一道支撐安裝完成后樁的沉降；二撐表示第二道支撐安裝完成后樁的沉降；底板表示基坑底板施工完成后樁的沉降。

圖5為基坑過程中樁沉降隨深度的變化曲線。從圖中可以看到，隨著基坑開挖深度的增加，樁的沉降不斷增大，這是由于基坑開挖、土體卸荷導(dǎo)致樁周土體密實度減小，土體的力學(xué)特性發(fā)生變化，進而導(dǎo)致樁沉降。在整個深度范圍內(nèi)樁體沉降差異較小。

圖5為基坑開挖過程中 Z1，Z2，Z3，Z4，Z5和Z6樁沉降隨深度的變化曲線。基坑開挖完成后，圖 5（a）中樁的最大沉降為 2.47 mm；圖5（b）中樁的最大沉降為 1.67 mm；圖 5（c）中樁的最大沉降為1.25 mm；圖5（d）中樁的最大沉降為0.75 mm；圖 5（e）中樁上浮 0.40 mm；圖 5（f）中樁的最大沉降為0.49 mm。通過6幅曲線圖的對比分析可知，基坑開挖過程中距離基坑開挖中心越近，樁沉降越大。由圖5（e）可知，基坑開挖過程中，基坑開挖邊緣附近的樁體會產(chǎn)生上浮。

圖5 樁基沉降Fig.5 Settlement of the pile foundation

2.3 筏板的變形

圖6 為基坑開挖過程中筏板變形云圖。如圖6所示，整個開挖過程中筏板的變形呈對稱分布。由圖6（a）可知，第一層土開挖完成后，基坑鄰近的筏板會發(fā)生隆起變形，其他位置發(fā)生沉降變形；由圖6（b）和圖6（c）可知，隨著基坑開挖深度的增加，筏板呈中間大邊緣小的“半碟型”分布?；娱_挖完成時，基坑開挖中心對應(yīng)位置，筏板發(fā)生沉降變形，最大沉降為2.15 mm；基坑開挖邊緣對應(yīng)位置，筏板發(fā)生隆起變形，最大隆起為1.10 mm，差異沉降較小。

圖6 筏板變形云圖Fig.6 Deformation nephogram of the raft

2.4 上部結(jié)構(gòu)的變形

圖7 為基坑開挖過程中上部結(jié)構(gòu)變形云圖。如圖7所示，整個開挖過程中上部結(jié)構(gòu)的變形呈對稱分布。由圖7（a）可知，第一層土開挖完成后，基坑臨近的大底盤發(fā)生隆起變形，其他位置均發(fā)生沉降變形；由圖7（b）和圖7（c）可知，隨著基坑開挖深度的增加，塔樓向中間位置發(fā)生傾斜；基坑開挖中心附近位置，樓板發(fā)生明顯的下凹變形，最大沉降為1.94 mm；基坑開挖邊緣附近大底盤發(fā)生輕微的隆起變形。

圖7 上部結(jié)構(gòu)變形云圖Fig.7 Deformation nephogram of the superstructure

3 結(jié) 論

通過三維有限元軟件Midas/GTS模擬了基坑開挖對鄰近大底盤多塔樓變形影響。通過對數(shù)值結(jié)果分析，得出結(jié)論：

a. 基坑開挖會使大底盤多塔樓樁基產(chǎn)生指向基坑位置的側(cè)移。隨著基坑開挖深度的增加，樁基的側(cè)移不斷增大；距離基坑開挖中心越近，樁基側(cè)移越大，且最大變形位置在樁底，距離基坑較遠的樁基最大變形位置發(fā)生在樁頂。

b. 基坑開挖會使大底盤多塔樓樁基產(chǎn)生不均勻沉降。隨著基坑開挖深度的增加，樁基的沉降不斷增大，且越靠近基坑開挖中心位置，樁體沉降越大?；娱_挖邊緣附近的樁體會產(chǎn)生上浮，但整個深度范圍內(nèi)樁體沉降差異較小。

c. 基坑開挖會使大底盤多塔樓筏板發(fā)生變形，且整個開挖過程中筏板的變形呈對稱分布。基坑開挖深度較小時，基坑鄰近的筏板會發(fā)生隆起變形，其他位置發(fā)生沉降變形；隨著基坑開挖深度的增加，筏板呈中間大邊緣小的“半碟型”分布。

d. 基坑開挖會使大底盤多塔樓上部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，且整個開挖過程中筏板的變形呈對稱分布?；娱_挖深度較小時，基坑臨近的大底盤發(fā)生隆起變形，其他位置均發(fā)生沉降變形；隨著開挖深度的增加，塔樓向中間位置發(fā)生傾斜；基坑中心附近大底盤發(fā)生明顯的下凹變形，基坑開挖邊緣附近大底盤發(fā)生輕微的隆起變形。