復(fù)雜條件下深基坑開挖對古建筑影響及變形控制*

方能榕,李繼光,藍(lán)燕金,余國梁,李緣昊,林 熙

(1.中國建筑第八工程局有限公司,上海 201200;2.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,福建 福州 350108)

本文基于福州某一建筑深基坑工程場地內(nèi)存在2棟文物保護建筑的特殊情況,提出針對性的基坑支護方案,并采用數(shù)值模擬方式對基坑施工過程進行研究,分析基坑開挖對鄰近文物保護建筑的影響,并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)對基坑支護方案的合理性進行進一步驗證,為工程技術(shù)人員提供參考。

1 工程概況

1.1 建筑深基坑工程周邊環(huán)境

某建筑深基坑工程周邊環(huán)境如圖1所示,該基坑工程場地東側(cè)為較場路,場地南側(cè)為大樟溪,場地西側(cè)為沙浮路,場地北側(cè)為已建東方城及泰盛豪庭住宅。該項目用地紅線內(nèi)存在文物保護建筑裕源厝及天后宮,為保護該文物保護建筑,對其周邊設(shè)置4m保護線。

圖1 位置關(guān)系示意

1.2 建筑深基坑工程設(shè)計概況

該工程位于福州市,擬建8棟33層住宅及其附屬商業(yè)樓、2棟8層住宅及其附屬商業(yè)樓、1～2層社區(qū)配套用房,總建筑面積約208 811m2,建筑物高度約99m,其中地上33層,設(shè)2層地下室。

該基坑支護結(jié)構(gòu)安全等級為一/二級,基坑周長約1 020m,開挖深度7.2～8.7m。由于該場地空間較開闊,對于遠(yuǎn)離文物保護建筑物的區(qū)域基坑支護方案采用放坡/土釘墻支護方式;對于文物保護建筑物周邊剖面采用灌注樁+錨桿/鋼筋混凝土對撐/鋼斜撐支護方式,其中裕源厝及天后宮中間區(qū)域采用灌注樁+鋼筋混凝土對撐支護方式,對于天后宮其余區(qū)域采用灌注樁+鋼斜撐支護方式,對于裕源厝其余區(qū)域采用灌注樁+錨桿支護方式。

文物保護建筑物周邊典型剖面如圖2所示。

1.3 場地工程地質(zhì)條件

場地地貌屬于丘陵地貌,擬建場地地基土主要有①雜填土、②凝灰?guī)r殘積黏性土、③全風(fēng)化凝灰?guī)r、④砂土狀強風(fēng)化凝灰?guī)r、⑤碎塊狀強風(fēng)化凝灰?guī)r、⑥中風(fēng)化凝灰?guī)r,場地巖土層分布及典型斷面巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

1.4 場地水文地質(zhì)條件

場地地下水類型可劃分為上層滯水及孔隙、裂隙潛水2種類型,上層滯水主要賦存于①雜填土中,孔隙潛水主要賦存于②凝灰?guī)r殘積黏性土層、③全風(fēng)化凝灰?guī)r、④砂土狀強風(fēng)化凝灰?guī)r,裂隙潛水主要賦存于⑤碎塊狀強風(fēng)化凝灰?guī)r、⑥中風(fēng)化凝灰?guī)r中。穩(wěn)定水位埋深為0.30～10.58m。

2 施工影響分析

2.1 分析假定

本文采用二維有限元軟件對上述工程建立二維模型進行模擬分析,研究建筑深基坑施工對鄰近文物保護建筑的影響。

整個模型建立過程基于如下假定。

1)土體在自重作用下產(chǎn)生的變形和應(yīng)力在開挖前已完成,在計算中不予考慮,且不考慮土體變形的時間效應(yīng)。

2)錨桿采用Embedded樁單元模擬,灌注樁采用板單元,鋼筋混凝土內(nèi)支撐、素混凝土傳力帶采用錨定桿單元,混凝土重度為25kN/m3。

3)土體本構(gòu)模型方面。土體均采用硬化土本構(gòu)(plastic-hardening model),對應(yīng)硬化土本構(gòu)模型,土層重度及強度參數(shù)指標(biāo)按表1取值,對于剛度參數(shù)E50,Eoed,Eur,基于工程經(jīng)驗,對雜填土及殘積土按Es1-2∶E50∶Eoed∶Eur=1∶1∶1∶5取值,對風(fēng)化巖按Es1-2∶E50∶Eoed∶Eur=1∶1∶1∶3取值。

4)建筑荷載取20kPa,場地超載取10kPa。

2.2 模型工況

根據(jù)以上所述,結(jié)合文物保護建筑周邊支護典型剖面進行建模,模型如圖3所示。

圖3 模型土體及結(jié)構(gòu)示意

對于剖面1,該模型工況可分為:①初始地應(yīng)力平衡;②圍護樁及鋼筋混凝土內(nèi)支撐施工;③開挖1(開挖至相對標(biāo)高-3.000m);④施工第1道錨桿;⑤開挖2(開挖至相對標(biāo)高-5.800m);⑥施工第2道錨桿;⑦開挖3(開挖至坑底);⑧施工素混凝土傳力帶;⑨拆除鋼筋混凝土內(nèi)支撐。

對于剖面2,該模型工況可分為:①初始地應(yīng)力平衡;②圍護樁施工;③開挖1(開挖至相對標(biāo)高-2.500m); ④除預(yù)留土臺外土體開挖(開挖2,開挖至坑底標(biāo)高-7.550m);⑤施工鋼斜撐;⑥挖除預(yù)留土臺;⑦施工素混凝土傳力帶;⑧拆除鋼斜撐。

2.3 安全判定標(biāo)準(zhǔn)

對于土體地表沉降,依據(jù)GB 50497—2019《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,基坑設(shè)計安全等級為一級時,地表豎向位移監(jiān)測預(yù)警值為25～35mm,本文取25mm作為允許值。

對于建筑沉降,依據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中第9.3.1條規(guī)定當(dāng)無地方工程經(jīng)驗時,對于風(fēng)險等級較低且無特殊要求的建(構(gòu))筑物,沉降控制值宜為10～30mm,本文取10mm作為允許值。

對于建筑傾斜,依據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》,處在中、低壓縮性土區(qū)域的砌體承重結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的局部傾斜變形允許值為0.002。

對于基坑支護圍護樁頂部(深層)水平位移,依據(jù)《福州市深基坑與建筑邊坡工程管理暫行規(guī)定》(榕建筑〔2010〕13號),對于一級基坑,取20(40)mm和0.2%(0.3%)的基坑深度的較小值,本文基坑最小深度為7.2m,依據(jù)最不利原則,圍護樁頂部水平位移取限值為0.2%×7.2m=14.4mm,圍護樁深層水平位移取限值為0.3%×7.2m=21.6mm。

2.4 模型結(jié)果分析

1)土體變形 土體拆撐工況對應(yīng)的土體變形云圖如圖4所示,可發(fā)現(xiàn),拆除內(nèi)支撐后,對于剖面1,土體最大水平變形為-13.64mm,土體最大豎向隆起變形為11.15mm,最大沉降變形為5.86mm;對于剖面2,土體最大水平變形為-12.08mm,土體最大豎向隆起變形為11.23mm,最大沉降變形為6.23mm,均滿足深層水平位移≤21.6mm的要求。

圖4 拆撐工況土體變形結(jié)果云圖

2)圍護樁樁身變形 選取圖3所示1,2,4號圍護樁,提取各開挖及拆撐工況樁身側(cè)向變形數(shù)據(jù),其變形曲線如圖5所示?？砂l(fā)現(xiàn),隨著土體的開挖,樁身側(cè)向變形逐漸增加,最大變形發(fā)生于灌注樁+鋼斜撐支護剖面及灌注樁+內(nèi)支撐支護剖面的拆撐工況,分別為13.64,13.35mm,均滿足圍護樁頂部水平位移≤14.4mm 及樁深層水平位移≤21.6mm的要求。

圖5 樁身側(cè)向變形曲線

3)鄰近建筑變形 不同工況地表沉降變形曲線如圖6所示,可發(fā)現(xiàn),對于剖面1,隨著基坑開挖及拆撐,地表沉降隨之增加,最大變形發(fā)生于拆撐工況,值為5.83mm,建筑最大沉降為5.11mm,最大附加傾斜度為0.000 5;對于剖面2,隨著基坑開挖及拆撐,地表沉降隨之增加,最大變形發(fā)生于拆撐工況,值為6.18mm,建筑最大沉降為6.09mm,最大附加傾斜度為0.000 3,均滿足地表沉降≤25mm、建筑沉降≤10mm及建筑傾斜度≤0.002的要求;各工況文物保護建筑的沉降變形均在安全范圍內(nèi)。

圖6 地表沉降云圖

3 監(jiān)測對比分析

該工程施工過程中對樁身、深層土體位移、鄰近建筑沉降及位移、坡頂變形等項目進行了監(jiān)測,在此對樁身水平位移及建筑沉降進行數(shù)值計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比分析。

針對樁身水平位移及建筑沉降的監(jiān)測方案如下。

3.1 樁身水平位移

樁身水平位移監(jiān)測采用直徑70mm且長度與支護樁深度基本相同的測斜管,將測斜管埋設(shè)于支護樁中,以監(jiān)測基坑開挖引起的支護樁側(cè)向位移,共布設(shè)29個監(jiān)測點。在基坑開挖期間,當(dāng)開挖深度≤H/3時,監(jiān)測頻率為1次/(2～3)d;當(dāng)H/3≤開挖深度≤2H/3時,監(jiān)測頻率為1次/(1～2)d;當(dāng)開挖深度>2H/3時,監(jiān)測頻率為1～2次/d。

3.2 建筑沉降

對于建筑沉降的監(jiān)測采用專用測量釘或選用標(biāo)志點布設(shè)在建筑結(jié)構(gòu)柱或墻體的方式,對裕源厝布設(shè)13個沉降監(jiān)測點,對天后宮布設(shè)6個沉降監(jiān)測點。監(jiān)測頻率同樁身水平位移一致。

該基坑開挖完成時,樁體水平位移的有限元計算值與現(xiàn)場實測值如圖7a所示,可看出,實測樁水平位移最大值為13.55mm,與有限元計算值對比可發(fā)現(xiàn):樁身實測水平位移最大值與有限元計算得到的樁身水平位移最大值13.64mm基本相當(dāng),且都呈現(xiàn)樁頂大、沿深度逐漸減小的分布規(guī)律。

圖7 監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對比分析

該基坑開挖完成時,建筑沉降的有限元計算值與現(xiàn)場實測值如圖7b所示,可看出,實測建筑沉降最大值為4.18mm,與有限元計算值對比可發(fā)現(xiàn),建筑實測沉降最大值略小于有限元計算得到的建筑沉降最大值6.18mm;數(shù)值模擬結(jié)果及監(jiān)測數(shù)據(jù)均表明,文物保護建筑在基坑開挖期間產(chǎn)生的沉降量均處于控制值內(nèi),該支護方案可保證文物保護建筑安全。

4 結(jié)語

本文針對福州某鄰近文物保護建筑的深基坑工程,采用數(shù)值模擬方式對基坑施工對鄰近文物保護建筑的影響進行了研究,得到以下結(jié)論。

1)對文物保護建筑物設(shè)置4m的保護線,并采用灌注樁+錨桿/鋼筋混凝土對撐/鋼斜撐支護方式可控制對周邊文物保護建筑的變形。

2)依據(jù)灌注樁+錨桿/鋼筋混凝土對撐/鋼斜撐等支護方案對該基坑進行施工,土體變形、樁身變形及鄰近建筑變形均滿足國家及福州市相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求。

3)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果的對比分析,有限元計算結(jié)果與實測結(jié)果規(guī)律一致,較吻合。