, 关永平2, 贾鹏蛟11. 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819;
2. 中国铁路设计集团有限公司 市轨道交通设计研究院, 天津 300142
收稿日期：2018-02-28
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51578116);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N160106006)。
作者简介：韩健勇(1990-)，男，山东德州人，东北大学博士研究生;
赵文(1962-)，男，内蒙古乌兰察布人，东北大学教授，博士生导师。
摘要：基于现场实测数据和数值模拟对深基坑围护结构和既有建筑物的变形特性进行了研究.采用有限元方法建立数值计算模型, 结合现场实测数据和已有文献对邻近既有建筑物深基坑开挖变形规律进行参数分析, 全面揭示了不同工况下围护结构变形与建筑物沉降的关系.结果表明:桩锚支护结构在锦州地区深基坑应用效果较好, 控制变形能力强; 矩形基坑的坑角效应显著, 坑角处平面应变比(PSR)值约为0.4~0.6;建筑物基础埋深和基坑开挖深度对建筑物平均沉降(δva)与围护结构最大侧移量(δhm)的线性关系影响不大; 建筑物与围护结构距离L不同时, δva与δhm数据离散性较大, 随着L的增加, δva/δhm逐渐减小.
关键词：桩锚支护变形特性建筑物沉降数值模拟深基坑
Deformation Characteristics and Key Parameters of Deep Excavation Adjacent to Buildings with Shallow Foundations
HAN Jian-yong1, ZHAO Wen1
, GUAN Yong-ping2, JIA Peng-jiao11. School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. Urban Rail Transit System Design and Research Institute, China Railway Design Corporation, Tianjin 300142, China
Corresponding author: ZHAO Wen, E-mail: zhaowen@mail.neu.edu.cn
Abstract: Based on the in situ observation and numerical simulation, the deformation characteristics of the retaining structure of a deep excavation and the existing building were investigated. According to the in situ observations and available literatures, parametric studies were conducted using FEM to investigate the deformational behaviors of the excavation adjacent to existing building. The relationships between the deformation of the retaining structures and the settlement of the adjacent building under various construction conditions were fully revealed. Results showed that the tieback anchored pile wall has a good deformation control capacity and can be applied effectively in Jinzhou area. The corner effect of the rectangular excavation is significant with a plain strain ration (PSR)of about 0.4~0.6.The linear relationship between the average building settlement (δva) and the maximum horizontal deformation of the retaining structure (δhm) is slightly influenced by the existing foundation depth and the excavation depth. The discreteness of δva and δhm appears when the distance between the building and the retaining structure (L) changes, however the δva/δhm decreases gradually with the increase of L.
Key words: tieback anchored pile walldeformation characteristicsbuilding settlementnumerical simulationdeep excavation
随着近年来城市地下空间的不断开发, 越来越多的深基坑工程邻近既有敏感建构筑物, 如既有建筑物、地下管线、地铁区间隧道等, 对于基坑变形控制和周边环境保护提出更为严格的要求[1], 有必要对近接既有建筑物的深基坑变形特性进行研究.
文献[2-4]对基坑及周边环境变形特性进行了深入研究, 提出了不同的变形预测模型, 并总结了围护结构、地表沉降等与基坑开挖深度的关系.以上研究均为天然地表的变形特性, 考虑基坑后既有建筑物时, 受到建筑物基础形式、基底荷载、基础埋置相对位置等的影响, 基坑变形规律将更为复杂.Burland等[5]认为建筑物变形与基坑开挖引起的坑外土层位移直接相关, 并基于所引发的建筑物变形程度, 判定建筑物的破坏等级.文献[1, 6]分别从数值模拟和实测数据分析角度, 讨论了上海地区基坑施工对邻近建筑物变形影响的规律, 得到了邻近建筑物变形与围护结构间的关系.《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB50911—2013)中描述了大量实测数据统计结果, 将坑后地层划分为不同影响区, 但本文认为对于桩锚结构基坑仍需进一步探讨.
鉴于此, 本文结合锦州市某紧邻既有建筑物的深基坑工程, 基于现场实测数据研究近接浅基础建筑物深基坑施工对围护结构和邻近建筑物变形的影响.采用有限元数值方法分析了不同关键参数影响下的基坑和既有建筑物的变形关系, 以期为实际工程中控制围护结构变形及合理有效地保护周边环境提供理论依据.
1 工程背景1.1 工程概况某深基坑工程位于锦州市中央大街与广东街之间, 场地紧邻城市主干道与既有建筑物.基坑占地面积约为4 010.9 m2, 开挖深度约为14~15 m，见图 1.基坑周边布置桩体水平位移测点、桩顶水平位移测点和建筑物沉降测点, 测点布置如图 1所示.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 基坑平面图Fig.1 Plan view of excavation |
场地地貌属于大凌河冲洪积平原, 场地地形稍有起伏.场地各层土主要物理力学参数见表 1.场地内地下水类型主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水, 地下水稳定水位埋深为6.2~6.5 m.采取截水帷幕配合坑内管井井点降水方法进行人工降水.
表 1(Table 1)
 表 1 各土层物理力学参数Table 1 Mechanical parameters of soil layers
| 表 1 各土层物理力学参数 Table 1 Mechanical parameters of soil layers |
1.2 支护方案设计基坑支护结构采用混凝土排桩结合预应力锚索支护系统, 坡面及桩间辅以喷射混凝土支护.基坑支护结构剖面图见图 2.基坑南侧围护桩采用直径1 m的钢筋混凝土灌注桩, 桩间距1.5 m, 桩长18.5 m.基坑其余各边围护桩直径为0.8 m, 桩间距为1.3 m, 桩长为18.5 m.围护桩由5排预应力锚索锚固, 锚索采用3根7?5高强度低松弛钢绞线构成筋体, 锚孔直径为0.15 m, 与水平方向夹角为15°.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 基坑支护结构剖面图(mm)Fig.2 Profile of retaining structure of excavation |
围护桩后采用直径0.85 m的旋喷桩咬合施工作为截水帷幕, 旋喷桩间距为0.65 m, 咬合为0.2 m.每根桩上部含空钻4 m, 桩长13 m.
2 主要监测结果及分析2.1 围护桩体侧向位移本文选取基坑靠近建筑物一侧的桩体深层水平位移测点CX7, CX8和CX9进行分析, 测得的最大桩体侧移量分别为10.0, 12.6, 6.0 mm.CX9测点处围护结构距坑边较近(约9 m), 受到坑边土体约束产生坑角效应, 围护结构水平变形量较基坑中部偏小.
图 3为围护桩最大侧移量(δhm)和基坑开挖深度(He)的关系图.为讨论δhm与He之间的关系, 将文献[7-8]收集的大量基坑实测数据进行统计, 并根据围护桩(墙)的支撑形式划分为内支撑体系和拉锚体系.δhm大致为0.08%He, 支护结构控制变形能力强.文献[7-8]统计的基坑围护结构变形数据的变化范围较大, 数据离散性显著，δhm分别为(0.03%~0.5%)He和(0.13%~0.5%)He.其中文献[7]统计的基坑位于砂土(内支撑体系)和硬黏土(拉锚体系); 文献[8]统计的基坑大都位于台北, 属于典型的黏土、砂土交替地层.基坑支护结构设计水平和施工工艺落后, 造成围护结构变形较大.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 围护桩体最大水平位移与基坑深度的关系Fig.3 Relationship between maximum horizontal displacements of retaining piles and excavation depth |
文献[9]统计的变形数据变化范围有所减小, δhm基本介于(0.06%~0.28%)He.文献[9]统计的基坑所在土层为上层硬黏土、砂土, 下层风化岩石、软岩、硬岩等, 与本工程地质条件相近.文献[10]采用桩锚支护结构较普遍, 地层主要为中粗砂和圆砾.数据显示与本工程围护结构变形较一致, δhm约0.1% He.
可以看出, δhm随He的增加大致呈线性增长.并且, 随着施工工艺的不断提升, 基坑变形控制得到了明显改善.
2.2 围护桩顶水平位移本工程共布置18个围护桩顶水平位移测点(见图 1), 选取基坑南侧3个测点进行分析.将不同时间监测所得桩顶水平位移与距基坑坑角距离的关系进行统计, 见图 4.基坑的坑角效应对角部区域围护结构的变形约束较为显著, 主要集中在与坑角距离约25 m范围内.开挖不同阶段的桩顶水平位移基本位于图中阴影区域内, 阴影区域边界满足指数函数形式.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 桩顶水平位移与坑角距离的关系Fig.4 Relationship between horizontal displacement of pile head and distance from excavation corner |
为了探究基坑坑角效应, 文献[8]提出了基坑平面应变比(plain strain ratio, PSR)的概念, 即某一截面中围护结构侧移量与平面应变分析中的侧移量之比.选取文献[8]中尺寸与本工程相近的基坑(长×宽=80 m×60 m, He=16 m)进行对比(见图 5).由图可知, 本工程坑角效应影响范围约1.5倍的He, 比文献[8]研究的基坑要小.并且在基坑坑角位置, 本工程中PSR值约为0.4~0.6, 而文献[8]所得PSR值则接近于0.差异较大的原因主要在于围护结构的横向连接刚度.本文中排桩结合拉锚支护体系在横向连接方面较薄弱, 文献[8]进行有限元分析时则采用地下连续墙结构, 受邻边墙体和土体的约束作用更强.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 平面应变比与归一化距坑角距离的关系Fig.5 Relationship between PSR and normalized distance from excavation corner |
3 数值模型3.1 计算模型及参数考虑基坑开挖对周围地层的扰动及降水引起的渗流作用, 计算模型尺寸定为110 m×30 m.考虑对称性, 选取模型一半进行模拟.基本模型示意图如图 6所示.模型地表为自由面, 底面施加双向位移约束, 侧面施加法向位移约束.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 数值计算模型Fig.6 Numerical calculating model |
模型中杂填土、粉质黏土和圆砾采用土体本构模型:Hardening-Soil模型(HS模型), 本文圆砾取3 Eoedref=3 E50ref=Eurref, 杂填土和粉质黏土取2 Eoedref=2 E50ref=Eurref.E50ref则根据围护结构的位移反分析确定取值:E50ref=3 Es(E0).全风化砾岩和强风化砾岩采用Mohr-Coulomb模型, 其参数见表 1.
围护桩采用线弹性板单元模拟.采用等效截面抗弯刚度法将围护桩等效为连续墙, 等效截面厚度为0.73 m.采用界面单元考虑围护结构与土体间的相互作用, 界面强度折减因子Rinter设为0.67.围护桩后设置咬合旋喷桩, 采用实体单元模拟, 根据旋喷桩的有效厚度简化为0.6 m厚的连续墙.
模型中建筑物每层活荷载按《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)取值, 顶层活荷载取0.5 kPa, 其他层的活荷载取2.25 kPa, 考虑到传递到框架梁上墙体的重力, 每层楼板所加荷载为4.9 kPa(顶层除外).基坑围护结构和既有建筑结构材料弹性模量E和泊松比ν按照已有成果进行简化处理, 见表 2.
表 2(Table 2)
表 2 围护结构与建筑结构物理力学参数Table 2 Mechanical parameters of retaining structure and existing building
| 表 2 围护结构与建筑结构物理力学参数 Table 2 Mechanical parameters of retaining structure and existing building |
模型施工过程共13个计算步, 首先需进行初始地应力平衡, 施作围护桩和截水帷幕后, 基坑开挖、降水和锚索安装交替进行.
3.2 数值模型验证为验证数值模型的准确性, 根据实测数据对数值模型参数进行标定, 如图 7所示.可知, 基坑开挖至底后, 围护桩体水平位移计算值与CX8测得数据吻合较好, δhm分别为12.9和12.6 mm, 且最大桩体侧移位置出现在深度6~7 m.经对比, 计算结果与实测数据基本一致, 模型的准确性可满足研究分析要求.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 实测值与计算值对比曲线Fig.7 Curves of measured values and calculated values |
4 数值模拟结果及分析基于上述数值模型, 对建筑物变形与基坑围护结构变形间关系进行深入探究.本文针对不同建筑物基础埋深Hb及建筑物与围护结构距离L, 对29组工况下的199组建筑物平均沉降δva和围护结构最大侧移δhm数据进行整理.
4.1 建筑物基础埋深的影响图 8为L=13.5 m时, 不同建筑物基础埋深工况下的建筑物平均沉降值δva与δhm的关系.针对每个工况下6个不同开挖深度的计算变形结果进行整理发现, δva约为0.84δhm-2 mm.建筑物基础埋深Hb和基坑开挖深度He对δva与δhm的线性关系影响较小.本文监测结果及文献[6, 11]统计的上海软土地区内支撑支护结构基坑结果显示, δva/δhm的变化范围为0.84~0.4, 小于数值计算结果, 上海地区具有显著的围护结构侧移变形.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 不同建筑物基础埋深下δva与δhm的关系Fig.8 Relationship between δva and δhm for different existing foundation depth |
4.2 建筑物与围护结构距离的影响当考虑建筑物与围护结构距离L对δva与δhm的影响时, 数据显示离散性较大, 见图 9, δva的范围为(0.84δhm-2 mm)~ (0.2δhm-0.5 mm).随着L的增加, δva/δhm逐渐减小.当建筑物超出基坑主影响区域后, 即L＞37.5 m时, 建筑物沉降主要受降水固结影响, 受基坑开挖变形影响可忽略不计.
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 不同L下δva与δhm的关系Fig.9 Relationship between δva and δhm under different distances |
5 结论1) 本工程桩锚支护结构矩形基坑最大侧移量δhm为0.08%He, 排桩结合预应力锚索支护系统有效控制了基坑自身变形及对既有建筑物的影响.
2) 桩锚支护结构矩形基坑的坑角效应显著, 桩顶水平位移随坑角距离的增大满足指数函数形式, 坑角效应影响范围约1.5倍He, 坑角处桩顶水平位移PSR值约为0.4~0.6.
3) 当建筑物与围护结构距离L较小时, 建筑物基础埋深Hb和基坑开挖深度He对δva与δhm的线性关系影响较小.
4) 建筑物与围护结构距离L不同时, δva与δhm数据离散性较大, 随着L的增加, δva/δhm逐渐减小.
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