深基坑开挖对极近距离大型建筑物的影响及加固技术研究

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  摘要:为保护某地铁站附近大型建筑物,采用数值模拟技术分析深基坑开挖在有无双排桩加固条件下基坑附近地段的应力和位移分布规律,分析双排桩加固对基坑开挖应力场和位移场的影响规律以及对极近距离大型建筑物的保护作用,并在现场基坑开挖施工过程中设置测点,观测保护建筑物距基坑开挖边界不同距离处地表的下沉。研究结果表明:深基坑开挖时会对周围土体应力场和位移场产生大的扰动,附近应力变化梯度和位移变化梯度大,容易造成建筑的剪裂和倾倒;双排加固桩的存在阻止了保护建筑物侧土体的侧向变形,使得基坑开挖后建筑物地基土体内的应力值仍能保持在一相对较高水平,且应力改变梯度和位移改变梯度较小;数值计算和现场观测表明该地铁站极近距离大型建筑物采用的双排桩加固可以使保护建筑物地基土体变形范围限制在安全许可范围。
  关键词:深基坑 双排桩加固 稳定性 数值计算
  一、引言
  随着城市现代化建设的不断推进和经济水平的高速发展,城市交通面临着越来越大压力,许多城市地铁项目上马,一般来说,地铁多建于闹市区,周围建筑物、市政管线密集,几乎所有的项目都要遇到基坑开挖过程中的维护问题。由于大量的基坑工程集中在市区,施工场地狭小,环境条件复杂,周围不乏存在重要建筑,使得深基坑的设计或施工即使出现一些微小的差错,都有可能引起周围建筑物的沉降、开裂或局部损伤,因此基坑工程不仅要保证围护结构本身的安全,而且要保证周围建筑物的安全和正常使用。
  近年来,国内外学者给出了许多有益的基坑加固和建筑物保护的方法和案例,但是在具體施工和地质条件下,对基坑加固保护临近建筑物一直是一项的复杂难题。本文结合某市广场地铁站一期工程基坑开挖施工的实际情况,运用国际大型数值计算软件对深基坑在有无双排桩加固保护极近建筑物的开挖全过程进行仿真,分析开挖过程中基坑附近土体的应力场和位移场改变规律,并据此分析双排桩加固对近距离建筑物所起的保护作用,最后通过现场观测检验双排桩加固结构的可行性。
  二、工程背景
  国内某地铁站所处地质条件差,周围建筑物群密集,在北边距开挖边界8m处又一大型建筑物,如图1所示,该建筑物具有高度大、距离地铁站近的特性。
  站点整个基坑长度为161m,宽度为36m,主体结构为4柱5跨框架结构,基坑明挖土方3万方,盖挖土方约11.9万方,图1中C-C剖面上基坑结构尺寸如图2所示,其中C-C面为基坑与建筑物最近距离处横截面。
  车站所处地段为冲击平原,具有较厚的沉积土层,地表为2-5m厚的填土,其下部为0.5-2.8的厚粉土层;埋深4.3-26m处为厚约20m的淤泥质粉砂粘土;中部深度约26-40m为厚约10-14的可塑状粉质粘土。
  图1 基坑与保护建筑物相对位置图
  Fig.1 The relative location of foundation pit and building protected
  图2 基坑开挖剖面图
  Fig.2 The cross section of foundation pit
  三、数值计算模型
  根据该地铁站的工程背景,利用地质报告、施工设计和现场测量,确立模型的相对位置,为了更好的研究大型建筑受力和位移情况、分析基坑开挖的稳定性,以及确定加固方案的合理性,本文依据大型数值计算的建模原则,以前面所述C-C面工况建立数值计算模型(如图3所示)。
  图3 计算模型图
  Fig.3 numerical model
  整个模型长为320m,高85m,共划分单元10432个,节点13615个,模型底部为竖直方向位移约束,前后左右侧面为垂直侧面位移约束,上表面为自由表面。
  土层及支护结构的各物理力学参数如表1所示。
  表1 数值计算材料物理力学参数表
  Table 1 Mechanical parameters of material in the model
  图4 施工完成后模型网络剖分图
  Fig.4 Numerical model after foundation pit extraction
  考虑到面层和支护附近材料的不均匀及尺寸大小的差异,在支护面,连续墙和双排桩附近单元网格划分较密,计算模型和网格划分如图4所示。计算过程中首先平衡重力场,随后对基坑进行开挖和加固施工。
  四、有无桩加固对比分析
  通过对无桩和有桩模型的模拟计算,分别得出了两种模型应力和位移的模拟结果,为了能清楚直观的分析对比有无双排桩加固条件下该基坑开挖对附近建筑物的影响,分别从应力和位移的角度分析其稳定性。
  (一)应力特征
  图5 基坑完工后铅垂应力图(Pa)
  Fig.5 Nephogram of vertical stress after foundation pit extraction(Pa)
  基坑施工完成后的铅垂应力分布如图5所示。从图5中可以看出铅垂应力在基坑处发生较大波动,在远离基坑处铅垂应力分布基本呈静水压力状态,无桩时铅垂应力等值线在建筑物下方弯曲程度大于有双排桩加固,证明在无双排桩加固时同一水平高度上,建筑物地基上铅垂应力变化值较大,建筑物可能发生不均匀沉降,继而发生剪切破坏;打桩加固后,双排桩和连续墙附近铅垂应力明显增加,加固桩承受了较大载荷。
  图6 基坑完工后水平应力图(Pa)
  Fig.6 Nephogram of horizontal stress after foundation pit extraction(Pa)
  图6为基坑施工完成后的水平应力分布。从图6中可以看出水平应力在基坑处发生较大波动,在远离基坑处水平应力分布基本呈静水压力状态,无双排桩加固时时水平应力较小,打桩加固后,双排桩附近水平应力增大,对保护建筑物地基土体起到限制侧向变形和侧向滑动的作用。   图7 沿建筑物墙铅垂路径应力曲线
  Fig.7 Stress curve along the building wall in vertical
  为了了解双排桩加固后保护建筑物地基从浅到深的受力规律,选择大型建筑物最靠近基坑处向深部土层为路径,对有无双排桩情况下沿该路径的应力及差值曲线(如图7所示)进行分析。分析结果表明:在有无双排桩加固条件下铅垂应力和水平应力都随着深度的增加先增加,后逐渐趋于一稳定值,剪应力几乎保持为零,其中突变点的深度大约为52m,大约为基坑深度的两倍。双排桩加固条件下铅垂应力和水平应力在路径上从浅部到深部52m范围大于无双排桩加固,在52m以上深度范围应力值趋于一致。
  图8 沿建筑物墙铅垂路径应力增量曲线
  Fig.8 Stress increment curve along the building wall in vertical
  图8为沿建筑物墙铅垂路径上的应力增量曲线。由图可知,水平应力增量最大处位于深度约5m处,增大程度大约为52.3%,铅垂应力明显增大段位于深度12m到28m范围内,最大增大程度约为21.4%,剪应力改变程度最大位置分别为埋深6.57m处和25.78m处,改变程度分别为15%和12.5%。从承载能力方面来看,双排桩支护加强了保护建筑物地基的承载能力,提高了其地基上面所受载荷,有利于维护保护建筑物的稳定性。
  (二)位移特征
  图9 基坑完工后鉛垂位移图(m)
  Fig.9 Nephogram of vertical displacement after foundation pit extraction(m)
  基坑完工后的铅垂位移云图见图9所示。从图中可以看出基坑开挖造成了基坑附近土体卸压,从而周围土体向基坑内部挤压,形成似半圆体的位移场。无桩时的铅垂位移略大,且在保护建筑物底部铅垂位移沿垂直基坑走向的方向呈现大梯度的变化,从图上看具有台阶状的位移云图,而在采用双排桩加固情况下,基坑附近铅垂位移明显变小,且保护建筑物底部的台阶状位移云图消失,铅垂位移在保护建筑物底部沿垂直基坑走向的方向变化梯度明显减小。在同一水平高度铅垂位移变化率越大建筑物沿铅垂方向的剪切破坏性越大,建筑物的倾斜程度也越大,尤其是出现位移急剧变化处,建筑物墙面沿铅垂方向剪切断裂的可行性非常高。从铅垂应力云图上来看,采用双排桩加固后可以有效减小建筑物的倾斜程度和剪断可能性,有利于维护保护建筑物的稳定。
  图10 基坑完工后水平位移图(m)
  Fig.10 Nephogram of horizontal displacement after foundation pit extraction(m)
  图10为基坑完工后水平位移云图。据图可知,基坑完工后,基坑附近形成了大的水平位移场,整体趋势为,基坑左边的土体产生向右的水平位移,而基坑右边的土体产生向左的水平位移,在没有保护建筑的一侧,在基坑深度一半的深度水平基坑的水平位移变化梯度最小,而在有保护建筑物的一侧基本不存在水平位移变化梯度较小的深度水平。对比有无双排桩加固方案可以明显的看到,在有双排桩加固条件下保护建筑物下方地基水平位移沿垂直基坑走向的方向变化梯度明显减小。在同一水平高度水平位移变化率越大建筑物沿铅垂方向的张拉破坏性越大,尤其是出现位移急剧变化处。从水平应力云图上来看,采用双排桩加固后有效地限制了保护建筑物地基的水平变形和移动,可以有效减小建筑物的张拉破坏的可能性,有利于维护保护建筑物的稳定。
  图11 沿建筑物墙铅垂路径位移曲线
  Fig.11 Displacement curve along the building wall in vertical
  为了了解双排桩加固后保护建筑物地基从浅到深变形和移动规律,选择大型建筑物最靠近基坑的墙向深部土层为路径,对有无双排桩情况下沿该路径的位移及差值曲线(如图11所示)进行分析。分析发现:在有无双排桩加固条件下水平位移都随着深度的增加先增加,后逐渐趋于一稳定值,而铅垂位移则是随着深度的增加想增大后减小,其中突变点的深度大约为28m,大约为基坑的深度。双排桩加固条件下铅垂应力和水平应力在路径上从浅部到深部都小于无双排桩加固,在80m以上深度范围应力值趋于一致。
  图12沿建筑物墙铅垂路径位移增量曲线
  Fig.12 Displacement increment curve along the building wall in vertical
  图12为沿建筑物墙铅垂路径上的位移增量曲线。由图可知,水平位移减小最大处位于深度约4.72m处,减小程度大约为96.3%,铅垂位移明显减小段位于深度0m到34m范围内,最大增大程度约为11.7%。从限制变形和移动能力方面来看,双排桩支护组织了保护建筑物地基的变形和移动,有利于维护保护建筑物的稳定性。
  五、现场观测与对比
  在采用桩对建筑物基坑侧进行现场加固施工过程中,为了了解加固后建筑物所处地表的沉降效果,通过设置沿基坑不同垂直距离的测点来观测建筑物地表的下沉情况。该地铁站基坑开采采用分段开挖,交叉施工,保护建筑物最近范围位于基坑开挖的第六段。
  图13 沿垂直基坑走向不同距离地表下沉曲线
  Fig.13 Subsidence curve in points of different distance to the foundation pit
  沿垂直基坑走向方向保护建筑物地表下沉曲线见图13。由图可知,各个测点随着时间的推移下沉量逐渐增大,距离基坑最近的观测点(即距基坑8m处)地表下沉前期较慢,随着时间的推移,地表下沉逐渐加快,最终其下沉量达到所有观测点的最大值。观测点下沉曲线整体规律为距离基坑越远下沉量越小。   图14 不同观测点随时间下沉曲线
  Fig.14 Subsidence curve in different observation points with time
  从监测数据可以看出建筑物附近整体沉降明显,最大沉降达到-50.7mm,最小沉降-7.2mm,没有超过100mm的施工要求。距建筑物最近基坑路段开挖200天后沉降趋于稳定,其中140天到210天这一阶段沉降量最大。建筑整体明显存在差异沉降,靠近基坑处沉降明显大于远离基坑处的沉降,这种沉降很容易把建筑物剪裂,所以在繁华地段开挖基坑有必要对建筑物进行检测和采取必要的保护措施。
  六、结论
  本文通过对国内某地铁站基坑的开挖模拟,对比分析有无双排樁加固保护近距离大型建筑物条件下土层的受应力和位移情况,结果表明:在对基坑进行双排桩加固之后,沿建筑靠近基坑一侧地下连续墙铅垂方向路径地基上应力都有明显提高,且向深部转移,桩加固后限制了土体的侧向位移,提高了土体的侧下围压,使土体承载能力增大。沿建筑物下方不均匀沉降得到有效控制,水平和铅垂位移都有显著减小,很大程度上避免了基坑开挖对建筑的破坏,有效的保护了基坑附近建筑的安全。此外通过现场观测分析基坑开挖后周围建筑物的真实沉降情况,表明沉降规律基本符合模拟结果,且均满足施工要求。双排桩加固对基坑附近的建筑稳定起到了良好的效果,为日后同类情况下基坑施工提供参考。
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