黄土地区复杂基坑工程施工模拟及周边建筑物安全性评估*

牛建辉，田鹏刚，杨永林，王勇华，蒲靖

(1.陕西建工控股集团未来城市创新科技有限公司,西安 712000;2.未来城市建设与管理创新联合研究中心,西安 712000;3.机械工业勘察设计研究院有限公司,西安 710021)

随着城市现代化建设的进程加快,我国对地下空间与资源的开发与利用越来越高,同时对基坑工程技术的要求随之提高。而基坑开挖对周围环境的影响是一个不可忽视的问题,特别是在饱和软黄土地区,由于土体的特殊性质,基坑开挖会导致土体的弯曲变形、滑移变形和沉降变形,对周边建筑物和管线造成不利影响,甚至引发工程事故[1]。因此,对饱和软黄土地区的深基坑工程进行施工模拟及周边建筑物安全性评估是一项重要的工程技术问题,对于保证基坑工程的安全施工和周边环境的安全保护具有重要意义。

桩锚支护结构是一种常用的基坑围护结构形式,由钢筋混凝土桩和锚索组成,桩与锚索形成一个紧凑的支护体系,具有较强的抗弯强度和抗剪强度,能够有效地承受土体的水平压力和竖向荷载[2]。桩锚支护结构由多层锚索提供水平支撑力,能够有效地控制基坑的变形,降低基坑的位移和应力,提高支护刚度[3]。桩锚支护结构适用于各种土质条件和基坑深度,尤其是在复杂环境下具有明显的优势[4]。不同学者围绕深基坑设计和施工展开了一系列研究,文献[5]考虑了软弱夹层地质条件对深基坑工程的影响,提出了适用于此地质条件的支护方案,有效解决了基坑工程支护难题。文献[6]采用数值模拟与施工监测相结合的方式,探讨了某车站基坑工程的基坑变形规律,为深基坑工程的施工提供了可靠的技术支持。文献[7]通过对地铁基坑工程的监测和研究,揭示了基坑工程变形规律的内在机理和影响因素。文献[8]对武汉某深基坑工程进行了数值模拟和现场监测,强调了这两种相互验证的重要性,为深基坑工程的支护设计和施工提供了更为可靠的依据。文中以西安市某高层商业楼项目为研究对象,该基坑工程位于饱和软黄土地区,周边环境复杂,存在多种地下管线和建筑物。FLAC3D是一种基于有限差分法的三维连续介质分析软件,能够模拟岩土材料在复杂加载条件下的非线性、大变形和破坏行为[9-11],基于FLAC3D对基坑开挖过程进行了三维数值模拟,并与实际监测数据的对比,揭示采用桩锚支护结构的基坑土体变形规律,对邻近建筑物和管线的安全进行有效评估,为黄土地区复杂深基坑工程提供参考借鉴。

1 工程概况

1.1 工程概况及地质条件

文中以西安市某高层商业楼项目为研究对象,该项目地下室深度达到12.5 m。该基坑工程东西长约178 m,南北宽约138 m,基坑周长约545 m,深度12.52～15.52 m,基坑安全等级为一级,属临时性基坑支护,支护面积约为7 729 m2。该基坑北侧相邻的商业住宅小区基础埋深为5.5 m,开挖边线距地下室外墙1.77 m,距主楼19.6 m;基坑东北角开挖边线距居民楼8.53 m;基坑东南侧、南侧及西侧相邻市政道路,开挖边线距围墙最近3.8 m,距市政道路约12.0 m,本工程平面示意图如图1所示。

图1 本工程项目平面示意图

表1 土层力学参数

1.2 支护方案的选择

该工程周边环境复杂,邻近多种地下管线和建筑物。为了保证基坑的稳定性、控制基坑的变形、减小基坑开挖对地铁结构的影响、减少对周边环境的干扰,该项目采用了桩锚支护结构作为基坑围护结构,桩锚支护结构由钢筋混凝土桩和锚索组成,桩与锚索形成一个紧凑的支护体系,锚杆长度为10 m,锚杆间距为2 m,锚杆层数为4层,具有较强的抗弯强度和抗剪强度,能够有效地承受土体的水平压力和竖向荷载。桩锚支护结构由多层锚索提供水平支撑力,能够有效地控制基坑的变形,降低基坑的位移和应力,提高支护刚度。

2 基于FLAC3D的基坑工程数值模拟

2.1 计算模型建立

为了更好的评估基坑开挖对周围建(构)筑物的影响,更全面地分析基坑施工的空间效应,对整个基坑进行了三维数值模拟。本计算模型底部到基坑底部距离为基坑开挖深度的4倍,基坑外侧水平方向是取开挖深度的5倍。同时为了方便在FLAC3D中进行边界约束,还对边界几何进行适当的放大。考虑到A-B-C-D约有1.5～2.5m左右的放坡(坡度1∶0.5),坡顶距离基坑内边缘约为2.7 m,因此基坑开挖南北约136 m,东西约176 m,开挖深度12.57 m。三维数值模型分别如图2所示。模型采用的最小网格单元为1 m,最大为10 m,总网格数量约为25万,计算精度较高的六面体网格约8万。

图2 基坑三维数值模型图

2.2 计算参数与计算假定

场地经平整后,采用统一标高406.5 m。A-B-C-D区域采用先放坡(坡高1.5 m,坡度1∶0.5),坡面支护采用两排摩擦钉加喷射混凝土面层(C20混凝土80 mm厚),为方便施工,坡底设置宽约1 m的平台。平台边缘打设单排围护桩,桩顶设置冠梁,桩身范围从上至下设置四道道预应力锚索,锚索端部固定在由两根25a工字钢形成的腰梁上,再喷射混凝土面层(C20混凝土100mm厚)。D-E-F-A则在地面标高处直接设置围护桩,围护桩相应设计同上。相应的摩擦钉和锚索参数分别见表2～表3。

表2 摩擦钉几何及材料参数

表3 锚索材料参数

护坡桩形成的围护结构虽然由单根桩组成,但他的受力形式与地下连续墙相近,因此可以用抗弯刚度等效的原则,将灌注桩围护结构折算成一定厚度的地下连续墙。相应的折算公式为[11]

(1)

式中:h为折合后的地下连续墙厚度;t为两根围护桩之间的净间距;D为围护桩的直径。折合后相应区段连续墙的参数见表4。相应的连续墙和锚杆如图3所示,靠近维护结构的部分是锚索的非锚固段。

表4 地连墙主要参数

图3 围护结构和锚索(仅第一层)示意图

根据数值模拟的实际情况,土质力学参数选取表1相关数据。为了便于分析基坑的变形,对桩锚支护的深基坑模型进行了相应的假定:1) 不考虑同一土层水平方向厚度及性质的变化,即基坑开挖影响范围内的各个土层假设为均匀的、各向同性的弹塑性体;2) 在数值模拟时,选择Mohr-Coulomb模型当作土体的本构关系,支护结构均按理想的弹性材料考虑;3) 在进行基坑开挖和支护的过程中,假设土体参数、支护结构的参数均不发生变化。4) 模型底部和四周设置固定边界,顶部设置自由边界。

2.3 施工工况

基坑施工共分为1个初始分析步和4个开挖步,具体计算步骤见表5。

表5 施工工况模拟步骤

初始分析步用于分析初始场地自重应力、周围建筑、管线以及围护结构对基坑赋存环境的影响。计算完成后,需要将位移清零,但是保留这些构筑物产生的应力场[12-13]。然后进行4个开挖步的分析,采用动态松弛法模拟开挖过程,每个阶段开挖后,进行平衡迭代,直到位移和力量收敛,然后设置锚杆或支撑,并进行注浆或预紧,再进行下一个阶段的开挖。预应力锚索的模拟是通过在非锚固段施加实际的锚固力,然后通过计算直至达到平衡。分析过程中通过监控系统中平均最大不平衡力,以及最大不平衡力和实际荷载的比值(计算中一般取0.000 1)来判断分析结果是否达到平衡状态,如图4所示给出了各阶段的最大不平衡力的变化,表明地层土体在每阶段开挖支护结束后均处于稳定状态。

注:step 1-2是指初始分析步中设置围护结构

2.4 计算结果与分析

根据上述模拟步骤,对基坑开挖过程进行了三维数值模拟,得到了不同工况下基坑X向(水平)、Y向(竖直)的位移场分布,如图5、图6所示。

图6 不同工况下Y向位移云图

由图可知,X向水平最大位移出现在EA段,基坑开挖结束后,最大位移约为32 mm。位移的分布呈中间最大,然后向两侧逐次递减。受边坡两侧挤压作用,最终位移约为6 mm,仅有最大位移的四分之一;Y向最大的竖向位移出现在CE段(东南方向),开挖结束后,最大位移约为18 mm,同样出现在中部位置,两侧位移约为6 mm,为最大位移的三分之一。

水平位移主要集中在基坑边缘和桩后土体,竖向位移主要集中在基坑底部和周边地表。这表明基坑开挖导致了土体的弯曲变形、滑移变形和沉降变形。水平位移和沉降量的最大值分别出现在桩后土体的上部和基坑底部。这些变形值都在允许范围内,表明桩锚支护结构能够有效地控制基坑的稳定性。

通过上述数值模拟得到不同工况下的塑性变形如图7所示。由图7可知,在开挖过程中,基坑底面表层和顶面表层由于开挖卸荷引起一定的张拉破坏。塑性区主要集中在管道附近和无建筑物的一侧,因此有必要对管道附近和无建筑物一侧的土层加强支护并且加强变形监测。而塑性区未达到周边建筑物,表明其基坑开挖对周边建筑物的影响较小,表明该桩锚支护结构可有效减小周围建筑物的不均匀沉降。

图7 不同工况下的塑性分布图

3 重点监测及安全评估

3.1 重点监测部位与模拟对比分析

通过上述数值模拟分析确定了该工程基坑变形及周边建筑物变形规律,根据上述分析确定了基坑变形及周边建筑物主体沉降全程监测点22个,如图8所示。分别监测统计了不同监测点的累积沉降量、水平位移量。与其对应监测点的数值模拟对比如图9、图10所示。

图10 监测与数值模拟的水平位移量对比

由图9可知,当周围有建筑物时,由于既有建筑物基础的阻挡作用,累计沉降量比实测结果小,当周围无建筑物时,累计沉降量和实际监测结果吻合度较高。阴角位置沉降较基坑边其他位置小,主要是由于阴角处存在明显的空间效应,即一条坡壁的变形会受到另一条坡壁的约束影响从而导致阴角的变形变小。由图10可知,当周围存在建筑物时,数值分析结果较实际监测结果偏小50%,而当周围无建筑物时,数值分析结果较实际监测结果偏大。总体而言,数值模拟的结果能部分反映基坑开挖时的变形规律,可为黄土地区复杂环境基坑工程的设计、支护结构的选型及邻近建筑的安全性评估提供一定的参考价值。

3.2 周边建筑物安全评估

为了保证开挖过程中不至于影响周围建筑物的安全使用,对临近两幢建筑物沉降和两条既有管线进行了监测与变形分析,相应的监测点布置如图11所示。相邻建筑物的沉降量与整体倾斜角度见表6。由表可知,建筑物最大沉降值为0.64 mm<200 mm,最大倾斜角度为0.001 7°<0.003°,符合《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)相关限值要求[14]。

表6 建筑物监测点沉降量与倾斜角度Tab.6 Settlement values and tilt angles of the building at the monitoring points

图11 邻近建筑物与管线监测点布置图

由前面数值模拟可知,AB段管线变形较大,监测得到的AB段管线的累积变形量如图12所示。

图12 AB段管线各方向累积变形图

由图12可知,经支护后,邻近的AB向管线的X向变形较大,出现在基坑边缘中部附近沉降量相对较小。最大差异沉降和倾斜角度分别为5.7 mm<15 mm和0.03°<0.172,满足市政部门和建筑基坑支护规定[15]。

4 结 论

以西安市某高层商业楼项目为研究对象,对黄土地区复杂基坑工程的施工模拟及周边建筑物安全性评估进行了分析,得到的主要结论如下。

1) 基于FLAC3D软件对基坑开挖过程进行了三维数值模拟,得到了基坑的位移场、塑性分布和周边建筑物的沉降变形,为基坑工程的设计与支护结构的选型提供指导。

2) 通过与实际监测数据的对比,模拟得到的沉降量和水平位移与实际监测的变化规律相同,验证基于FLAC3D三维模型的可靠性和有效性,可较好的预测基坑开挖过程和对邻近建筑物的影响。结果表明,水平位移和沉降量的最大值分别出现在桩后土体的上部和基坑底部,均满足规范要求。桩锚支护结构能够有效地控制基坑的稳定性和变形,降低基坑开挖对周边环境的影响,保证了邻近建筑物和管线的安全。