深基坑开挖对临近建筑物影响的数值模拟分析

王春婷

(广东省建筑设计研究院，广东广州　510000)



深基坑开挖对临近建筑物影响的数值模拟分析

王春婷

(广东省建筑设计研究院，广东广州510000)

摘要:为了优化地铁车站深基坑施工方案，应用Flac3D研究了基坑开挖过程中自身的稳定性及其对临近建筑物稳定性的影响，通过分析其开挖后自身应力与位移变化和临近建筑物基础的位移变化情况，提出基坑开挖后影响自身稳定性和临近建筑物安全的关键位置，以便制定出有针对性的控制措施。

关键词:深基坑，临近建筑物，沉降位移，数值模拟

0　引言

基坑开挖过程就是土体原始应力的破坏、变化、再次达到平衡的一个过程。基坑开挖过程中由于土体应力的变化转移，导致坑内的边角产生应力集中，一般使坑内底部的中心发生隆起，其隆起的大小是影响基坑稳定性的重要指标。同时随着基坑开挖深度的不断加大，坑外的土体也会产生变形，对周围建筑物的稳定性产生影响。坑外土体的水平方向的位移和垂直方向的位移均将会造成基坑周围建筑物产生位移，由于位移的不均性将造成建筑物的自身产生附加应力，当此应力值超出特定值时，建筑物会发生开裂，最终导致建筑发生损坏，严重威胁居民的生命安全。

本文结合某地铁车站深基坑工程实际情况，采用Flac3D在深基坑开挖过程中对周围建筑物进行布点监测，分析基坑开挖过程中自身的稳定性和对周围建筑物的影响，进而提出合理的基坑施工方案，提出有针对性的控制措施。

1　工程概况

该车站基坑设计长270 m，宽35 m，深21 m，紧邻车站南侧有一栋4层高民用建筑(见图1)。最近点距车站边缘约为19 m。框架混凝土结构，分析中采用筏板基础形式。基坑开挖设计分五个步骤完成，第一步开挖2 m，第二、三步均开挖6 m，第四步开挖4 m，最后一步开挖3 m。车站围护结构形式设计为车站主体基坑选用连续墙+内支撑的支护形式。

图1　基坑与周围建筑位置图（单位：m）

2　数值模拟计算

2．1模型建立

考虑软件计算速度的原因，模型从中间对称点取有建筑一侧，最外侧与建筑保留距离约30 m，如图2所示。根据土体力学理论可知基坑开挖影响区域尺寸一般为3倍～5倍最合理，同时能满足数据精度和计算速度的要求，因此模型大小为270 m×180 m× 25 m(长×宽×高)，模型产生47 378个单元，38 060个节点。

2．2计算模型及参数选取

图2　计算模型图

土体计算本构模型采用Mohr-Coulomb模型，地连墙及内支撑采用弹性模型。土体计算参数取于地质勘察报告，如表1所示，其他构件参数取通用实验室参数。

表1　土层的物理力学参数

3　计算结果分析

3．1应力分析

图3　最大应力分布云图

如图3所示为该基坑开挖后最大应力云图，由图3可知，在基坑的底部边角均产生较大的应力集中，而基坑底部的中间产生了拉应力，其值为0．5 MPa;基坑靠近地表附近产生了拉应力区，其值为1．0 MPa，超出该位置土体本身的抗拉强度，易发生顶部垮塌，需加强支护;在基坑的端部边帮产生了最大应力分布区，其值为2．453 MPa，远超出该位置土体的极限抗拉强度，易发生垮帮现象，施工时应加强该位置的支护。同时，基坑周边的民用建筑基础出现了部分拉应力分布区，在距离基坑远端位置拉应力区基本贯通，在近端其拉应力区未贯通，且拉应力区的值为0．25 MPa，由应力判据可知建筑物基础基本能保持稳定。

因此，基坑在开挖过程中应加强其边帮和底部的支护，以保证其自身的稳定和降低对周边建筑物的影响。

3．2位移分析

图4　水平方向位移云图

图5　竖直方向位移云图

图4，图5分别为基坑开挖水平方向和竖直方向位移云图。由水平位移云图可知，基坑底部受应力集中其两侧均产生较大的水平位移，分别为30．2 mm和26．7 mm，周边建筑物产生均匀的位移变形，整体稳定性相对较好。由竖直位移云图可知，在基坑底部有较大的隆起，其位移量达150 mm，其端部产生最大隆起位移量，其值达199 mm。基坑周边的建筑物在垂直方向的位移量较小，且分布均匀，表明其整体稳定性较好。

在建筑物基础的各角点位置分别布置监测点，分别监测其水平位移和竖直位移，如图6，图7所示。

图6　建筑物基础水平位移监测点布置位置

图7　建筑物顶部竖直位移监测点布置位置

图8为建筑物基础监测点水平位移变化曲线，由图8可知，在靠近基坑端水平方向位移先为正值后为负值，即随着基坑的开挖，建筑物基础先向靠近基坑方向运动然后向远离基坑方向运动，其变化幅值相差较小，表明基坑施工过程中应及时跟进对侧帮的支护;而在距离基坑远端水平方向位移为负值，即建筑物基础向靠近基坑方向运动，其最大值为30 mm，由此表明基坑侧帮的支护对控制其附近的位移量有效，对远端的作用较小。因此，在施工中可适当采用长锚索支护，以增加其支护控制范围。

图9为建筑物基础监测点沉降位移变化曲线，由图9可知，靠近基坑附近的建筑物基础位移量为正值，即其发生隆起，而距离基坑远端位置位移量基本为负值，即其发生沉降，由此可见建筑物基础整体发生不均匀沉降，这样将会引起建筑物发生弯曲或剪切变形，严重威胁建筑物的安全，因此，在基坑施工过程中有针对性地采用有效措施，以控制其对建筑物基础的影响，保证建筑物的稳定安全。

图8　建筑物基础监测点水平位移曲线

图9　建筑物基础监测点沉降位移曲线

4　结论与建议

1)在开挖过程中，基坑底部隆起，底部周边土体向中间移动，出现类似“管涌”现象。这也是引起远端沉降大的主要原因，可见，在开挖过程中，控制底部隆起尤为重要。2)在基坑开挖过程中，由于地连墙的作用，沉降最大点不是出现在距离基坑近端;在靠近基坑附近出现了相对稳定的“保护区”。沉降呈隔区分布情况。3)在基坑施工过程中，及时对基坑侧帮进行支护，并适当采用长锚索进行支护以增加支护控制范围，减小对临近建筑物的影响。

参考文献:

［1］王素霞，黄石松，夏碧涛．基坑开挖对临近建筑物影响的有限元分析［J］．广西质量监督导报，2008(6):53-54．

［2］胡雷鸣．某地铁车站基坑监测结果分析［J］．山西建筑，2014，40(16):88-89．

［3］潘久荣．地铁车站施工基坑开挖对临近建筑物的影响研究［D］．南昌:华东交通大学，2012．

［4］薛莲，傅晏，刘新荣．深基坑开挖对临近建筑物的影响研究［J］．地下空间与工程学报，2008(5):847-851．

［5］ 张文奇．深基坑开挖对临近地铁的影响分析［J］．山西建筑，2013，39(8):63-65．

［6］ 娄承滨．深基坑开挖对临近建筑物影响的实测及有限元分析［J］．铁道勘测与设计，2013(4):69-72．

［7］ 赵延．地铁车站深基坑开挖对临近建筑物影响的监测及数值模拟研究［D］．石家庄:石家庄铁道大学，2014．

中图分类号:TU463

文献标识码:A

文章编号:1009-6825(2016)17-0073-03

收稿日期:2016-04-03

作者简介:王春婷(1988-)，女，助理工程师

Analysis on numerical simulation of near buildings in deep excavation of subway station

Wang Chunting
(Architectural Design and Research Institute of Guangdong Province，Guangzhou 510000，China)

Abstract:In order to optimize the construction program，Flac3D was applied to study the stability of deep excavation and the influences on the near buildings．The stress and displacements were adopted to discuss the stability of deep excavation，and the horizontal and vertical displacements were used to study the effect on the near buildings．The key locations were put forward which were affect the stability of the deep excavation and near buildings，so that the targeted control measures were proposed in the construction．

Key words:deep excavation，near buildings，settlement displacement，numerical simulation