1、1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
2、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，2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
3、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，但是在具体施工和地质条件下，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
4、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。 3图 1 基坑与保护建筑物相对位置图 Fig.1 The relative location
5、 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
6、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，4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
7、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
8、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5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
9、建筑物地基土体起到限制侧向变形和侧向滑动的作用。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
10、施。 六、结论 本文通过对国内某地铁站基坑的开挖模拟，对比分析有无双排桩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，
11、为日后同类情况下基坑施工提供参考。 6参考文献： 1崔宏环，张立群，赵国景.深基坑开挖中双排桩支护的三维有限元模拟J.岩土力学.2006.27（4）：662-666 2吴铭炳，戴一鸣等.基坑加深的加固措施及其效果.岩土工程学报J.2010.32（增刊 2）：459-462 3张雷，刘振宏等.深基坑宽度对周围建筑影响的有限元分析J.地下空间与工程学报.2009.5（增刊）：1312-1315 4刘日成，徐帮树等.深基坑双排桩结构支护效果有限差分数值模拟J.地质与勘探.2012.48（2）：366-373 5赵文，李慎刚等.地铁基坑施工稳定性监测分析J.岩土力学.2007.28（增刊）：643-646 6林鹏，王艳峰.双排桩支护结构在软土基坑工程中的应用分析J.岩土工程学报.2010.32（增刊 2）：331-334 7王嘉乐.繁华市区不良地质条件下深基坑开挖对周边建筑物影响的研究D.太原理工大学.2012 8Itasca Consulting Group， Inc. USA. FLAC3D M. Fast Lagranginan Analysis of Continua in 3 Dimensions， version 3.0， Users Manual 9赵光，辉彭昊，高博.基于 ANSYS 的某软土基坑有限元分析J.山西建筑.2012.38（16）：83-84
