深基坑-高层建筑共同作用实例研究.pdf

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第3 7 卷第2 期中国矿业大学学报 V 0 1 .3 7N o .2 2 0 0 8 年3 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yM a r .2 0 0 8 深基坑一高层建筑共同作用实例研究 李涛,刘波,陶龙光 中国矿业大学力学与建筑工程学院,北京1 0 0 0 8 3 摘要在高层建筑物旁进行深基坑开挖,保证建筑物和基坑的安全至关重要.为了研究深基坑与 邻近建筑的共同作用问题,用F L A c 3 D 计算软件对其进行三维模型的分析,分析了条桩与超近建 筑物之间位移变化的相互关系,以及在不同开挖阶段对桩体的内力、基坑的土体位移,并与实测 结果进行比较,研究土体压力、桩体内力与建筑物变形之间的关系.结果表明建筑物的变形与支 护桩体的变形密切相关,通过加强桩体刚度,可以有效地减少建筑物的变形.模型计算与实测结 果相符. 关键词深基坑;超近建筑物;数值模拟;实测;共同作用 中图分类号T U4 7文献标识码A文章编号1 0 0 0 - 1 9 6 4 2 0 0 8 0 2 一0 2 4 l 0 5 I n t e r a c t i o n sB e t w e e nD N e a r b yH i g h R T 11 e e p 乜x c a v a t l o n Sa n d i s eB u i l d i n g s L IT a o ,L I UB o ,T A 0L o n g g u a n g S c h o o lo fM e c h a n i c s ,A r c h i t e c t u r e C i v i lE n g i n e e r i n g ,C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y , B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ,C h i n a A b s t r a c t I ti sv e r yi m p o r t a n tt oe n s u r et h es a f e t yo fa d j a c e n tb u i l d i n g sa n dt h ef o u n d a t i o n s w h e np e r f o r m i n gd e e pe x c a v a t i o n sn e a rt h e m .T h es o f t w a r eF A L C 3 Dw a su s e dt os t u d yt h ei n - t e r a c t i o nb e t w e e nab u i l d i n ga n da na d j a c e n td e e pp i ta n dt h er e t a i n i n g p i l e su s e dt os t a b i l i z et h e p i t .T h ed i s p l a c e m e n t sa n di n t e r n a lf o r c e so ft h ep i l e sa n dt h ed i s p l a c e m e n t so fan e a r b yb u i l d i n gd u r i n gd i f f e r e n ts t a g e so fe x c a v a t i o nw e r ee s t i m a t e dn u m e r i c a l l y .T h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ec o m p r e s s i v es t r e s s e si nt h es o i l s ,t h ei n t e r n a lf o r c e so ft h ep i l e sa n dt h ed i s p l a c e m e n t so ft h eb u i l d i n gw e r eo b t a i n e d .T h er e s u l t ss h o wt h a tb u i l d i n ga n dr e t a i n i n g p i l ed e f o r m a t i o na r er e l a t e da n dt h a tt h eb u i l d i n g ’Sd e f o r m a t i o nc a nb er e d u c e db yi n c r e a s i n gt h es t i f f n e s s o ft h er e t a i n i n gs t r u c t u r e s .T h er e s u l t sf r o mf i e l dt e s t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n s . K e yw o r d s d e e pp i t ;u l t r a - n e a rb u i l d i n g ;n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ;f i e l dt e s t 随着高大建筑物的增多,既有建筑周边深大基 坑的施工难题日益增加.故在解决深大基坑自身的 稳定性问题的同时,还要解决周围建筑物的变形问 题.以往的计算方法主要有等值梁法、太沙基法、山 肩邦男法、弹性梁法、弹塑性法,以及以弹性地基梁 法为基础而建立的一维有限元法,以B i o t 固结理 论为基础的二维有限元法是将基坑体系简化为一 维问题或平面问题,未能反映支护结构的实际变 形,更不能反映临近高层建筑物的变形.另外,由于 基坑开挖和支护结构的施工都是动态的,基坑和邻 近建筑物的变形则是随时间而不断变化的时变系 统,因此,考虑施工过程对工程的影响也是必要的. 收稿日期2 0 0 7 一0 6 0 4 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 6 7 4 0 9 5 ,5 0 3 0 4 0 1 2 ;高等学校博士学科点专项基金 2 0 0 6 0 2 9 0 0 1 4 作者简介李涛 1 9 8 1 一 ,男,河南省新郑市人,工学博士,从事城市地下工程方面的研究. E - m a i l l i t a o c u m t b 1 6 3 .c o n l T e l 0 1 0 6 2 3 3 1 3 0 3 万方数据 2 4 2 中国矿业大学学报第3 7 卷 本文通过运用F L A C 3 D 计算软件对北京某基坑和 其邻近建筑物进行三维、实时模拟,据此分析土体 压力、桩体位移与建筑物变形之间的关系,并与监 测结果比较,来分析基坑与建筑物共同作用问题. 1 工程概况 本工程为北京某住宅楼基坑工程,基坑深度, 楼房段为1 1 .6 0m ,车库段为1 3 .4 0m ;基坑平面 尺寸为7 0m X 5 9m .场地位于永定河冲洪积扇的 中部,地面标高5 1 .9 7 ~5 3 .4 8m ,地形自北西向东 南微倾,下伏为第3 系强风化半胶结泥砾岩,中间 有6 层土层,各层土体参数见表1 .根据了解,该场 地内历年最高地下潜水位1 9 5 9 年为4 9 .0m ,1 9 7 7 年为3 9 .0m ,1 9 8 7 年为3 4 .0m ,近3 ~5a 为2 7 .5 m ,基坑开挖为1 1 ~1 3m ,故不考虑地下水的影 响.该基坑周边建筑物多且距离很近,其中西边有 已建成的1 6 层塔楼,最近距离只有5 .0m ,其平面 和立面布置见图1 .由于基坑周边需要保护的建筑 物较多,且工程位于居民小区内,不能采用噪音和 a 平面 环境污染很大的钻机进行施工,故采用条桩和锚杆 进行基坑支护.桩体混凝土为C 3 0 ,钢筋为I ,Ⅱ 级,锚杆材料为钢铰线,1 .8 6G P a 级.在几处距离 原有建筑物 特别是西侧塔楼 很近的地段,采用桩 厚为1 .0m .其余地段采用桩厚为0 .8m .桩长在 1 6 .2 ~2 0 .4m 之间,锚杆长度在1 4 .5 ~1 9 .0m 之 间.由于该基坑与建筑物相临很近,支护结构和建 筑物的共同作用明显,环境复杂,为确保安全,我们 对该基坑和邻近建筑物的共同作用进行了全过程 的三维有限差分分析. 表1 土的基本力学参数 T a b l e1P a r a m e t e r so ft h es o i l 土层土层土体密度/体积模剪切模黏聚内摩擦层厚/ 编号名称 k g m - 3 量/M P a 量/M P a 力/k P a 角/ 。 m 图1基坑与建筑物位置布置图 F i g .1A r r a n g e m e n to fp i ta n db u i l d i n g b 立面 2计算模型及方粟 计算软件采用美国I t a s c 公司开发的F L A C 3 D 有限差分计算软件.条桩模型的基本网格单元如图 2 所示.模型中土体单元,采用莫尔一库仑模型,应 用弹塑性大变形理论.而钢筋混凝土条桩采用理想 弹性体模型,支护结构类趔采用“桩体”单元模拟, 登苎竺要‘‘型翼 。黧篓i 差要 拟,利用“零模型” 图2 几何单元网格 可方便的实现计算单元的开挖. F i 未j M e s ho fg ⋯e o m ⋯e t ,y 2 1 几何模型的建立 2 .2 计算过程 在模型的建立中,分层建立土体单元网格,和 以条桩为例,说明整个计算过程的实现.大体 建筑物的单元然后,杀死建筑物的一部分单元,并 分5 个步骤1 建立建筑物、基坑土体模型;2 杀 在其中用“梁”和“衬砌”单元模拟建筑物的梁和墙 死建筑物在地面以上的网格单元,并在初始应力作 体单元,使之与原建筑物基本一致桩体用“桩体” 用下进行土体的自平衡;3 恢复建筑物的单元, 单元模拟不考虑地下水影响,计算共划分6 24 9 6 使之和实际的建筑物基本一致,再次进行土体单元 个单元. 与建筑物单元的平衡;4 进行桩体施工,并按照 万方数据 第2 期李涛等深基坑一高层建筑共同作用实例研究2 4 3 实际的工况进行分步开挖;5 在开挖过程中,添 加锚杆,并在条桩之间喷射混凝土. 2 .3 计算结果分析及比较 由于桩锚支护结构,是边开挖边支撑.计算得 到了不同施工阶段,不同开挖深度,建筑物及基坑 的水平位移、沉降等值线图、建筑物底部沉降图及 总体位移矢量图,如图3 所示.可见整个开挖过程, 随着开挖深度的发展,建筑物侧的土体沉降越来越 明显,而建筑物旁边的条桩出现较大的水平位移, 故在建筑物旁边加强桩体是合理的. 图3 开挖6 ,1 0 。1 3l t l l 时的模拟结果 F i g .3A n a l o gr e s u l t sa td e p t ho f6 ,1 0 ,1 3m 图3 a ~3 d 显示了在条桩支护下开挖1 0m ,此 时支护结构的最大水平位移值为2 .6c m ,发生在 坑顶附近.从沉降等值线图中可以看出,基坑的最 大隆起发生在建筑物旁边,其隆起量为1 - 0c m ;而 建筑物发生较小的沉降,沉降值为0 .1 2c m .从基 坑底部来看,在距离基坑边缘最近的一侧,坑底发 生0 .2c m 的沉降,而距离坑边一定距离后,沉降变 化不大.位移矢量图显示,在建筑物的压力下,土体 有绕过桩体的趋势,最大的位移发生在基坑顶部. 由此可见,在临近建筑物进行施工时,建筑物和基 坑的相互作用明显,且主要发生在它们之间距离最 近的地方,在远离一定距离后,影响程度迅速衰减. 图3 e ~3 h 显示了在开挖1 0m 时,支护结构的 最大水平位移值为2 .9c m ,同样发生在坑顶附近, 建筑物发生水平变形,最大值出现在建筑物顶部, 其值为0 .1 1c m .沉降等值线图显示,建筑物开始 发生垂直变形,靠近基坑一侧建筑物发生的沉降, 而另一侧有少许的上扬.从俯瞰图中可以看出,拟 建基坑的隆起量变大,且基坑中心的隆起和建筑物 旁边的隆起连在了一起,这说明建筑物对基坑的隆 起作用明显,特别是对靠近建筑物一侧的坑底隆 起.支护结构在此阶段有一定的沉降. 万方数据 2 4 4 中国矿业大学学报第3 7 卷 图3 i ~3 1 显示了在开挖到1 3m 时,开挖结 束.此时支护结构的最大水平位移值为4 .7c m ,建 筑物水平位移稳定,其值为0 .1 6c m .从沉降方面 来看,条桩外侧土体下沉0 .8 1c m ,坑底隆起为 0 .5 9c m ,此时建筑物对基坑的隆起的影响变小,隆 起最大值出现在基坑中心.建筑物底部最大沉降位 置在靠近基坑的边沿,其值为0 .6 2c m .从俯瞰图 中可以看出,已建建筑物坑底最大沉降位置也出现 在靠近基坑的边沿,为1 .0c m ;而已建建筑物基坑 的另一侧沉降量很小. 从以上分析可以看出,随着基坑的开挖,建筑 物的水平位移不断变大,支护结构在临近建筑物 处,最大位移出现在桩顶部.由此看出,在建筑物旁 进行基坑施工时,适当加大桩体的强度是必要的. 在开挖初期,建筑物荷载对坑底隆起有较大的影响 作用,随着开挖的进行,这种影响越来越小,到开挖 完时,基坑最大的隆起出现在基坑中心.从建筑物 的位移来看,在开挖至6m 时,建筑物的水平位移 和沉降值都较小,且不均匀沉降很小,开挖至1 0m 时,在临近基坑处,建筑物出现沉降,而另一侧有稍 微的上扬,但总体变化不大.开挖完成时,建筑物坑 底达到最大沉降,其值为1 .0c m ,其变化趋势也逐 渐稳定. 就本例而言,在建筑物旁进行基坑开挖,采用 条桩支护,可以很好的控制周围建筑物的变形,保 证建筑物的安全,是完全合理的. 3 现场监测内容及结果 为保证基坑开挖工作的顺利进行,验证围护结 构的设计和施工质量,对基坑的开挖过程进行动态 水平位移/c m 0 .O .2 .5 .5 .O .7 .5 皇 越.1 0 .o 殛 一1 2 .5 .1 5 .0 .1 7 .5 .2 0 .O a 测点1 监测.主要监测内容有条桩的侧向位移、条桩的土 压力、条桩钢筋应力.测点平面布置如图4 所示. N ④ △墙体侧斜4 点 0 土压力2 点 。钢筋应力2 点 图4 监测点平面布置示意 F i g .4L a y o u to fm o n i t o r i n gp o i n t 3 .1 条桩的侧向位移 在条桩内分别埋设4 根测斜管,用测斜仪监 测,测斜管每根长2 2m .基坑平面尺寸为7 0m 5 9m ,每个侧边布设一个测斜点,测斜点布置在每 边靠近中间位置. 以测点 1 , 3 为例,典型的条桩变形与开挖 的关系曲线如图5 所示.从图5 a 可以看出,临近建 筑物一侧的基坑的侧向最大位移发生在桩顶附近, 大部分测点的位移在O ~4 .4 3m m 之间变化,与计 算结果相吻合.图5 b 显示,在基坑的另一侧,桩体 最大水平位移发生在距离桩顶一5m 的位置,基坑 在开挖面以上的变形遵循悬臂结构的变形特征.建 筑物侧的水平位移变化小与这里的桩体强度有关. 从整个基坑看,条桩的最大位移为8 .6 5m m ,约为 开挖深度0 .0 6 7 %,小于基坑变形一级保护标准中 关于围护墙最大水平位移小于等于0 .30 AH H 为 基坑开挖深度 的要求[ 3 ] ,基坑保持在稳定状态. 总的来说,在整个基坑开挖过程中,墙体的总 体位移相对较小.是安全、稳定的.与数值计算结果 相一致. ‘ 2 0 0 5 5 2 0 .- 2 0 0 5 5 2 5 2 0 0 5 .5 - 3 0 、 十 2 0 0 5 6 .1 5 1 。._ 2 0 0 5 6 2 2 2 0 0 5 - 7 7 、 - ._ 2 0 0 5 .7 .I1 、 2 0 0 5 8 3 、 .- 开挖至.6m 计算值 ◆ 开挖至一1 0m 计算值 一 开挖至一1 3m 计算值 水平位移,c m 0l23456789 图5 条桩变形实测与计算图 F i g .5 C u r v e so fs t r i po fp i l ed i s p l a c e m e n t 3 .2 条桩钢筋应力 在基坑开挖过程中,为了监测条桩的受力,通 过埋设钢筋应力计对条桩的受力钢筋进行了应力 监测,在监测数据的分析中,通过测定条桩前后2 b 测点3 个应力计数值的大小,来求得条桩自身的弯矩值. 以建筑物旁的测定为例,条状弯矩与开挖的关 系曲线如图6 所示. 0 5 O 5 0 5 0 5 O O 2 置 Z O 2 5 7 O . . . J d 0 0 o u v 毯聪 万方数据 第2 期李涛等深基坑一高层建筑共同作用实例研究 2 4 5 蛊 魁 蜷 m m m 弯矩/k N m 图6 条桩弯矩分布实测 F i g .6C u r v e so fb e n d i n gm o m e n t 从图6 可以看出,条桩的弯矩随着时间增长而 增加,在不同的深度,由于位移变化不同,因此,弯 矩的增加量也不同.从弯矩沿深度的分布来看,弯 矩的最大值在一1 1m 左右,基坑在开挖过程中弯 矩出现2 个反弯点,这2 个反弯点的位置基本在 - - 6m 和一1 1m 左右变化,反弯点的位置是由桩体 上支撑的位置所决定.在基坑开挖过程中,临近建 。筑物的测点最大弯矩为9 1 .2k N m ,而且整个弯 矩变化值都相对较小,没有出现受力异常的情况, 这一点说明基坑的相对变位较小,从而使基坑的位 鑫 疑 4 结论 十压力,k P a a 主动面 移变化很小,对建筑物和基坑的稳定都非常有利. 3 .3 条桩的土压力 图7 为邻近建筑物的测点的主动面和被动面 土压力随开挖工况变化图.从图7 a 可以看出,主动 面土压力随开挖缓慢减小,但是由于条桩支护刚度 较大,主动区向基坑内的位移较小,还没有达到主 动土压力的水平,所以主动面土压力减小的不明 显,曲线相对比较平缓.主动面上的最大土压力在 距地表以下8m 的位置,开挖至一4 .5m 时,最大 土压力为7 9 .7k P a .由于黏性土具有较高的黏聚 力,在一定深度处存在“自立拱”效应【4 ] ,所以,实测 土压力值并不是随深度成线性变化.随着开挖深度 的增加,其值逐渐向主动土压力值靠近,最后土压 力在主动土压力与静止土压力之间. 从图7 b 可以看出,由于卸载作用,被动面土压 力随着开挖深度增加而逐渐减小.主要是因为随着 土体开挖、墙体变位,被动区厚度逐渐减薄,坑底隆 起量加大,使得被动区土压力释放而减小,而且减 少幅度越来越大[ 5 ] . 开挖至.4 .5m 开挖至一8 m .- 开挖至- 1 3 m 计算静止七压力 计算主动土压力 图7 土压力分布实测 F i g .7 C u r v eO f s o i lp r e s s u r e 1 本文对深基坑开挖一超近高层建筑共同作 用进行了三维数值模拟与实测研究表明,当基坑稳 定时,最大位移出现在桩顶的位置,最大值为4 .7 m m .测试的基坑最大的位移值也出现桩顶的位 置,最大位移为4 .4 3m m .这说明建立的模型是符 合实际情况的,其运算结果可信.从计算结果可以 看出,邻近建筑物进行基坑施工是安全的. 2 在基坑开挖过程中,在建筑物旁的支护结 构的最大侧向位移在结构顶部,位移最大值约为开 挖深度的0 .0 3 4 %;在远离建筑物一侧的基坑最大 位移出现在支护结构的中上部,位移最大值约为开 挖深度的0 .0 6 7 %.小于基坑变形一级保护标准中 关于围护墙最大水平位移小于等于0 .3 %H H 为 基坑开挖深度 的要求.侧向位移随开挖不断变化, 位移总的趋势是不断的增大.当开挖到基坑底时, 位移的变化速率有所减缓,基坑基本稳定. 罢 蜊 鹾 .9 .0 - 9 .5 1 0 .0 1 0 .5 1 1 .O I I .5 1 2 .0 1 2 .5 6 0 7 08 09 01 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 0 土雎力/l P a b 被动面 3 建筑物的不均匀沉降随基坑开挖深度的增 加而增加.建筑物位移不大,指导了施工的顺利.建 筑物周围的土体位移方向随建筑物与基坑距离的 增加,由背离建筑物方向转变为朝向建筑物方向. 4 基坑坑底的隆起量随施工过程而有所变 化,在开挖初期,建筑物对坑底的隆起有较大的作 用,随着开挖深度的增加,建筑物对坑底隆起的影 响逐渐变弱.在开挖过程中,坑底的最大隆起由建 筑物旁边逐渐向基坑中心转移,最后在基坑中心形 成最大隆起. 参考文献 I - 1 ] 边亦海,黄宏伟.宝钢轧机旋流池深基坑的监测分 析[ J ] .岩土力学,2 0 0 4 ,2 5 增2 4 9 1 4 9 5 . 下转第2 7 5 页 万方数据 第2 期张鹏飞等临清探区石炭二叠系沉积演化特征 2 7 5 积,两期河道的局部流向和弯曲度稍有差别,总体 走向基本一致 图5 e . 5 结论 通过对各种沉积相标志的分析研究,在临清探 区石炭二叠系地层中识别出了碳酸盐台地相、泻湖 相、潮坪相、障壁岛相、三角洲相和河流相6 种沉积 相类型.研究区石炭二叠系自下而上发育了台地一 泻湖沉积体系、障壁一泻湖一潮坪复合沉积体系、浅 水三角洲沉积体系和曲流河沉积体系.在对沉积相 类型识别和沉积体系发育特征归纳总结的基础上, 指出临清探区石炭二叠系沉积演化经历了早期的 陆表海海陆过渡沉积和晚期的陆相浅水三角洲及 曲流河沉积. 参考文献 [ 1 ] 朱炎铭,秦勇,王猛,等.黄骅坳陷石炭一二叠纪 煤成烃演化的构造控制[ J ] .中国矿业大学学报, 2 0 0 6 ,3 5 3 2 8 3 - 2 8 7 . 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