【摘　要】　针对密集建筑群中的深基坑开挖工程,将基坑、支护结构及周边建筑物放在一个系统中进行研究。运用大型工程软件ABAQUS对天津地区典型工程地质条件下,典型深基坑工程环境中,深基坑开挖的全过程进行了数值模拟分析,得到了一些对深基坑工程设计和施工有工程实际意义的结论。

【关键词】　深基坑;近邻建筑物;数值模拟;沉降

 

　   随着城市化进程的加快,基坑工程越来越多,越来越深,而基坑围护的设计方法还不十分成熟,施工管理不够规范,基坑工程事故屡见不鲜。在深基坑工程施工过程中,由于忽视对环境效应的研究,不注意合理利用,改造和保护环境,使得周边环境受到不良影响。尤其在软土地区,基坑开挖引起的环境问题更加突出。如何在日益复杂的条件下,尽可能地减小基坑开挖所带来的环境效应是未来基坑工程研究面临的重大课题。

 

      在基坑工程中,考虑到支护结构的受力,一般不会发生塑性变形,所以支护结构一般可按弹性体计算,对于二维平面问题可以选择四结点或八结点二维等参单元。土的力学模型比较复杂,根据计算精确性的不同可采用线弹性模型和非线性弹性模型或弹塑性模型等;也可以同时考虑土的固结和变形耦合作用;对于具有流变性的软弱土层,可采用粘弹性或粘弹塑性模型计算。

 

      本工程位于天津市和平区繁华地带,整个建筑群包括4塔楼。4塔楼与裙房的地下室部分连为一个整体,拟建地下四层车库。周围环境复杂,道路交通流量大,工程场地狭窄,北、西北侧紧邻地铁。根据地质勘查报告,该基坑工程表层地下水类型为第四系孔隙潜水、以5-1粉质粘土层为隔水底板。赋存于第陆相层及以下粉砂、粉土中的地下水具有微承压性,为微承压水。第一微承压水以5-1粉质粘土层为相对隔水顶板;第二微承压水以6-3粉质粘土层为相对隔水顶板;第三微承压水以8-1粉质粘土层为相对隔水顶板。

      该基坑工程拟建地下车库四层,第一层层高5m,其余三层层高分别为5.2、3.2、3.6m。地下车库室内外高差0.6m。基坑开挖深度19.4m。根据工程地质、四周场地条件、基坑深度以及地下室情况,维护结构采用地下连续墙,采用半逆法施工,基坑支护的地下连续墙和内衬墙作为地下车库的外墙。地下连续墙墙厚为1m,墙长为35m。为控制位移,保证基坑围护结构的整体性,支撑体系采用了5道水平支撑。第一道为钢支撑,标高为-1.20m,第二、三、四道支撑采用钢筋混凝土楼板,标高分别为-5.00、-10.20、-13.40m,第五道为钢筋混凝土支撑,标高为-17.0m。

 

      计算位移时,将每步开挖后所得结果与初始地应力平衡完成后所得结果相减,可得到更接近实际的理论结果。开挖过程分五步,开挖至每道水平支撑处记取对应开挖面处的回弹量。

      (1)　理想弹塑性分析。由图2可知,基坑开挖面处的回弹量在基坑中部最大,随着开挖的进行,基坑回弹量越来越大,桩的作用随着深度的增加越来越明显,坑底的回弹变形曲线为波纹形,隆起曲线的波谷处为桩所在位置,由于桩与土的相互作用,桩体附近的土体变形较小。基坑的最大回弹量为10cm左右。

      地表的沉降随着开挖的进行,逐渐远离墙体,最大的沉降发生在距离墙体20m左右,最大沉降量为7mm左右。曲线随着远离墙体逐渐变得平缓,并且趋近零。右侧土体的沉降随着开挖的进行,经历了由小到大,然后又变小的过程。这说明土体的最大沉降并不是发生在地表,而是发生在距离右侧墙体14m,地面下5m左右。基坑开挖的影响范围大约为距离墙体50m, 50m以外土体的沉降量很小。距离地表5m处土体的沉降量见图3。

      地铁车站的沉降:

      经计算分析知,随着开挖的进行,地铁车站左右两端点发生了不同的沉降与水平位移,这说明地铁车站发生了倾斜,其倾斜方向沿顺时针向基坑内部。造成这种现象的原因是基坑内部土体的回弹,使得基坑外侧的土体向基坑内部移动,基坑外侧的土体发生了沉降,地铁车站右侧处于沉降大的范围内,地铁车站左侧处于沉降小的范围内,因而地铁车站右侧沉降大,整体向基坑内倾斜。

      (2)　考虑地下水渗流的有限元分析。由图2、图4比较可知,与理想弹塑性分析相比,基坑降水改变了周围土体的应力状态,一方面使土体的自重应力增加;另一方面使土层中的地下水由静止状态发展至稳定运动状态,引起土层在渗流作用下的附加应力,使得基坑的回弹量增大。考虑地下水渗流计算结果比相同条件下无渗流作用时大,其主要原因是地下水渗流作用时土中水对土粒的托浮力比静止时水对土粒的托浮力要小,因而渗流作用时土体的有效应力将增大,从而计算结果也增大,其结果也更接近实际情况。