高层建筑物基坑变形预测分析

摘要：对某城市综合楼基坑开挖工程，运用FLAC3D【1】有限差分程序，计算分析基坑开挖的全过程，对弧形段基坑变形及锚索应力进行预测，并提出基坑监测工作的重点及几点建议。分析表明：应在该基坑弧形段的拱顶、拱腰及拱脚处均匀布置标准监测断面，并应加密监测点，提高观测频率，确保基坑开挖的安全。

关键词：变形；预测；监测；数值分析；FLAC3D有限差分

中图分类号：[TU208.3] 文献标识码： 文章编号：

1 工程概况

某市综合业务楼，由地上33层，平面尺寸约为36.8m×41.4m，总高度约139.3m的主楼及地上4层，房屋高度约24m的裙房组成。开挖深度为18~20m。

基坑南端弧形段周边存在4栋建筑物，分别为：5层砖混住宅、基础埋深1.5m的6层砖混住宅，基础埋深1.5m的2层砖混住宅，基础埋深1.5m的建设银行职工餐厅，建设银行职工餐厅和2层砖混住宅基坑施工前被拆除，其中6层砖混住宅最近端距离排桩中心线2.74m。西端弧形段基坑周边存在1栋建筑物，为9层银行现在办公楼，基础埋深8m，距离基坑周边最近距离为25m，基坑开挖对其影响较小。北端弧形段基坑周边存在2栋建筑物，分别为：基础埋深3.0m的10层住宅，基础埋深1.5m的3层，局部4层砖混住宅，距离基坑周边最近距离为8m。详见图1所示。

本工程场地位于黄河冲洪积平原西部，地层分布均匀，层面起伏较小，18.0m以下属于中低压缩性土，且厚度较大、稳定。场地深度内赋存潜水和微承压水，水位埋深11.2m，标高在85.4m。近期内年最高稳定水位3.9m。水质分析结果判定：地下水对混凝土结构有微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性。受大气降雨或地表水补给，承压水和潜水之间越流补给。排泄方式为人工开采和大气蒸发。

图1 基坑平面图

依据现场静力触探试验、钻探和室内试验结果以及区域工程地质资料，场地地层主要分为粉土、粉细砂、中粗砂、粉质粘土，部分地段存在淤泥质粉质粘土，靠近南侧建筑的地层分布如图2所示，平均水位在地下11.2m。

图2 地层分布图

2 变形监测重难点

由于基坑开挖，会引起支护结构以及基坑内外土体发生位移和变形，由此产生周边建筑物和地下管线的位移和变形，须对周边建筑物和地下管线进行监测。

圆弧段的基坑围护结构有利于形成土拱，而土拱的形成又可以充分利用土体强度控制土体的变形，故本基坑设计为弧形段围护结构，弧形段基坑的变形及土中应力分布特点目前研究的还较少。

由计算分析可知，圆弧形排桩锚固结构形成拱效应，拱顶附近的水平位移大于拱脚处的位移，拱脚处锚索受力较小但围护桩的受力却很集中，土移场及应力场分布均为弧形，即弧形支护结构在限制位移、基坑稳定性及开挖对周边环境影响明显优于直线结构，见图3。

图3 锚索的受力情况

基于以上分析，基坑开挖应关注两方面的问题【2】：第一是基坑支护结构的安全与稳定；第二是对基坑周围环境的影响，如建筑物和地下管线的沉降和位移等。为此，应该做好信息化施工，在基坑开挖和支护结构施工过程中，进行严密的施工监测，及时发现问题，提请施工单位及有关部门及时采取措施，以确保基坑支护结构和周围环境的安全。

3 基坑弧形段支护结构控制土体变形预测

基于基坑开挖的施工步序，依据岩土勘察报告的地层参数，采用FLAC3D有限差分程序，对基坑开挖全过程进行模拟。对比了不同的开挖、支护、加固方案对土体变形的控制效果，明确了专项监控的重点，为土压力传感器的布设提供指导。

3.1 计算模型概述

FLAC3D有限差分模型中，土体材料模型采用摩尔-库仑准则。弧形排桩通过抗弯刚度等效成Shell【3】单元，弧形段局部双排桩采用增加Shell单元厚度进行模拟，Shell单元与锚索之间设立Link单元连接。采用提高加固区域土体的物理、力学参数模拟高压旋喷水泥土加固区，止水帷幕作为安全储备。土层厚度、土层力学参数、地下水位等工程地质水文地质条件，按照岩土勘察报告的参数选取。模型侧面和底面为位移边界约束水平移动，模型底部位移边界为固定边界，约束其水平移动和垂直移动，模型上边界为自由边界。

图4 南部弧线段的网格划分图

图5 结构单元图

对南部弧形段进行重点计算分析，有限差分网格如图4所示，结构单元如图5所示。

土层的计算参数如表1所示：

表1南端弧形段基坑土层参数表【4】

3.2 计算结构分析

图6、7分别为南部弧段基坑开挖后的水平位移图和周边环境的竖向位移图，计算表明：（1）基坑周边的竖向位移最大处主要分布在建筑物的边角。（2）在弧形段的拱顶处产生较大的负方向位移，而在拱脚处正方向位移达到最大值（偏于安全），锚杆的拉力从弧形段拱顶向拱脚逐渐减小。（3）在横断面竖直方向上，最大水平位移发生在基坑的中下部，且在此处锚杆的轴力也达到最大。

图6 基坑开挖周围土体Y方向位移(m)

图7 基坑周围土体Z方向位移(m)

4 结论

随着基坑的开挖，弧形段的拱顶处产生较大位移，拱脚处正方向位移达到最大值，故须把监测重点放在弧形段拱顶处，且沿着弧形段在拱顶、拱腰和拱脚处须均匀布置标准监测断面。建筑物南部边缘处的沉降最大，也应在此处加密监测点，并提高观测频率，以及时获取建筑结构的局部倾斜度【5】，保证建筑物的安全。

参考文献

【1】刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

【2】陈有亮,杨洪杰,徐前卫,地下结构稳定性分析[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

【3】Itasca Consulting Group,Inc.FLAC3D, Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions,version 2.0,User’S Manual[M], USA:Itasca Consulting Group,Inc.2002.

【4】彭文斌.FLAC3D实用教程[M].北京:机械工业出版社,2009.

【5】中华人民共和国国家标准编写组. GB50007―2002建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社.