华南滨海软土地层深基坑开挖...近建筑物变形影响的数值模拟_周仰东.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年2月第30卷 第2期FEB 2023Vol.30 No.2DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.02.016作者简介：周仰东（1969-），男，大学本科，高级工程师，主要从事土体固化的研究和管理工作。E-mail：0引言随着时代的高速发展，城市地下空间工程的应用和发展得到一定的发展，随之而来的是深基坑开挖的普遍应用，但是深基坑开挖不同于其他岩土工程，深基坑开挖卸荷导致围护体产生较大的变形，很容易对周边环境造成影响1-2，引起周围土体位移，不免会对临近建筑产生影响，且深基坑工程涉及的分析和计算复杂，包括围护结构、土体变形和基坑稳定性等3。从已有研究可知深基坑开挖对于建筑物的影响的主要原因包括在基坑开挖施工过程中，土体应力释放而导致支护结构水平位移、地层变形以及周边土体地下水位下降而固结沉降等，严重的会导致邻近建筑物的倾斜、开裂甚至破坏4。尽管随着工程实践的不断发展，对深基坑开挖的工作性能和优化设计等问题已展开了不同程度的研究，且取得了很多有价值的研究成果，如SON等人5由模型实验指出建筑物与基坑的相对位置关系决定建筑物的变形形式；刘国彬等人6用理论分析得出支护结构刚度是影响地层位移的关键因素；史春乐等人7运用工程实测数据研究指出有效的止水帷幕和降水措施是控制地基深基坑开挖工程对邻近建筑物影响的关键；郑刚等人8运用数值模拟和现场监测系统反映了建筑物的变形情况。然而以往大量的工程实例证明，其面临的技术挑战和施工风险仍然十分巨大，特别是在沿江、沿海软土地区，由于其地质环境极脆弱敏感，建设难度则会剧增9。华南滨海软土地层相对复杂，通常是覆盖2030 m厚的淤泥而其下直接下卧岩层，土层性质具有显著的地域特点10。因此，在软土地区开展深基坑开挖，对于软土的处理必不可少。本文以广州市某热力电厂工程为项目依托，通过现场监测数据和有限元数值模拟，定量分析有无进行真空联合堆载预压法加固软土地基处理后，进行深基坑开挖，对比其对临近建筑物变形的影响。文中采用专业岩土工程有限元软件 Midas/GTS，对位于工程实际的深基坑开挖和临近建筑的布华南滨海软土地层深基坑开挖对邻近建筑物变形影响的数值模拟周仰东1，黄永基1，陈武荣1，倪玮琳1，张荣1，黎森宇2（1、广州环投南沙环保能源有限公司广州511400；2、广东工业大学土木与交通工程学院广州510006）摘要：随着时代的高速发展，城市地下空间工程被更广泛应用，深基坑的开挖施工必然会对邻近建筑物造成一定的影响。以广州市某热力电厂工程为项目依托，运用Midas GTS软件模拟分析在进行深基坑开挖前，是否对场地进行真空联合堆载预压法加固软土地基处理的两种工况，比较未处理与处理后的工况的数值模拟结果，主要得到如下结论：经过场地处理后，再进行基坑开挖，基坑支护结构的水平位移、周边地表的沉降量、坑底的隆起量以及邻近建筑物的侧向位移均得到明显的改善。场地处理后的数据与实际监测数据进行对比表明，研究成果可为深厚软土地区其他类似工程提供参考。关键词：软土地层；邻近建筑物；深基坑开挖；真空联合堆载预压法；数值模拟中图分类号：TU472文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）02-064-05Numerical Simulation of the Influence of Deep Foundation Pit Excavation on the DeformationNumerical Simulation of the Influence of Deep Foundation Pit Excavation on the Deformationof Adjacent Buildings in Coastal Soft Soil Layer in South Chinaof Adjacent Buildings in Coastal Soft Soil Layer in South ChinaZHOU Yangdong1，HUANG Yongji1，CHEN Wurong1，NI Weilin1，ZHANG Rong1，LI Senyu2（1、Guangzhou Huantou Nansha Environmental Protection Energy Co.，Ltd，Guangzhou 511400，China；2、Guangdong university of Technology School of Civil and Transportation Engineering，Guangzhou 510006，China）AbstractAbstract：With the rapid development of the times，urban underground space engineering is more widely used.The construction of deepfoundation pit excavation will inevitably have a certain impact on adjacent buildings.Based on the second phase project of a thermal powerplant in Guangzhou City，Midas GTS software is used to simulate and analyze the two working conditions of whether to carry out vacuumcombined surcharge preloading method to strengthen soft soil foundation treatment on the site before deep foundation pit excavation.The numerical simulation results of untreated and treated working conditions are compared.The main conclusions are as follows：after site treatment，carry out foundation pit excavation，horizontal displacement of foundation pit support structure.The settlement of the surroundingground surface，the uplift of the pit bottom and the lateral displacement of adjacent buildings have been significantly improved.The comparison between the data after site treatment and the actual monitoring data shows that the research results of this paper can provide referencefor other similar projects in deep soft soil areas.Key wordsKey words：soft land floors；neighboring buildings；excavation of deep foundation pit；vacuum surcharge preloading method；numerical simulation64周仰东，等：华南滨海软土地层深基坑开挖对邻近建筑物变形影响的数值模拟FEB 2023 Vol.30 No.22023年2月 第30卷 第2期置进行数值模拟11，通过工程资料确定有限元模型的计算参数，根据数值模拟的结果可推断出无进行真空联合堆载预压法加固软土地基处理过的效果，对比两者的数值分析结果，得出进行过真空联合堆载预压法技术处理过的软土地基再进行深基坑开挖会对临近建筑物的变形是否有改善效果。在此基础上将部分监测数据和模拟数据进行对比12，进而验证模拟数据的合理性。有限元数值模拟计算中，临近建筑物桩基础、框架以及其他弹性材料均采用线弹性本构模型，岩土体采用弹塑性莫尔-库伦本构模型。1工程概况1.1基坑概况广州市某热力电厂工程及配套设施位于广州市南沙区，北临东新高速，东靠上横沥河道，西邻十一顷涌，南靠中船中路。拟在一期工程厂址的西南侧，建设垃圾焚烧池及渗沥液池，距离为15 m，在处理场地之前，为了阻隔处理场地对已建建筑物的影响，在处理区边缘，即基坑和已建建筑物中间用SMW工法设置了一道隔离墙。其中一期工程已建成完工，处于运营阶段，其工程主厂区采用灌注桩基础，桩长约45 m，桩径0.8 m。根据工程二期场地地基预处理后交工面标高及结构构造特点，拟建垃圾池及渗沥液基坑，其中垃圾池及渗沥液池结构底板长宽为133.6 m41.8 m，开挖深度8.312.8 m，基坑采用灌注桩+内支撑、水泥土重力式挡土墙、坑内士体加固的支护方式，灌注桩设置为8001 000 mm，灌注桩后侧设置两排，650450 mm搅拌桩止水帷幕进行止水，桩长20 m，坑内被动区采用双轴水泥土搅拌桩工艺进行加固，搅拌桩桩径700500 mm，厚度为8 m。设置两道钢筋混凝土支撑，基坑支护结构平面布置如图1所示。1.2地基预处理概况项目的地质条件相对复杂，存在30 m厚的软土地层，所以基坑开挖前需要对场地进行预处理。软土地基处理采用真空联合堆载预压处理工艺，其中处理场地平均堆载厚度4.5 m，真空度不小于85 kPa。在基坑开挖之前，已完成二期工程的场地预处理。场地经真空联合堆载预压处理前后的软弱土层物理力学指标对比如表1所示。1.3水文地质概况项目的地质条件相对复杂，自上而下的地层划分为0.54.3 m人工填土层、0.51.3 m耕植土层、14.2026.70 m 淤泥层、3.7018.20 m 淤泥质粉质黏土层、0.503.00 m卵石层、1.201.30 m中粗砂层、0.706.60 m砂质黏性土层，基岩为花岗岩，地层分布不均。场地地下水按含水介质类型（含水层的空隙性质）不同可分为上层滞水、松散岩类孔隙水和深部块状岩类裂隙水。场地内淤泥、淤泥质粉质粘土和砂质粘性土为相对隔水层。2三维有限元计算模型2.1模型的建立为了模拟深基坑开挖对邻近建筑物的影响，根据工程实际，建立了如图2的整体三维有限元模型。参照实际工程中基坑的大小及形状建立基坑模型，其中支护桩根据抗弯刚度相等的原则等效为连续墙，等效连续墙宽度为0.622 m。考虑到已建建筑物的形状及大小，以及研究的侧重点，为了优化几何模型，对已建建筑物适当简化为框架结构建筑，其中承台埋深0.5 m，桩长45 m，直径为800 mm，桩端的持力层为强风化花岗岩。同时根据工程实际，已建的SMW工法隔离墙设置在基坑与建筑物中间，如图2所示，设置深度为30 m。模型自上而下各土层依次为耕土、淤泥、淤泥粉质黏土、全风化花岗岩和强风化花岗岩，各层厚度依次为 3.5 m、12.6 m、17.5 m、4.0 m 和 22.4 m。从基坑和已建建筑物的位置分布，可以预见，在进行场地处理后，再进行基坑开挖会对邻近建筑物的影响有所变化。为此，三维有限元数值模拟分别分析是否处理场地后图1基坑支护结构平面布置Fig.1Layout Plan of Foundation Pit Support Structure（mm）6500结构底板外边线ZC2垃圾池6500 65006000ZC36500650065004800650065006500首层支护轴线标高（-2.50m）ZC2-1ZC3ZC1-1ZC4垃圾池渗滤液池2%ZC3ZC3ZC1