深基坑开挖对毗邻管网及建筑物安全影响的研究

孙世国，吕 鹏，宋志飞

(北方工业大学土木工程学院,北京 100144)

1 概述

近年来国内发生了多起深基坑坍塌事故,占事故总数的65%。深基坑工程发生坍塌事故,事故的类型很多,导致的原因也比较复杂。比如说在水土压力作用下可能会破坏支护结构,其中的破坏形式也不一样[1]。在根据具体施工工况和地质条件作用下,分析基坑坍塌可能产生的原因和控制措施极为重要[2]。而最容易忽视的一点就是深基坑在施工时对周围环境产生的变化及影响,尤其是复杂地质条件和施工工况下的基坑安全[3-7]。由于现代施工技术的成熟和各种复杂地质条件等因素的共同影响,怎样在施工过程中保证基坑及基坑周围环境的安全成为需要深入研究的重点[8-9]。针对这些难点和各种不确定性因素的影响下,大力发展基坑工程的新型理论以及将各种变形控制措施与计算机大数据各类学科融合发展显得尤为重要[10-11]。

基坑工程既是一个综合性的岩土工程问题,又涉及到土层及支护方式共同作用的复杂问题,造成当前基坑工程仍处于半理论半经验的状况[12-14]。国内外很多学者已经在该领域上做出了不少成果,但尚有许多技术问题有待不断的改进和完善[15-17]。

2 深基坑开挖诱发毗邻管线变形与破坏机理研究

2.1 数值模型的建立

本文为了更好的进行系统研究,采用岩土工程软件Midas对基坑进行建模与分析。根据实际尺寸进行建模,实际的模型尺寸为280 m×140 m×20 m。此基坑分别采用4 m,4 m,2.2 m三次开挖方式。采用支护桩加锚索共同支护的支护形式。支护桩长为15.2 m,锚索设置的位置分别在基坑开挖深度的0 m,4 m,4 m处。采用平面应变分析方法,结合摩尔库仑准则。数值模拟网格划分图如图1所示。

2.2 深基坑开挖诱发支护结构变形

由于开挖导致支护结构产生水平位移特点如下:支护桩产生线性变形,破坏发生在锚索的锚固区,因此第一道锚索已无法提供原先设计的锚固力,支护桩顶部的位移已经超过规范容许值,达到破坏状态。其他桩桩顶位移量较小,水平位移曲线呈现凹型,最大位移在容许范围内,未达到破坏。不同开挖阶段支护结构X方向水平位移曲线图见图2。

2.3 深基坑开挖诱发围岩土体变形

根据数值模拟得到降水和分布开挖阶段基坑在不同深度下沉降数据绘制出曲线图如图3—图6所示。基坑在分布开挖过程中或导致周围土体和毗邻管线产生较为明显的应力重分布,因此随着开挖深度的增大,导致周围土体和管线形变量也在不断增大。基坑降水也会导致土体自重应力发生改变,土体自身也会产生一个较大的沉降量,根据下图可知沉降量最大的位置发生在距离基坑边缘8 m处,此处产生的最大沉降值为28.3 mm,已超过规范所容许的20 mm。

2.4 深基坑开挖诱发周边建筑及变形特点

基坑开挖对周边建筑物产生的影响主要是由于建筑物下的基坑周边土层产生了应力重分布,而这种应力重分布会导致周边建筑物产生不均匀沉降,根据数值模拟分析可知土体的沉降位移在靠近基坑边缘处最大为28.01 mm,已超出规范所允许的数值,随着距离基坑边缘越远,土体的沉降位移逐渐减小,因此影响到建筑物的竖向沉降也逐渐减小。根据图7结合规范可知建筑物易发生危险的区域在距离基坑边缘8 m～20 m处,应力重分布导致基坑周围土层发生不均匀沉降,这种沉降直接影响了建筑物的稳定性,易产生倾覆。

2.5 深基坑开挖诱发周边管线变形特点

如图8,图9所示,毗邻管线产生的位移及变形展示如下。

1)由于基坑的分步开挖,诱发周围土体内部产生应力重分布的现象,土的原有应力状态被破坏,因此作用在管线上的土压力会随着基坑开挖深度的增加而增大,从而直接导致管线产生较大的变形与位移,且随着基坑开挖深度的增加这种变形与位移也在逐步增加。

2)在基坑降水过程中,由于土层里水位的下降,导致土体内部产生应力重分布,土体的有效应力逐渐上升,且周围土体在自重应力的作用下逐渐产生不均匀沉降,土的不均匀沉降直接影响到了管线的沉降位移,最大为6.7 mm,但仍在安全范围之内。基坑的分步开挖对管线的沉降也有较大影响,随着开挖的进行基坑周围岩土体产生较大沉降,对管线周围土体产生较大扰动,随着开挖的进行直至开挖3阶段,管线产生的最大变形为16.41 mm,已经超过规范所允许的最大值,达到破坏状态。

3)由于在基坑开挖过程中,作用在管线不同部位上的应力大小各不相同,在管线左侧土体施加给管道的应力最小,且管道其他位置所受土体的应力随着与建筑物距离的增大而减小,因此管线受到土压力而产生的形变位移也随着与建筑物距离的增大而逐渐减小,主要影响区为距离建筑物14 m以内,超过14 m后管线受到的土压力大小急剧下降,形变位移也随之急剧下降。在开挖3阶段完成后,管线的最大沉降位移发生在距离建筑物边缘处,且最大值为16.41 mm,已经达到破坏状态。

3 结论

1)随着离基坑边缘距离的增大,地表沉降位移先逐渐增大,达到某一临界值时地表沉降随着距基坑边缘距离的增大而减小,地表沉降位移最大值发生在距离基坑8 m处。

2)在降水阶段,由于土体有效应力的增加,土层在自重应力的作用下产生较大变形,基坑周围地表产生大面积不均匀沉降,从而导致建筑物产生竖向沉降,但最大沉降量未发生较大变化。根据数值模拟的结果,最终状态下建筑物的最大竖向沉降位移为28.01 mm,管线的最大竖向沉降位移为16.41 mm,均超出规范所允许的最大变形值。

3)基坑的分步开挖,诱发周围土体内部产生应力重分布的现象,土的原有应力状态被破坏,因此作用在管线上的土压力会随着基坑开挖深度的增加而增大。在基坑降水过程中,由于土层里水位的下降,导致土体内部产生应力重分布,土体的有效应力逐渐上升,且周围土体在自重应力的作用下逐渐产生不均匀沉降,土的不均匀沉降直接影响到了管线的沉降位移。因此管线受基坑开挖和降水两个因素共同影响,位移分布受地层条件影响,会随着距离建筑物距离的增大而逐渐变小。