鄰近古建筑的深基坑支護方案及變形分析

2024年2月21日發(fā)(作者：我眼中的新時代)

鄰近古建筑的深基坑支護方案及變形分析

摘要：隨著我國城市化進程的不斷推進，地下空間的開發(fā)利用顯得尤為重要，同時基坑工程面臨的環(huán)境也越來越復(fù)雜，新開挖基坑工程臨近地鐵站、古建筑和橫穿既有建筑物的情況日益常見，如何減小基坑開挖造成的土體變形及其對其周邊環(huán)境的影響，采用合理的基坑支護方案是眾多巖土工作者一直在努力解決的技術(shù)難題。根據(jù)軟土地區(qū)深基坑工程的特點，提出了SMW工法樁、圈梁和高壓旋噴樁加固的支護方式，采用有限元軟件進行模擬，并與實測數(shù)據(jù)進行了對比分析，進一步驗證了該方法的合理性。

關(guān)鍵詞：古建筑；深基坑；支護方案

引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，為了滿足建筑的施工需要，建筑深基坑工程逐漸向著大規(guī)模的方向發(fā)展，在長度、寬度及深度等方面都有了顯著的增加。針對建筑深基坑規(guī)模不斷擴大的現(xiàn)狀，如何選取合理的支護方式保證其安全性成了急需解決的問題。結(jié)合各工程實例總結(jié)了支護設(shè)計及施工的關(guān)鍵技術(shù)措施，豐富了超深基坑支護結(jié)構(gòu)形式。結(jié)合目前對于超深基坑支護方式及驗證手段的研究成果，本文針對鄰近古建筑超深基坑工程，結(jié)合地質(zhì)水文條件及周邊建筑安全控制要求，確定合理的支護方案，并通過數(shù)值模擬的方式對支護及降水方案進行優(yōu)化，為工程技術(shù)人員提供參考。

1工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

根據(jù)次次勘察揭露的地層情況，結(jié)合區(qū)域資料綜合分析，根據(jù)場地所處地貌單元及其沉積旋回特征，場地地層主要受河流沖、洪積作用的影響。勘探深度范圍內(nèi)地基土層主要是第四系全新統(tǒng)及更新統(tǒng)河流沖、洪積地層，按沉積時代和成因類型從上向下依次為：第①層為第四系全新統(tǒng)（Q42ml）人工堆積成因的填土，

向下第②~⑨層為第四系全新統(tǒng)（Q41）河流沖、洪積相沉積地層，以下為第四系上更新統(tǒng)（Q3l）河流沖、洪積相沉積地層，此次勘察未揭穿。其土層分布及主要物理力學(xué)參數(shù)見表1

擬建場地地貌為沖洪積傾斜平原，勘探深度范圍內(nèi)揭露場地地下水類型為孔隙潛水，水位主要位于填土、細(xì)砂、粉土和中砂中，主要受大氣降水及側(cè)向徑流補給，排泄主要是人工取水（包括基坑降水）。勘探期間屬豐水期。鉆進中遇到地下水時，及時停鉆量測初見水位，并在鉆孔結(jié)束且水位穩(wěn)定后，量測靜止水位。

2基坑支護方式選型分析

結(jié)合本工程的周邊環(huán)境、地質(zhì)及水文條件，止水帷幕主要有以下幾種工藝：(1)SMW工法SMW工法，即水泥土樁中插入H型鋼作為支護結(jié)構(gòu)的施工工藝，其不僅承受荷載，同時發(fā)揮抗?jié)B止水的作用。相比于傳統(tǒng)支護方式，該工法可有效縮短工期，節(jié)約造價，并且對環(huán)境污染小，適用范圍廣，防滲性能好，但常規(guī)設(shè)備難以滿足超深基坑止水需求，故本工程并不適用。(2)TRD工法TRD工法又稱等厚度水泥土地下連續(xù)墻工法，是一種利用鋸鏈?zhǔn)角懈钕溥B續(xù)施工等厚度水泥土地下連續(xù)墻的施工工法，具有施工深度大（最大深度可達(dá)60m）、適用地層廣、成墻品質(zhì)好、成墻精度高等特點，但在福建地區(qū)施工經(jīng)驗有限，故未作為首選方案。(3)CSM工法CSM工法又稱雙輪銑水泥土攪拌墻工法，其是結(jié)合現(xiàn)有液壓銑槽機與深層攪拌技術(shù)施工地下連續(xù)墻的工藝。具有施工深度大（最大深度可達(dá)50m）、適用地層廣、成墻品質(zhì)好、成墻精度高等特點。在該地層適用性有待于進一步驗證，亦未作為首選方案。(4)地下連續(xù)墻支護具有較高的適用性、整體剛度高、抗?jié)B性能好、支護結(jié)構(gòu)不易變形、安全性高等優(yōu)點，但造價較高。由于本工程周邊環(huán)境復(fù)雜，地下水條件復(fù)雜，各建（構(gòu)）筑物的變形控制要求高，綜合以上多方面因素考慮，采用地下連續(xù)墻+三道內(nèi)支撐的支護方式。

3降水方案

基坑采用三軸攪拌樁作為止水帷幕；地庫基坑?xùn)|南角有電力排管的區(qū)段，在樁間設(shè)置高壓旋噴樁代替三軸攪拌樁，其余三角由于有障礙物，三軸攪拌樁無法閉合，采用雙排高壓旋噴樁連接。三軸攪拌樁樁徑為850mm，樁長為18～20m，套接1孔，水泥采用P·O42.5,1m3水泥用量為350kg，樁體無側(cè)限抗壓強度要求≮1.5MPa，水灰比取1.5~2.0。高壓旋噴樁樁長為20m，樁徑為500mm，樁間搭接≮150mm；水泥采用P·O42.5，水灰比為1.0，水泥用量為200kg·m-1，混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值≮3.5MPa。高壓旋噴樁與三軸攪拌樁的搭接：搭接處三軸攪拌樁在內(nèi)側(cè)，高壓旋噴樁在外側(cè)；搭接寬度≮200mm，搭接長度≮1.0m；先施工攪拌樁，樁體抗壓強度達(dá)到設(shè)計要求后，施工高壓旋噴樁。降水井按間距15.0m正方形布置，井深按基坑下8.0m（電梯井及周邊降水井相應(yīng)加深）控制。

4有限元模型的建立

地下連續(xù)墻－內(nèi)支撐支護結(jié)構(gòu)是基坑中受力最為合適，能夠承受較大應(yīng)力的支護結(jié)構(gòu)體系，通過構(gòu)建內(nèi)置實體模型，進行數(shù)值模擬展示內(nèi)支撐。地下連續(xù)墻、內(nèi)支撐、錨桿和冠梁參數(shù)見表2。

通過FLAC3D構(gòu)建模型來模擬基坑支護結(jié)構(gòu)，首先考慮選擇結(jié)構(gòu)單元還是實體單元來進行數(shù)值模擬。但是本模型結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且數(shù)量較多，因此多通過結(jié)構(gòu)單元來進行數(shù)值模擬。模擬主要應(yīng)用到梁、樁、錨桿和內(nèi)支撐四種線性單元。通過共用節(jié)點的方式處理相異的結(jié)構(gòu)單元間的連接，即為剛性連接。

5有限元計算結(jié)果及分析

提取出基坑的水平和豎向位移云圖、建筑物的水平和豎向位移云圖。

圖1建筑物的水平位移

圖2建筑物的豎向位移

由圖1和圖2可以看出：(1)基坑開挖造成臨近的2層仿古建筑和臨近6層磚混住宅樓產(chǎn)生偏向基坑的水平位移，且6層建筑的最大水平值位移大于2層建筑的最大水平值。6層磚混住宅樓的最大水平位移值為3.8mm，最遠(yuǎn)點的水平位移值為1.7mm;2層仿古建筑的最大水平位移值為2.6mm，最遠(yuǎn)點的水平位移值為2.3mm。(2)基坑開挖造成兩棟建筑發(fā)生不均勻沉降，且該沉降值隨著與基坑距離的不斷增加而減小，建筑物表現(xiàn)為向基坑內(nèi)傾斜。6層磚混住宅樓的最大沉降值為8.5mm，最遠(yuǎn)點沉降值為6.6mm，傾斜度為0.00015,2層仿古建筑的最大沉降值為5.8mm，最遠(yuǎn)點沉降值為3.7mm，傾斜度為0.00021。

6分析假定

整個模型建立過程基于如下假定：(1)地連墻采用實體單元，內(nèi)支撐、冠梁及腰梁采用梁單元，由于高壓旋噴樁以及水泥土攪拌樁主要為了保證連續(xù)墻的止水效果，模型中地連墻以保證其連續(xù)性，故模型中不對旋噴樁及攪拌樁進行建模；(2)地連墻長度若達(dá)到中風(fēng)化層，即采取落地式止水帷幕，則只降低坑內(nèi)水位，不考慮地下水滲流；反之，若地連墻長度未達(dá)到中風(fēng)化層，則考慮地下水滲流；(3)土體均采用硬化土本構(gòu)(Plastic-Hardeningmodel)，基于工程經(jīng)驗，取E50=Es1-2,Eoed=E50,Eur=(3~10)E50;(4)模型中土體的重度、壓縮模量、黏聚力及內(nèi)摩擦角參數(shù)取值如表1所示，對于模型中的土層厚度、滲透系數(shù)等其余所用到的參數(shù)如表3所示；

表3 計算參數(shù)（土層）

結(jié)束語

通過分析結(jié)果，在基坑開挖時，地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐會承受更大的壓力，發(fā)生較大的變形。為了保證基坑的安全，可以改變地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐的樁長、樁徑、預(yù)應(yīng)力和其受力情況。支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計和變形監(jiān)測的進行對深基坑的開挖施工有著非常重要的作用，可以提前支護基坑，并且觀察變形情況，應(yīng)對潛在危險的發(fā)生。

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