基坑开挖对邻近砌体结构的影响分析.pdf

王伟等 基 坑开挖对邻近砌体结构 的影 响分析 1 0 5 基坑 开挖对邻 近砌体 结构 的影 响分析 王伟 ， 1 ．滨海土木 7 - 程结构 与安全教育部重点实验室 ． 天津 刁钰 3 0 0 0 7 2； 2 ．天津大学土木工程 系。 天津3 0 0 0 7 2 【 摘要】 采用线弹性和理想弹塑性两种材料模型建立砌体结构 ， 对 比分析是否考虑塑性变形的砌体结构 在三种不同典型基坑支护变形形式下的反应。分析结果表明 线弹性模型与理想弹塑性模型相比， 砌体结构的沉 降、 倾角基本一致 ， 但考虑砌体结构理想弹塑性后的砌体墙体主拉应变大于线弹性模型的主拉应变； 在开挖深度 一 定和支护结构最大侧移相同时 ， 内凸式支护结构变形模式下建筑墙体产生的拉应变最大， 踢脚次之， 复合式最 小 ； 墙体拉应变主要分布在门窗洞口的上部及建筑两侧与基础接触部分， 是建筑物易破坏部分。 【 关键词】 基坑； 砌体结构； 三维有限元 【 中图分类号】 T U 9 4 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 3 0 3 0 1 0 5 0 3 随着经济的发展， 城市化进程的加快， 城市用地的日趋 紧张， 城市地下空间的利用正逐渐快。对于位于市区的基 坑工程， 由于其周边建筑密集， 道路管线密布， 故要严格控 制施工过程基坑围护结构的变形。如果基坑工程施工中对 周边建筑物造成损伤、 破坏 ， 不仅会造成重大的经济损失 ， 还会造成严重的社会影响。因此 ， 为了保证城市中心基坑 工程的顺利进行， 必须针对基坑开挖对周边环境的影响这 一 问题进行研究， 其中针对基坑周边建筑的研究成 了重 中 之重。 目前针对基坑开挖对周边建筑物影响的研究主要有简 化分析法和有限元法两种方法。简化分析法不考虑基坑与 周边建筑物的相互作用， 认为基坑周边的建筑物所在位置 的地表沉降值即为该位置建筑物的沉降值 ， 进而用来预估 基坑开挖对周边建筑物的影响， 这种将基坑的变形和建筑 物的变形独立研究方法有一定局限性。 有限元方法可以对基坑开挖下周边建筑物的变形进行 分析， 在一定程度上能反映建筑和基坑变形之间的相互耦 合影响， 国内外一些学者已做过一些研究 ， 然而其对建筑物 的模型常进行较大程度的简化， 使得分析所得的建筑物变 形与实际建筑物的变形存在一定的差异。本文以砌体结构 为研究对象， 在考虑土体小应变刚度特性的基础上， 采用三 维有限元方法， 建立包括墙、 板、 基础等构建 的砌体结构精 细化模型并且分采用线弹性和理想弹塑性两种材料模型， 通过对比， 考察塑性变形对砌体结构的影响。 1 计算模型 采用 P L A X I S 3 D 2 0 1 1 进行模拟， 模型参数具体如下 1 土层参数。模型土为均质， 厚度为 6 0 m， 土体的 本构模型采用 H S S模型， 即考虑土体小应变特性的硬化模 型， 土层参数如表 1所示。经有限元结果与经验公式对比， 该参数可较好模拟开挖过程土体及结构的反应 j 。 2 基坑尺寸。基坑开挖深度 6 、 9 、 1 2 、 1 5 m， 围护结 构采用地下连续墙， 厚度 0 ． 8 m。文章利用对称性采用一半 的基坑开挖深度 3 0 m作为研究对象。 3 建筑参数。建筑模型为砌体结构模型， 建筑物尺 寸为 2 2 ． 5 m X 4 ． 5 m， 层数 3层， 层高 3 m， 2层和 3层为标准 层 ， 门的尺寸为 2 ． 0 m1 ． 5 m， 窗的尺寸为 1 ． 8 m X1 ． 5 m。模 型中楼板考虑为理想弹性材料 ， 厚度取 0 ． 1 0 m， 弹性模量取 3 0 G P a ， 泊松比0 ． 1 5 ， 纵墙、 横墙、 横隔墙分别采用线弹性和 理想弹塑性两种模型模拟砌体结构材料。从而， 可以研究 当砌体结构过大变形 ， 进入塑性情况下的性状。墙体厚度 取 0 ． 2 4 m， 不考虑梁、 柱的影响， 砌 体结构 采用墙下条形 基础 。 表 1 土层物理力学参数 本文采用弹性和理想弹塑性来模拟新建建筑。模型参 数取值如表 2所示。 表 2 砌体结构参数 4 开挖模拟。砌体结构纵墙垂直于基坑边 ， 保证建 筑物位置 2 m和地连墙插入比 1不变， 改变基坑开挖深度。 通过改变地 连墙 和支撑 的刚度， 保证地连墙最大侧移在 3 0 mm左右， 研究建筑物的反应。 建模顺序以开挖 9 m为例 a 重力加载； b 激活建筑 物 位 移归 零 ； c 施工地 下连续墙 d 开挖 至 一 0 ． 5 m； e 在0 m处架设第一道支撑 ； f 开挖至 一 3 ． 5 m； g 在 一 3 m处 1 O 6 低温建筑技术 2 0 1 3 年第3期 总第 1 7 7期 架设第二道支撑； h 开挖至 一 6 ． 5 m； i 在 一 6 m处架设第 二道支撑； J 开挖至 9 m。 据作者已有研究 J ， 支护结构墙体发生不同形式的变 形时， 及时支护结构墙体最大水平位移相同， 不同变形模式 可对建筑物产生不同程度的影响。为此 ， 本文在此基础上， 除了考虑不同变形模式 ， 还将考虑不同变形模式发生不同 最大水平位移时对建筑物的影响。以上述 9 m开挖深度基 坑为例， 得到的不同变形模式的支护结构墙体位移分布图 见图 1 。 地连墙变形／ mm 一● - 4 8 12 l6 ’n 图l不同变形形式下 围护结构水平位移 2 建筑物天然沉降及挠度 建筑物在白生重力作用下会产生初始沉降， 砌体结构 的初始沉降会使墙体产生初始挠度如图2所示。 1 4 ． 6 1 4 ． 8 1 5 ． 0 1 5 ． 2 I 5 ． 4 l 5 ． 6 1 5 ． 8 0_0 0 ． 2 喜。 -4 0．6 O． 8 建筑物纵 向坐标， m 0 5 l O l 5 2 0 2 5 a 砌体结构天然沉降 建筑物纵向坐标， m 0 5 l 0 l 5 2 0 2 5 砌体结构纵墙挠曲变形 图2 砌体结构天然沉降及挠度 由图2可以看出砌体结构天然沉降呈中间大两边小的 凹槽形。线弹性模型建筑的沉降和挠度比理想弹塑性模型 建筑的要小， 但二者的差距不是很大， 最大差值 0 ． 6 m m左 右， 挠度差在 0 ． 2 m m左右。 3基坑不同开挖深度下砌体结构反应 在基坑开挖过程中， 地连墙的变形形式主要有悬臂式、 复合式、 内凸式、 和踢脚式。本文主要研究在复合式、 内凸 式、 和踢脚式下， 在不同基坑开挖深度下， 砌体结构的反应。 3 ． 1 复合式变形下砌体结构的反应 1 0 E 2 0 吕 世 蛄3 0 4 0 弹塑性建筑纵向坐标， m 弹性建筑纵 向坐标／ m O 5 l 0 l 5 2 0 2 5 图3 砌体结构纵墙沉降曲线 1 天然地表沉降及墙体沉降。在复合式变形下， 不 同开挖深度下砌体结构墙体沉降见图 3 。由图 3可看出随 着基坑开挖深度的增加， 砌体结构整体沉降变大， 基坑深度 小于9 m时， 远离基坑一侧的墙体沉降在不同开挖深度时相 差不大。对比弹性和弹塑性模型发现， 两种模型沉降基本 一 致 。 0 ． 0 E 0 ． 5 昌 越 稻1 ．0 l j 弹性建筑纵向坐标『 m O 5 l O l 5 2 0 2 5 弹塑性建筑纵向坐标， m 0 5 l 0 l 5 20 2S 图4 砌体结构纵墙挠曲变形随基坑开挖深度变化 2 墙体的挠曲变形及拉应变。复合式变形模式下 砌体结构墙体随不同深度基坑的变化见图4 。由图4可以 看出墙体挠曲沉降区线呈“ 蝶形” 随着基坑开挖深度的增 加， 砌体结构墙体的挠曲变形加大， 对 比弹性模型和弹塑性 模型发现， 弹塑性模型的挠度要远远大于线弹性模型的挠 麦器 目目 泣 蛙 0 O 0 0 0 l 2 3 目 E、 髓嚣 王伟等 基坑开挖对邻近砌体结构的影响分析 l 0 7 度值。图5为两种模型墙体主拉应变的比较。 弹塑性模型 一 D ． 8 1 4 7 q o o 线弹性模型 0 ． 1 O 2 ‰ { B 开挖 1 2 m砌体结构墙体拉应变分布示意圈 基坑开挖深度， m b 墙 体最大拉应变随基坑开挖深度变化 图5 墙体主拉应力随基坑开挖变化 由图 5 a 可以看出在最大侧移相同时， 墙体的拉应变 主要集中分布在建筑两侧门窗空口的上部及靠近基础的墙 体 ， 建筑中心部分拉应变较小， 而且建筑中心的拉应变基坑 开挖深度的变化很小。对比弹性模型和塑性模型发现， 塑 性模型墙体的最大应变在纵墙两侧与基础接触的部分， 而 弹性模型则在门窗洞 口的上部。由图5 b 比较两种模型发 现弹性模型的拉应变较塑性模型的小的多， 线弹性模型建 筑墙体随着开挖深度的增加 ， 应变呈缓慢的线性增加， 而弹 塑性模型建筑墙体拉应变随着开挖深度的增加 ， 其应变的 增长速率越来越快。 3 ． 2 对 比分析 内凸式变形与踢脚式变形模式下砌体结构墙体沉降挠 曲变形与复合式变形模式下弹性模型和弹塑性模型情况类 似， 这里就不赘述了， 下面给出三种变形模式下， 墙体主拉 应变情况。 由图6可知， 三种变形形式下， 地连墙最大侧移想同时， 在基坑深度为 9 m之后 ， 复合式变形模式下建筑拉应变最 小， 踢脚次之， 内凸变形模式下建筑拉应变最大； 在开挖 6 m 时， 三种变形模式下建筑墙体的拉应变相差不大 ； 复合式变 形模式下 ， 建筑墙体拉应变在开挖 9 m之前变化较平缓 ， 开 挖 9 m之后建筑拉应变随开开挖深度呈直线迅速变化。 2 餐- 霸 0 6 9 l 2 1 5 基 坑开挖深度， T n 图6 不 同变形形式下墙体主拉应变在基坑不 同深度处的 比较 4结 语 本文用小应变土体硬化模型建立基坑与砌体结构三维 一 体模型， 研究砌体结构随基坑开挖深度的变化情况 ， 主要 从建筑墙体的沉降、 挠曲变形和主拉应变三方进行， 同时建 立线弹性模型与理想弹塑性模型建筑进行对比， 主要得到 以下结论 1 在建筑距基坑 2 m和地连墙最大侧移相同时， 三 种变形形式下 ， 建筑墙体的拉应变、 挠度等等随着开挖深度 的增加而变大， 在同一开挖深度处， 内凸式变形模式下墙体 的拉应变最大， 踢脚次之， 复合式变形模式下最小。 2 对比三种变形模式下建筑墙体的拉应变发现， 在 最大侧移相同时， 内凸式变形模式下墙体的拉应变最大， 踢 脚次之 ， 复合式最小。说明在同等开挖深度同等最大侧移 下 ， 复合式变形模式下建筑物是最安全的。 3 对比线弹性模型和理想弹塑性模型发现 ， 对于墙 体的沉降、 倾角两种模型相近 ； 线弹性模型墙体的主拉应变 主要分布在建筑两侧 门窗空 口的上部 ， 而理想弹塑性模型 建筑墙体主拉应变处分布在两侧门窗洞 口上部外， 在两侧 墙体与基础接触部分也有很大的应变 ； 对于墙体的主拉应 变、 墙体的挠曲变形线弹性模型比理想弹塑性模型小的多， 综合考虑塑性模型更符合实际些。 参 考文献 [ 1 ] 刘国彬， 王卫东． 基坑工程手册 第二版 [ M] ． 北京 中国建 筑工业出版社 。 2 0 0 9 ． [ 2 ] 袁海峰， 郑刚．邻近建筑物受基坑开挖影响有限元分析[ J ] ． 低温建筑技术 ， 2 0 0 6 ， 3 ． [ 3 ] 王群一 ， 李志伟， 郑刚 ．基坑开挖对邻近框架结构影响研究 [ J ] ． 低温建筑技术 ， 2 0 1 2 ， 1 ． [ 4 ] 郑刚， 李志伟．不同围护结构变形形式的基坑开挖对邻近建 筑物的影响对比分析[ J ] ． 岩土工程学报， 2 0 1 2 ， 6 ． [ 收稿日期] 2 0 1 2 1 1 2 1 [ 作者简介】 王伟 1 9 8 7一 ， 男， 辽宁盖州人， 硕士研究生 ， 研究方 向 地下结构。 ￡ 1 0 _【 、 州