基坑周边建筑物沉降变形的影响因素
摘要：用FLAC-2D这一工程软件对某地区做模拟分析，研究这一地区桩-锚支护形式下基坑开挖造成周边建筑物沉降变形的问题，研究得出，开挖深度、锚杆层数等因素，对周边建筑物的沉降变形有一些规律性的影响：当基坑与建筑物的距离大于1.5H时，建筑物的沉降量受锚杆层数的影响并不大；但当基坑与建筑物的距离小于1.5H时，那么锚杆层数就会对建筑物的沉降量造成较大影响，随着锚杆层数的增加，影响逐渐减小。且建筑物的沉降量会随着基坑的开挖深度而变化，开挖深度增加，那么沉降量也会增加。当基坑的开挖深度大于临界开挖深度时，建筑物的沉降位移会有显著的增加；但当基坑开挖深度小于临界开挖深度时，建筑物的沉降位移的变化率就比较小。
关键词：基坑；沉降；锚杆；数值分析
基坑的开挖必定会造成周边建筑物沉降变形，影响建筑物的安全和正常使用。造成这一现象的原因有很多，是由多种因素共同作用而产生的，现阶段拥有的计算理论对于此现象产生的原因很难做出正确、全面的分析。近年来发展出了一种数值模拟方法，是在计算机的基础上对基坑变形进行分析的一种有效方法，大型工程软件FLAC-2D采用弹塑性大变形理论，对在桩锚的支护下造成的基坑开挖引起周边建筑物沉降变形的因素进行了数值模拟分析，从而得出周边建筑物的沉降变形的规律。
1数值模拟方案
1.1基坑支护方案
模拟基坑深17.100m，长110.00m，宽74.00m，用桩锚的支护形式进行模拟设计。
1.2设计参数如下图所示
1.2数值模拟方案
为了方便进行模拟实验数值之间的比较，来得到基坑对于周边的建筑物沉降变形造成的影响的规律，选择出的模拟实验方案数值如下：
（1）在基坑周围无建筑物的情况下：此方案分为三种情况，设一层锚杆、设二层锚杆、设三层锚杆。
（2）在基坑周围有建筑物的情况下：此方案分为四种情况，基坑距建筑物2.0H（34m）、1.5H（25.5m）、1.0H（17.0m）、0.15H（8.5m）这四种情况。其中H代表基坑的深度。在这四种情况下，每一种情况里又分为设一层、二层、三层锚杆这三种情况。
2数值模拟模型和参数的选择
2.1数值模拟模型
2.1.1土体模型
选择基坑模型时，对模型的土体长度进行选择为105m，厚度选择为40m，进行较大边界的选择可以减少边界对于计算结果的误差。土体的选择应该使用Mohr- Coulomb屈服准则，土体底部边界限制进行竖向位移，左右边界限制进行水平位移。
2.1.2建筑物模型
模拟中，基坑周边的建筑物是地下1层到地上10层的一栋高层建筑，为框架结构。地下部分高4.0m，地上部分高3.0m，用厚度为0.5m的筏板做基础。框架柱的纵向间距为6m，横向间距为6、3、6m， 框架梁截面的尺寸是0.3 m×0.5 m，柱的截面尺寸是0.5m×0.5 m。框架的柱和梁使用beam 单元模拟，用interface单元进行土体与地下的接触面模拟。
上图中观测点A设为建筑物基础左下点，B设为右下方观测点。
2.1.3支护结构模型
桩与土体间的接触面用 interface单元模拟， 排桩用 beam ， 锚杆用 cable。
2.2数值模拟参数
结构物参数于表1、2所示，土层参数为表3所示。
2.3数值的模拟过程
在数值模拟中，数值的计算过程和施工的实际过程完全一致，按照以下步骤进行：
（1）先计算没有基坑情况下的土体对建筑物进行初始重力作用，得到土体的初始应力状态。
（2）对挖基坑开始模拟，建立出建筑物的模型，计算出不开挖基坑的情况下建筑物的土体应力状态。
（3）进行基坑开挖实验，分九步进行开挖，在前八步时每次挖2m，最后一次时挖1m，总共开挖17m的深度。
3数值模拟结果和分析
3.1在建筑物距离基坑8.5m时
建筑物和基坑距离为8.5m的情况下，建筑物A、B点的沉降变形曲线如下图所描述。
设一层锚杆时，A点的沉降位移最大，是48mm；设二层锚杆时，A点的沉降位移是30.4mm；三层锚杆时A点的沉降位移是21.4mm，为最小。
另外，在模拟结果中可以看到，A点在第一步开挖结束时发生了微小的沉降位移，引起这种现象的原因是建筑物和基坑之间的地面超载。随着对基坑开挖的逐渐进行，A点的沉降位移也在逐步减小，因为建筑物距离基坑较近，所以在开挖过程中，坑边土体进行回弹，坑底土体隆起，导致土体向上移，所以A在开挖后受到了坑边土体的抑制。A点的沉降位移进行逐渐增加是从第四步开始，但是初步的位移幅度不大，直到从第六步开始才有明显的增大幅度。
第六步进行开挖时，建筑物的沉降位移的增长率转折点所对应的基坑开挖深度为12m，把这个数值称为开挖深度。当基坑的开挖深度超过基坑的临界开挖深度时，建筑物的沉降有明显增加；低于临界开挖深度时，建筑物的沉降位移变化就相对来说比较小一些。
在工程进行实际进展中，要对临界开挖深度进行格外重视。若基坑开挖深度超过临界开挖深度，就要采取措施来保证施工质量，例如减少土体的暴露时间、增加锚杆注浆压力、及时喷混凝土面层等等，这样才能减小因基坑开挖而造成的周边建筑物的绝对沉降量。
锚杆的层数对建筑物中B点的沉降位移造成的影响不大。在三种情况下，B点的沉降数值曲线比较接近。但是初级阶段时，增加的幅度并不大，从进行第六步开挖时，也就是临界开挖深度，从这时起，B点的沉降位移就随着开挖的深度的增加而变得幅度明显增长。如图所示：
3.2建筑物距离基坑17m时的情况
4结论
根据模拟得出，在典型的南宁地质类型条件的情况下，采用桩锚支护体系，基坑对周边建筑物沉降变形的影响因素和规律如下所述：
（1）建筑物和基坑边缘的距离若小于1.5H，那么此时建筑物的沉降量受到锚杆的设置层数影响是比较大的，但是二者为反比，会随着锚杆设置出的层数的增加而逐渐减小；但当基坑边缘与建筑物的距离超过1.5H时，那么此时建筑物受的影响并不明显。
（2）建筑物的沉降量与基坑的开挖深度成正比，随着基坑开挖深度数值的增加而增加，当基坑的开挖深度比临界开挖深度小时，建筑物的沉降位移也会变小，基坑的开挖深度比临界开挖深度大时，建筑物的沉降位移也会随之而增大。
（3）在实际施工过程中，当基坑的开挖深度将要超过临界点时，就要及时采用措施来减小周边建筑物的沉降变形，来保证施工质量，因此，要十分注意临界开挖深度。
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