地下建筑结构工程实例

地下建筑结构交通运输工程学院地下建筑结构

1.1工程概况

湖北省高级人民法院位于武昌区首义路新建湖北省高级人民法院二号楼办公楼。办公楼高9层,总建筑面7922m2(不含地下室),采用框架结构,高38.50m,基坑开挖深度约3.85~7.05m。抗震设防分类为丙类,该工程重要性等级为二级,场地等级为三级,地基等级为二级。基坑大致呈矩形,东西向宽25.50m;南北向长45.00m,基坑开挖面积约1150.oom2,基坑周长约140m。1.工程概况及地质情况1.2工程地质及水文地质条件1、工程地质条件本基坑位于三级阶地。开挖后,侧壁中上部为填土和一般粘性土,部分坡段下部为老粘性土,部分坡段侧壁下部仍为一般粘性土,坑底接近老粘性土,总体而言,侧壁中上部土质条件相对较差,坑底土质良好,对整体稳定有利。场地内地基岩土层划分为四个层组共六个亚层。2、水文地质条件场地经人工整平后相对平坦。场地地下水分为上层滞水及砂土层中空隙承压水。（1）层杂填土,结构松散,属中等透水层,含少量上层滞水,但不能形成统一自由水位,受大气降水及地表径流补给;(2)二层三层属弱透水层,一般起隔水作用。4、5层为粉砂夹粉土、粉质粘土,粉砂,属含水层,为空隙承压水。地下建筑结构1.3环境条件及力学性能指标本基坑环境条件比较严峻,东侧为五层办公楼,与拟建二号办公楼相连接,基坑需要紧贴原有基础开挖,基坑东南边距离份7层住宅5.7m,南边距离八层住宅9.5m,西边距离首义路9.5m,北边距离围墙仅3m。用地范围较为狭窄,基坑开挖必须重视环境保护。为确保施工安全,在基坑施工前进行了详细的管线探测,地下室开挖范围内无地下管网分布。地下建筑结构基坑监测由多方面内容组成,检测项目的选择应根据基坑工程的安全等级、周围环境的复杂程度和实际工作条件等因素而定。周边建筑物沉降观测是基坑周围环境监测其中的一个内容。在深基坑开挖过程中,为了掌握临近建筑物的沉降情况,确保周边环境的安全,需进行沉降观测。2.1基坑监测方案

本工程沉降水准观测,对基坑周边边坡土体和建筑物沉降监测共布设10+8个沉降观测点。其中,在基坑周边土体共布设10个水平位移和沉降观测点,东面两栋距基坑较近的被测建筑物的首层柱上共为3个沉降观测点。其中对周边建筑物进行13次沉降观测。观测周期与工程进度密切联系,基坑开挖期间,土体扰动对周围环境影响较大,沉降速率较大,故保证每隔2天一次观测,时刻注意环境动态,后期施工过程中,根据实际情况相对减小监测频率。2.位移监测成果地下建筑结构2.2沉降观测成果

该工程监测工作从2007年11月27日开始,至2008年3月24日结束。分析中将第一次,累计观测时间未118天。将沉降监测结果整理见表1。为了能更直观看出周围建筑物沉降随时间的变化规律,对表中数据进行比较后,选取具有代表性的已有建筑物上M7、M8点和基坑顶面坑边M4、M8点(见图1),将各点的沉降观测数据,绘制成随时间的沉降曲线图如图1。地下建筑结构表1周边建筑物水平位移及沉降监测成果汇总表图1典型沉降观测点沉降与时间关系曲线图地下建筑结构图中:①-⑤分别表示第一到五次分步开挖工况。从上图表可以看出:1、东侧已有建筑物位移随基坑开挖处于不断增大的趋势,但随着基坑开挖支护完成后一段时间,位移趋于稳定。2、监测点M7、M8累计沉降量在2.5mm左右,基坑边M4、M5累计水平位移在2.5mm左右,累计沉降值和水平位移发展趋势均在容许范围内,且几乎没有差异沉降,不会对基坑边坡和周边环境产生危害。满足基坑稳定和周边建筑物安全要求。地下建筑结构l、计算范围通过分析该深基坑工程的地质条件,周边环境及基坑要求,结合收集的资料,不考虑地下水的影响,对整个基坑的东面进行三维数值模拟。基坑东面分BC段和CD段两段:BC段长20m,基坑顶面标高-2.8m,基坑底面标高-9.4m,开挖深度6.6m,采用预应力锚杆支护结构,放坡坡率1:0.3;CD段长25m,基坑顶面标高-1.4m,基坑底面标高-6.85m,开挖深度5.45m,采用超前钢管桩复合预应力锚杆支护结构,垂直开挖。本计算模型在基坑宽度方向(x方向)取25m(开挖面后影响区取15m,开挖基坑内影响区取10m),长度方向(y方向)取65m(两侧各加宽10m影响区),深度方向(z方向)取20m。在建立FLAC3D计算模型时,3.模型和参数设置地下建筑结构将计算模型的基本土层概化为三层,力学模型采用摩尔一库仑模型,采用brick原始模型生成网格,单元网格边长约为lm,模型共有30125个单元(zones),33566个节点(grid一points)。生成的网格图见图2。图2基本几何模型图3无支护开挖模型地下建筑结构

通过对各个基坑土体类型在无支护开挖条件下的计算,以及根据边坡土体中的位移变形分布判断边坡的破坏区域、破坏路线,进而确定各种土层边坡的破坏模式。模型的无支护开挖采取按不同深度基坑类型一步开挖到基底的模式,这样虽然与实际的分步开挖有一定不同,但对边坡破坏总体趋势研究是可行的。基坑无支护开挖模型见图3。2、边界条件

边界条件分为位移边界条件和受力边界条件利用FLAC3D中fish语言程序命令:fix(位移方向)range(位移约束面),可在网格模型中设定位移边界条件。模型除x=0面及基坑顶面为自由面不设置位移边界条件外,其余面均采用法向约束。坑底边界静止不动,假设为固定铰支,限制三个方向的位移;模型x轴及y轴方向两侧避均施加边界约束条件,限制该临空方向的位移;基坑顶面为设为自由面,不加约束。地下水己进行处理,可不考虑。利用FLAC3D中fish语言程序命令:applyszz(荷载大小)range(荷载范围),可在网格模型中定义受力边界条件。本工程CD段基坑周边己有建筑物荷载,荷载大小为90KN。地下建筑结构对基坑放坡开挖BC段,可以采取对开挖土体和基坑围岩土体分别建模,建模中用到基本单元的八节点定义方式。然后用null定义开挖土体部分的模块来模拟,如图4。本工程实例中基坑坡率较大,近乎直立开挖,也可直接采取每步开挖支护中,再多次分步开挖得到阶梯状开挖面的方式近似模拟坡面开挖。经模拟计算验证,该建模方式对基坑开挖支护数值模拟计算结果影响很小,可忽略不计。4.分步开挖支护计算模型图4坡面开挖建模示意图地下建筑结构

整个基坑开挖支护模拟严格按照工程施工顺序,分层分段开挖与支护。如表2所示,CD段分五步开挖,BC段分四步开挖,因CD段地面标高较高,故先开挖CD段第一层土体,然后开挖BC段第一层土体,完成第一步开挖支护后,进行模拟计算,保存计算成果;然后依次进行CD段和BC第二步开挖支护,再次计算;依次类推完成整个基坑开挖支护过程。CD段单独完成第五步开挖,该步开挖后无预应力锚杆支护,但因开挖深度不大,且开挖完成后及时进行面层喷锚加固,故能够满足稳定和变形要求。分步开挖深度及开挖前和每步开挖后的坑底标高信息收集于表2中。数值模拟计算的不平衡率设为0.00001。表2基坑分步开挖深度地下建筑结构分步开挖与支护计算模型见图4名至图9图4微型钢管桩超前支护图5第一步开挖与支护模型图图6第二步开挖与支护模型图图7第三步开挖与支护模型地下建筑结构图8第四步开挖与支护模型图9第五步开挖完成后模型地下建筑结构5.1初始地应力场的生成基坑开挖前,先进行土体的自然固结计算,即初始地应力场的生成,然后消除固结过程产生的位移。初始地应力场的生成选用分阶段弹塑性求解法进行生成。基本步骤为:生成网格模型--定义模型为摩尔--库伦弹塑性本构模型--设置土体强度参数、在模型上添加所有的物理边界条件(包括位移边界条件和受力边界条件)--并设置土体密度和重力加速度--输入sofveelastic命令--软件按照默认设置自动分阶段求解---保存计算结果至initial.sav文件---自然固结位移清零。初始地应力场生成的水平位移(x方向)和垂直位移(z方向)结果如图10、图11。5.数值模拟计算地下建筑结构图10土体自然固结x方向位移图11土体自然固结z方向位移地下建筑结构由结果可以看出:1、x方向初始地应力固结的位移图中,前后两面因添加位移约束条件,故使得模拟值与固结位移值稍有偏差,主要表现在模型局部荷载区域靠近后侧x方向位移约束处,但总体而言,可以代表场地初始地应力场的水平固结位移分布。2、x方向位移图表明:土体因承受局部建筑荷载而产生水平位移,最大水平位移出现在荷载下方的土体表面,最大值仅为1.6mm。一般而言,在地面无局部荷载(或荷载沿整个场区表面均匀分布)且各土层为成平面各向异性体的理想情况下,土体自然固结不会产生水平方向的位移。故在基坑设计计算以及数值模拟分析中均不能忽略周边建筑物的荷载作用。3、水平位移向外影响范围约为荷载宽度的一倍,远离荷载处水平位移非常小,可不计。模型前后两个边界因定义位移边界条件,故位移值为零。地下建筑结构4、z方向固结沉降位移图表明:最大沉降值出现在局部荷载下方土体表面,最大固结位移约为3.47cm,且荷载对沉降位移的影响范围不大,边界土体初始地应力沉降固结位移约为Zcm。5、因受土体自重作用,同一垂直平面内,土体固结沉降位移最大值出现在土体顶面,因存在沉降位移的累积,随着深度增大位移值逐渐变小,在模型底面边界,因定义边界约束条件,沉降值为零。地下建筑结构5.2无支护开挖位移分析通过零模型(null)来模拟基坑开挖,逐层开挖工况可以通过逐层设置开挖区材料为零模型来模拟。但是在无支护开挖时,分不开挖模拟和一次性开挖模拟结果差别不大,故在对无支护开挖的基坑模拟计算直接通过一次性开挖到位后进行运算(solve)。基坑无支护开挖模拟水平、垂直位移及位移速率计算值见图12、13。地下建筑结构图12无支护开挖模拟水平位移计算图13无支护开挖模拟水平位移速率计算图14无支护开挖模拟沉降计算图15无支护开挖模拟沉降速率计算地下建勤筑结构从基坑企无支护滔开挖模温拟位移屡等值线毕图可以纲获得如呆下信息:1、若该怀基坑不遇进行支适护,直接放由坡开挖,则基坑最牛大水平位味移为0.5宗32m渴,发生在CD段基坑侧拴壁临空面,位移方向捞指向基坑;最大水平益位移速率扩为0.4低04训耐s,方向指向疼基坑。2、基坑凡最大垂接直位移(沉降)也发生怕在CD段基坑侧断壁临空面,最大沉降践量为0.3虎9lm蕉;最大垂直滔位移速率颠为0.30加7mn/斜s。周边建味筑物底面蛇将产生较灯大的沉降易差,将影响呀该建筑膜的正常犯使用甚镜至破坏盗。3、分析危上图中贞的位移详及沉降零数据可舌以知道,基坑在无南支护状态朱下开挖时,将引起枣基坑壁书位移和陆变形速讽率都很躲大,不能满朋足基坑急稳定和娘变形的嫂要求。在实抄际工程码开挖中,因受各种夜不确定因伏素的影响,基坑很可招能己经发婆生坍塌,必须予劳以支护炮加固,确保安全。地下建筑壁结构4、从基朵坑位移敌分布图集结合不书平衡力惧模拟计猛算结果悦知,基坑开挖备隐患位于CD段,其主要危班险因素为云距基坑5.7m远的90K绝N局部建遭筑荷载卖。因支热护工艺册采用小软型机械允施工,为充分惧反映周唯边建筑铸物对基榜坑稳定寄的相互脖影响,模拟过挑程中忽瞧略了基风坑顶面特的施工朵荷载以灯及雨水模等不确著定因素葬的影响,可知在损基坑BC段不平或衡力很糟小,直接开挖往产生的位雹移也可忽僚略不计。地下建苦筑结构5.3分步开闯挖水平匠位移分乔析对基坑分熔步开挖进典行模拟分洁析。由于温基坑位移蓝控制方向筑为x和z方向,故水平位造移只列出x方向的等挑值线图。闹分步开挖芽水平位移碌等值线图困及典型剖奇面图见图16到21。图16第一步开挖支护x方向位移等值线图图17第二步开挖支护x方向位移等值线图地下建呀筑结构图18第三步开挖支护x方向位移等值线图图19第四步开挖支护x方向位移等值线图图20第五步开挖支护x方向位移等值线图图21第五步完成后CD段x方向位移典型剖面图地下建筑到结构图中左侧蒙表示x方向的位它移。下面婚的数值为怒位移大小旗的变化范绒围,从上到下蜻由负值到非正值,负值代表盈向基坑内筋侧移动,正值代表望背离基坑先开挖面。爪对应于右币侧图中同止颜色区域标的位移值熔。从图示顺中可以戏看出:(l)总体趋来势:基坑边坡鄙同一支护紧方式同一摔深度处的肌水平位移垃随开挖的穿进行而逐肥步增加,但坡顶的莲水平位移站主要在第宫三步开挖穿时明显发产生,第五步开日挖开挖后跳由于基坑饮的约束解剧除,而没有进隶行支护,基坑边义坡也发呜生较明科显位移岁。但因园该步开阻挖深度徐较小,随着土体姥的平衡,位移不会那明显继续蛛发展。(2)位移影响扫区:随着开挖类深度的增润加,开挖面上纯的水平位药移逐渐增啦大,开挖面下摇部一定范简围内的土台体也产生瓜水平位移,并且随管着开挖偶的进行,影响区域垃越来越大丛。地下建筑银结构(3)B召C段坡顶位践移:前四次脊开挖完堂成后,位移等值食线图上水仍平位移均兰为正值,直到第肾五步开技挖完成场后,坡顶土帮体挤压伍基本被蛋还原,土体水电平位移柳约为0;与CD段相比驶较,坑顶总毁体位移铸趋势是迹相同的,最终位移遣较小反映例了边坡土障体稳定性祸安全系数宪大于CD段。(4)C没D段最大迁位移:在第一挑步开挖反完成后,最大水薪平位移朋发生在森基坑顶请面;随着深度罗的增加,水平位环移最大誉值转移江到边坡堂底附近,整体有双向基坑壮方向倾寻斜的趋扮势;随着开愁挖进行,位移最丧大值不樱断向下飘发展,水平位泥移上小导下大,开挖面皂向着基聋坑滑动访的趋势发。(5)畏BC段最大下位移:第一步修开挖完奋成后,最大水平浩位移也发复生在基坑盆顶面;随着深度层增加,位移最大移值向着边顺坡底部附解近发展,第四步开惕挖至第五端步开挖,整个边坡度处于稳定辜状态,位移值扰很小,仅在坡底锯有1刃n幻n左右的诞位移值哀。(6)由于预应留力锚杆支泻护的作用,坡顶的受水平位珠移得到雄了一定活的约束,使得土体傲最大水平盖位移没有房诚出现在坡笋顶,而且土握体的变娱形也得夸到了有洁效的控眠制,确保周边鄙建筑物安党全。地下建筑阴结构综上所述,在深基坑唉开挖过程帅中,基坑周边美土体水平订位移呈现懒出上小下穴大的分布颗规律,有整体猛滑动的铁趋势,即基坑会边坡破勺坏形式增为沿某杰一滑裂尼面滑动漠破坏,在预应力柜锚杆支护巩设计中,应按照佳滑面破用坏计算惜方法控出制好自堪由段与乐锚固段梳的长度,锚杆的锚有固段一定蝇要位于滑寻裂面之后舞的稳定岩表土体,锚杆长度昏可按从上套而下由长村到短的布愁设原则。地下建间筑结构5.4分步开挖惹垂直位移脾分析基坑水龄平位移办控制和架垂直位隔移控制扁一起构窄成基坑福位移控谊制的两活个方面性。基坑墓开挖后,边坡及弟周边土呜体的不罗均匀沉树降均会鸡影响基裁坑施工解安全和法周边建庄筑物的失稳定。棒基坑边午坡施工惠稳定性指主要表劫现在水勇平位移胃上,而周边建通筑物安全谊则要求通偷过控制基加坑周边土原体的不均叉匀沉降来爸保证。基坑在分菜步开挖支碧护后,进行平衡届计算同样呈可以得到垂直位绑移等值焰线分布写图,列出每步护开挖后z方向的湿垂直位盛移等值魔线分布狸图,见图22到27。地下建筑象结构图22第一步开挖支护z方向位移等值线图图23第二步开挖支护z方向位移等值线图图24第三步开挖支护z方向位移等值线图图25第四步开挖支护z方向位移等值线图地下建戒筑结构图26第五步开手挖支护z方向位灾移等值转线图旺图27开挖支迟护后CD段z方向位移撒典型剖面浮图地下建筑名结构图中左侧勤表示z方向的柿位移。勉下面的乓数值为稠位移大禁小的变元化范围,从上到冠下由负呢值到正捕值,负值代表惊向土体沉子降,正值代危表土体肤隆起。江对应于杜右侧图歇中同颜缸色区域丽的位移崭值。从图中否可以看满出:(l)基坑开漏挖打破靠了原始救土体的挡应力平土衡状态,致使土体尺中应力重即新分布,形成二拉次应力飘场。基蛋坑周边身土体发妹生沉降,而基坑享底部的佳土体发感生隆起御。每开皂挖一步测时,坑壁土体岔由于应力嗓松弛在土微体自重及泻地面荷载奥作用下产妹生沉降;基坑底土尽体由于上歉层土体重易力释放及雕基坑壁土伙体的挤压,则产生奏隆起。份随着开线挖的进勤行,坑壁沉降作量和坑底骄隆起均逐永渐趋于稳末定。地下建筑论结构(2)第一步帝开挖时,基坑边坡六顶部土体津的沉降量脉只出现在袍基坑顶面薪局部荷载壮处,随着开挖户深度的增卖大,沉降区损域逐渐尿延伸到托靠近基惠坑边缘止处,在第五步届开挖表现乱比较明显按。开挖完闻成后地面兽局部荷载床处最大沉丢降量为2.5满mm。对周应边建筑隶将产生幕约5刃n们n的沉降袭差,不会影撇响已有颤建筑物残的稳定般和正常穷使用功绍能。(3)基坑开挖并过程中,坑底一买直表现箩为隆起岂状态,且隆起列量随开钱挖进行傻不断增游大,在第五喜步开挖收完成后,达到最大吵隆起量7rn幻。。寻基坑底裤部靠近与开挖面笋处的土然体隆起具量较大,在CD段基坑周糟边土体下拴降挤压下处容易发生阁屈服。(4)基坑开宏挖过程病中,基坑周边屠土体发生签沉降不大,主要沉降跃和差异沉狂降在基坑巩顶面荷载毯处;在基坑底燥部主要为齿隆起,基坑坑底樱隆起控制盗也是基坑吉工程中的斯重要内容随。从本质蛋上讲,基坑坑底科隆起主要卖是由基坑叨周边土体丽沉降对坑捆内土体的很挤压作用谣导致的,少量隆起暑是基坑开懒挖使坑内妙土体应力葬释放而产旱生的回弹,因此只要循支护结构购严格控制旗基坑周边咸沉降量,基坑底脆及时进竿行垫层妨等施工,基坑坑喝底隆起调就可以秆控制在晚一定的叛范围内次。地下建筑谷结构5.5模拟结果屠分析1、模型选第取的合理来性为全面换研究基裳坑坑底倡下层土摇体位移桃的变化宝情况以撇及坡后厚土体位桨移的变茶化规律,将模型进推行三维延晨伸,模拟结买果验证隆了边界刮选择的闯合理性,受力及位许移影响范亡围均在选唐定模型范受围内。另胆外,在开挖过梨程中,基坑开姓挖深度词以下的呼土体存币在水平熄方向位留移和垂丝式直沉降,但在接近止于模型下扯边界处位久移变化为目零;坡后土挖体在2H处水平位良移和垂直徒位移也降畏至为零。融因此可以康说明选择询的计算范充围是科学继的,模型的计最算结果也符是符合实枯际的。2、基坑支秘护的稳定朋性最大水平砌位移产。墨值和最大薯水平位移聋与开挖深滋度H的比值(