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浅析近接工程拆除对邻近高层建筑的影响

2021-12-24 82 上传者：管理员

摘要：文章以某相邻建筑为例，利用有限元建模分析方法，建立上下协同的三维有限元模型，模拟研究预拆建筑拆除后，对其周边邻近建筑的不利影响。结果表明，预拆建筑拆除后，对周边地层和10号楼的应力和变形均会产生一定影响。因此，建议在未对10号楼进行有效保护的情况下，暂时不要对预拆建筑进行拆除。

关键词：
三维有限元模型
城市化发展
工程地质
工程拆除
高层建筑
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1、引言

随着我国社会经济的快速发展，城市化进程不断推进，城市更新活动日益频繁，其中城市中的旧房、危房以及违建房屋的拆除活动逐渐成为我国城市建设过程中的一个重要现象[1,2]。同时，近20年来，我国房屋拆除率已达城市房屋规模的50%以上，这就不可避免地会出现一些近接拆除工程对其周围未拆除建筑后期安全性的影响问题。但目前针对此类城市建筑拆除对周边建筑的安全性影响研究，多集中于建筑爆破或机械拆除过程中震动效应对周边建筑环境的影响方面[3,4,5,6,7]，还鲜有相关工程技术人员展开近接拆除对周边建筑静力安全特征影响的研究工作。

本文以某住宅小区10号楼周边建筑拆除对其安全影响评估为例，通过分析预拆除建筑与某小区10号楼之间的位置关系，结合现场周边环境和工程地质情况，利用有限元方法建立三维分析模型，研究预拆除建筑拆除后可能对10号楼产生的不利影响，以期为今后类似工程提供技术上的参考。

2、工程概况

2.1 工程现场情况

某小区10号楼附近存在一栋违建楼房，现状用途为学生公寓，与10号楼最近距离约8m，其中高层住宅楼高约58.8m，属于高层建筑，违建楼房高约21.6m，属于多层建筑，现场情况如图1所示。

2.2 建筑结构状况

10号楼为框架剪力墙结构，共包括地上和地下两部分。其中，地上结构共20层，地上1层层高5.6m，地上2层～20层层高2.8m；地下结构共2层，地下2层层高3.4m，地下1层层高5m，基础采用筏板基础，板厚约0.65m。预拆建筑为多层砖混结构，共6层，每层层高约3.6m，基础形式为条形基础，基础埋深约2m。10号楼结构如图2所示，预拆建筑结构如图3所示。

2.3 区域地质状况

2.3.1 工程地质条件

根据场区已有资料和钻探揭露地层资料，本区域地面以下20m深度范围内主要以砂类土为主，其中，标高约8.5m～8.8m以上以新近沉积和第四纪沉积的粘性土、细砂、粉砂为主，其下以第四纪沉积的粘性土为主。新近沉积的粘性土压缩模量一般为4.1MPa～7.5MPa，属中高压缩性土，局部地点地表下1.5m～2.4m以内存在高压缩性土，压缩模量为3.2MPa；第四纪沉积的粘性土压缩模量一般为6.10MPa～15.10MPa，属中高～中低压缩性土。地面以下20m～150m深度范围内主要为砂类土层与粘性土层的交互沉积层。

2.3.2 水文地质情况

本区地面以下150m深度以内，自北向南第四纪含水层主要为6层，含水层岩性为砂类土，单层含水层厚度最薄为1.5m～3m，最厚为26m～28m，上述深度范围内含水层总厚度67m左右。

本区潜水的补给主要受大气降水入渗补给和冲洪积扇侧向径流补给，以及灌溉回归水补给等，以蒸发和地下水径流等方式排泄：区内承压水受越流和侧向径流等补给，以人工开采和地下水径流等方式排泄，径流条件良好。

根据水文地质条件和地下水动态特征可分为潜水动态特征和承压水动态特征。本区内潜水属渗入—蒸发、径流型动态，受大气降水入渗影响，该层水水位通常埋深在地面下6m～8m。每年1、2月份出现最低水位，丰水期的8、9月份水位较高，水位年变幅一般为2m～4m。本区内承压水主要属径流开采型动态。一般在每年的6、7月份出现最低水位，最高水位出现在来年的1、2月份，年变幅一般为1.3m～8.1m。

2.3.3 地震地质特征

本地区新构造运动十分强烈，且新构造运动以断块活动为基本特征，活动断裂具有继承性和新生性的特点。以北东向断裂为主，与之近于正交的北西向及近东西向、近南北向断裂活动次之，活动方式以频繁的升降运动为主，亦有一定的走滑运动。地表构造变异、深部地球物理场和现代形变场均明显反映出北京地区具有孕育强震深部的背景。

根据历史记载，本地区曾发生过若干次不同级别的地震，自公元294年居庸关5.5级地震以来，至2002年，共记录到4.7级以上破坏性地震85个，其中，8级地震1次(1679年三河～平谷地震)：7～7.9级地震1次；6～6.9级地震15次，且这些地震距市区仅几十公里。

3、多元耦合建模及参数设置

3.1 整体模型

为了充分考虑建筑结构与地层之间的协调变形情况，本文建立涉及地上结构与地下土层的多元耦合模型。本模型分上部结构和下部地层两部分，整体长160m，宽75m，高108.9m。其中，上部结构又分为10号楼和预拆建筑两部分，高58.9m；下部地层分为三层，自上而下第一层土体厚度8.8m，第二层土体厚度11.2m，第三层土体厚度30m，共计50m。

此外，10号楼模型共22层，长50.8m，宽27m，高67.2m（其中地上58.8m，地下8.4m），剪力墙体厚0.2m，混凝土楼板厚0.12m，混凝土梁截面为0.2m×0.4～0.6m（宽×高），混凝土柱截面为0.5m×0.5m（宽×高）。预拆建筑模型共6层，长49.5m，宽20.5m，高23.6m（其中地上21.6m，地下2m），砌体砖墙厚0.24m，混凝土楼板厚0.12m（见图4）。

3.2 参数设置

本模型材料主要涉及砖砌体、混凝土结构以及地层土体，其中，砖砌体结构和混凝土结构采用弹性本构，地层土体采用摩尔库伦本构，具体材料参数如表1所示。

3.3 单元及边界设置

3.3.1 单元设置

本模型共涉及三种单元类型，即一维线单元、二维板单元和三维实体单元。其中，一维线单元主要用于梁、柱结构；二维板单元主要用于砌体砖墙、混凝土剪力墙及楼板结构；三维实体单元主要用于地层土体。

3.3.2 边界条件

本模型边界主要涉及地层土体边界条件，应设置为左右侧面采用x向约束，前后侧面采用y向约束，底面采用x、y、z三方向约束。

3.4 荷载设置

本模型荷载主要包括建筑结构和地层土体自重荷载以及楼面和屋面荷载。其中，自重荷载方向z轴负方向，楼面和屋面荷载取2kN/m2。

4、理论分析及计算结果

4.1 理论初判

根据相关地基设计规范和岩土力学理论[8,9,10]，外界荷载卸荷之后，地基土体将会向上位移，使其周边地基土体出现隆起现象。因此，本工程当预拆建筑拆除后，极可能导致附近10号楼出现上浮变形，致使其产生不均匀沉降现象。主要原因有三点。

(1)既有建筑拆除后的卸荷回弹。因为建筑拆除前，土中各点都处于平衡状态，拆除后地基土由于缺少向下的压力出现应力重分布现象，土体自重应力释放，回弹上移。

(2)卸荷回弹后地基土变得松软，更加剧了土体隆起上移。

(3)当存在地下水时，卸荷后土体吸水导致土体膨胀上移。

4.2 模拟结果分析

4.2.1 内力分析

1）地层应力变化

由图5可以看出，当预拆建筑拆除后，下部土体缺少了相应荷载的压制作用，其地层应力发生重分布，其中整体地层最大应力由拆除前的558.64kN/m2变化为555.67kN/m2，变化量相对较小；局部地层（预拆建筑下部）应力由114.21kN/m2变为14.98kN/m2，变化量相对较大，减小到原有应力13%左右。由此可见，预拆建筑拆除后，会使其下部局部地层应力得到释放。

2)10号楼应力变化

由图6看出，当预拆建筑拆除后，10号楼最大应力由1985.35kN/m2变为1947.49kN/m2，下降1.91%，整体变化不大。

4.2.2 变形分析

由图7可以看出，当预拆建筑拆后，其下部土体z方向最大变形为127.27mm（隆起）；10号楼z方向最大变形为17.76mm（隆起），最小变形为-6.33mm（沉降），差异变形为24.09mm。因此，可以看出预拆建筑拆除后，会对其周边地层和邻近10号楼的变形产生一定影响，同时，考虑到10号楼修建时已经存在一定的不均匀沉降现象，所以在未对10号楼进行有效保护的情况下，暂不建议对预拆建筑进行拆除处理。

5、结语

本文以北京市某小区近接拆除工程为例，利用有限元建模方法，考虑地层与结构的相互作用，分析预拆建筑拆除后对邻近10号楼的影响。结果表明，预拆建筑拆除后会对相邻建筑产生一定影响，建议在未对相邻建筑进行有效保护的情况下，暂不对预拆建筑进行拆除处理。

参考文献:

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