建筑物超載對(duì)深基坑周邊地表沉降影響分析

劉登攀

(上海浦東工程建設(shè)管理有限公司，上海 200136)

建筑物超載對(duì)深基坑周邊地表沉降影響分析

劉登攀

(上海浦東工程建設(shè)管理有限公司，上海 200136)

結(jié)合理論推導(dǎo)和對(duì)工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的整理分析，對(duì)天然場(chǎng)地和存在鄰近建筑物時(shí)2種情況下的墻后地表沉降形態(tài)進(jìn)行了對(duì)比分析，采用上海軟土地區(qū)墻后地表沉降經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)存在建筑物超載情況下的地表沉降曲線進(jìn)行了良好的擬合，直觀地表示出地表沉降槽的大小及形狀、墻后最大沉降點(diǎn)的位置等。結(jié)果表明，鄰近建筑物的存在能顯著改變天然場(chǎng)地的地表沉降曲線形態(tài)，是否考慮建筑物存在的影響，將影響到對(duì)基坑及周邊環(huán)境安全狀態(tài)進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。

深基坑;建筑物超載;實(shí)測(cè)分析;地表沉降;沉降槽寬度

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，地下鐵道以及臨近地鐵的地下工程日益增多。這些工程大部分都要面臨深基坑開挖，保護(hù)周邊環(huán)境的問題［1］。由于上海地區(qū)工程地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件較差，基坑開挖極易產(chǎn)生較大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及周邊環(huán)境構(gòu)筑物變形;再者，地鐵的性質(zhì)決定了其車站往往要建在建筑物密集地區(qū)，鄰近建筑物所形成的地面荷載也會(huì)對(duì)基坑變形產(chǎn)生不容忽視的影響［2～4］。近年來，上海地區(qū)眾多基坑工程實(shí)例表明，建筑物超載作用下的基坑及周邊環(huán)境變形與天然地面情況下的變形性狀有著不小的差異［2］。如不能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)有無超載2種工況下基坑及周邊環(huán)境的變形性狀，將會(huì)影響到所得變形規(guī)律是否與實(shí)際情況相符，進(jìn)而影響到對(duì)基坑及周邊環(huán)境安全狀況的正確評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。

1 天然地面墻后地表沉降計(jì)算

1.1 天然地面墻后地層豎向位移場(chǎng)

綜合簡(jiǎn)單位移場(chǎng)及修正的地層補(bǔ)償法［5］，可以得到天然地面圍護(hù)墻后任一點(diǎn)的豎向位移:

1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形引起的地面沉降估算

按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料回歸、推導(dǎo)出的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式，可從已知基坑擋墻水平位移推算坑周土體位移。1.2.1 墻后最大地面沉降值

根據(jù)統(tǒng)計(jì)的上海地鐵各條線的部分車站的實(shí)測(cè)資料，并結(jié)合前人的研究成果，在已知基坑擋墻水平位移的情況下，推算墻后最大地面沉降值δvmax的經(jīng)驗(yàn)公式為:

式中:δhmax——圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移;β——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，β=0.7～1.0，δh大時(shí)β取大值，當(dāng)δh≤5‰h0時(shí)，β可取0.7，如果考慮降水因素β取大值。

最大地面沉降值距離基坑的水平距離xm與開挖深度h0的關(guān)系，可以根據(jù)下式估算:

式中:λ——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，λ=0.5～0.7，粘粒含量大于50%時(shí)，λ取0.7，粘粒含量在20%～30%時(shí)，λ取0.5。1.2.2 墻背面處地面沉降值

墻背面處地面沉降值δv0可以根據(jù)下式估算:

式中:δhmax——圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移;β'——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，β'=0.5～0.6。

1.2.3 墻后橫向地面沉降

根據(jù)Peck教授的理論［6］和上海地區(qū)實(shí)際情況修正模式，得到地表沉降曲線，如圖1所示。

圖1 地表沉降計(jì)算曲線

地表任意一點(diǎn)的沉降為:

地面最大沉降為:

2 天然地面地表沉降實(shí)測(cè)分析

2.1 工程及監(jiān)測(cè)概況

上海某地鐵車站長(zhǎng)149.5 m、寬約18 m。車站為地下二層單柱雙跨島式車站，采用明挖順作法的施工工藝及地下連續(xù)墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度約14.6 m。本工程實(shí)例中，監(jiān)測(cè)斷面處場(chǎng)地地面無超載，也無鄰近建筑物存在，也沒有地下管線通過，因此可以作為研究天然地面沉降規(guī)律的理想條件。為研究地表沉降，在該段圍護(hù)墻對(duì)應(yīng)位置，結(jié)合土體測(cè)斜沿橫向布置3個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)斷面，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 墻后地表沉降及深層沉降點(diǎn)布置

2.2 地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測(cè)斷面SP2由于堆放施工材料被壓，無法得到完整的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。另外兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面SP1及SP3的地表沉降實(shí)測(cè)曲線見圖3。

圖3 地表沉降實(shí)測(cè)曲線

圖4 地表沉降曲線的指數(shù)部分?jǐn)M合

采用擬合曲線表達(dá)式中的參數(shù)i，對(duì)三角形沉降模式部分進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，然后與指數(shù)部分進(jìn)行疊加，得到完整地表沉降曲線的數(shù)學(xué)擬合表達(dá)式:

監(jiān)測(cè)斷面SP1:

根據(jù)上述擬合公式計(jì)算得到地表沉降的計(jì)算值，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比如圖5所示。

圖5 地表沉降的實(shí)測(cè)值與擬合值對(duì)比

上述結(jié)果表明，采用式(5)對(duì)墻后地表沉降曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)描述是可行的。通過這樣的擬合處理，不僅可以描述地表沉降的形態(tài)，而且可以直觀地體現(xiàn)出墻后地表最大沉降點(diǎn)位置，以及沉降曲線的陡緩程度和地表曲率的變化情況。

3 存在超載時(shí)的墻后地表沉降計(jì)算

眾多基坑工程實(shí)例表明，在鄰近建筑物或地面超載的作用下，深基坑周圍地表沉降與無超載時(shí)的坑外地表沉降特征迥異。

3.1 墻后垂直位移場(chǎng)分布

楊國(guó)偉［2］通過有限元計(jì)算，得到墻后土體水平側(cè)移隨著距墻體水平距離的增大而呈近乎直線規(guī)律減少的規(guī)律。由于豎向荷載作用下墻后地表豎向附加應(yīng)變與水平應(yīng)變近似成正比，因此，可假定墻后土體由于超載作用引起的豎向附加沉降，其分布規(guī)律亦為直線，其方程形式為:

式中:k——直線斜率，需根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸得到; β——基坑開挖水平影響距離系數(shù)，上海地區(qū)可取為2;H——基坑開挖深度。

3.2 超載水平對(duì)豎向附加沉降的影響

設(shè)開挖前墻后被動(dòng)區(qū)側(cè)壓力系數(shù)為K0，開挖后側(cè)壓力系數(shù)為K'，則超載水平引起的豎向沉降Δεy為:

Δεy=－(1/E)μ(1+μ)(K0－K')(γh+p)(8)式中:p——坑周分布超載值，kPa;γ——土體容重; E——土體彈性模量;μ——土體泊松比;h——土體深度。

土體在某一深度總豎向應(yīng)力為γh+p，而該點(diǎn)的不考慮超載時(shí)豎向應(yīng)力為γh。定義ξp=(γh+ p)/(γh)為該點(diǎn)的超載水平。

3.3 超載埋深對(duì)豎向附加沉降的影響

超載埋深對(duì)其所引起的豎向附加沉降有直接影響，超載埋深決定了其下產(chǎn)生附加沉降的土層厚度。超載埋深越淺，其下的擾動(dòng)土層厚度越厚，壓縮量亦越大?？紤]超載深度對(duì)產(chǎn)生豎向附加沉降的土體厚度的影響，定義如下壓縮土層深度修正系數(shù):

式中:h0——超載埋深，m;H——開挖深度，m。

3.4 超載存在時(shí)坑周地表沉降

超載大小及超載埋深對(duì)墻后各點(diǎn)的豎向附加沉降有顯著影響，綜合考慮超載的大小及埋深，可得超載作用下坑周豎向地表沉降為:

4 建筑物超載時(shí)的墻后地表沉降研究

在城市中心進(jìn)行地鐵車站基坑的施工時(shí)，往往會(huì)在基坑周圍存在著各種的既有建筑物，這些建筑物的存在對(duì)基坑墻后地表沉降的形態(tài)有顯著的影響。本節(jié)通過對(duì)工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析整理，來初步表明鄰近建筑物存在的情況下，地表沉降形態(tài)的一些直觀特征。

4.1 工程及監(jiān)測(cè)情況

上海地鐵某車站呈南北走向，車站長(zhǎng)277 m，寬19.64 m，標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度15.2 m，南北兩端各有20.7 m×26.74 m、深約17 m的端頭井。圖6是該車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段基坑與鄰近建筑物的相互位置關(guān)系，以及地表沉降部分觀測(cè)斷面的測(cè)點(diǎn)布置圖。

4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)平行于建筑物的地表觀測(cè)斷面上的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖7是B樓和C樓旁邊地表測(cè)線上的地表沉降曲線。

圖6 基坑周圍地表沉降測(cè)點(diǎn)布置部分?jǐn)嗝鎴D

圖7 存在鄰近建筑物時(shí)的地表沉降實(shí)測(cè)曲線

采用地面沉降曲線經(jīng)驗(yàn)公式(5)，對(duì)存在鄰近建筑物時(shí)的地表沉降曲線進(jìn)行擬合整理，并將擬合沉降曲線與實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖8。

上述分析表明，對(duì)于存在鄰近建筑物情況下的墻后地表沉降曲線，同樣可以采用式(5)來進(jìn)行擬合分析，而且擬合的精度也是可以滿足工程使用要求的。通過對(duì)存在建筑物超載時(shí)的地表沉降曲線的數(shù)學(xué)描述，同樣可以直觀的描述地表沉降槽的大小及形狀等變形性狀。

5 兩種工況下地表沉降實(shí)測(cè)對(duì)比分析

5.1 工程概況及周邊環(huán)境

上海市某地鐵車站呈東西走向，車站主體結(jié)構(gòu)外包尺寸長(zhǎng)192.80 m，為地下二層島式車站。車站標(biāo)準(zhǔn)段采用0.6 m厚、28 m深的地下連續(xù)墻。端頭井采用0.8 m厚、31 m深地下連續(xù)墻。

基坑南側(cè)有2幢5層民房，磚混結(jié)構(gòu)，條形基礎(chǔ)，距離基坑約7 m，對(duì)基坑變形較為敏感。距基坑北側(cè)約25 m有在建9層商業(yè)建筑一幢?？油獾乇沓两导敖ㄖ锍两禍y(cè)點(diǎn)布置見圖9。

5.2 無建筑物超載存在時(shí)的地表沉降

圖8 地表沉降曲線及高斯擬合

圖9 部分標(biāo)準(zhǔn)段地表及建筑物沉降測(cè)點(diǎn)布置

基坑北側(cè)的建筑物距離基坑約25 m，接近2倍基坑開挖深度的范圍。而且，該建筑物的承載樁基為鉆孔灌注樁，樁底標(biāo)高為地下38 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過基坑的開挖深度。從圖10所整理的觀測(cè)斷面D2、D3和D4的地表沉降實(shí)測(cè)曲線上來看，該建筑物的存在對(duì)墻后地表的沉降基本沒有什么影響。因此，本文中認(rèn)為該建筑物處于坑外地表沉降影響區(qū)域之外，不會(huì)對(duì)該處的地表沉降形態(tài)產(chǎn)生影響，可將該側(cè)的墻后地表看作天然場(chǎng)地，來研究天然場(chǎng)地下墻后地表沉降的變形規(guī)律。

圖10 天然場(chǎng)地條件下地表沉降實(shí)測(cè)曲線及高斯擬合

由于設(shè)置的地表測(cè)點(diǎn)數(shù)量較少，不能整體顯示地表沉降特性，只能反映距基坑11 m范圍內(nèi)的沉降情況。從圖10(a)、(b)、(c)可以看出，位于基坑北側(cè)天然場(chǎng)地的地表沉降觀測(cè)曲線D2、D3和D4中，最大沉降點(diǎn)位置出現(xiàn)在8 m左右，約等于基坑開挖深度的一半。各斷面的最大沉降量在30～50 mm之間，而緊鄰墻背面處的地表沉降大致是最大地表沉降量的0.5倍。這些與文獻(xiàn)［7］的統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本是吻合的:最大沉降點(diǎn)的距離為開挖深度的0.5倍，而墻背處沉降則為最大地表沉降量的0.5倍。對(duì)于基坑南側(cè)的觀測(cè)斷面D7來說，該處雖然沒有能夠直接對(duì)其產(chǎn)生影響的建筑物存在，但東側(cè)建筑物距離該觀測(cè)斷面約18 m，還是能對(duì)該處的地表沉降形態(tài)產(chǎn)生一定程度的影響。從圖10(d)該斷面的實(shí)測(cè)沉降曲線上來看，最大沉降點(diǎn)位置在9.2 m處，與基坑北側(cè)完全的天然場(chǎng)地沉降相比，距離基坑的距離有所增大，同時(shí)最大沉降量達(dá)到了80 mm，大于北側(cè)的天然場(chǎng)地沉降量。但緊鄰墻背面處的地表沉降量仍為最大沉降量的0.5倍，仍然符合文獻(xiàn)［7］的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

5.3 存在鄰近建筑物超載時(shí)的地表沉降

由于基坑南側(cè)的2棟建筑物距離基坑較近，處于墻后地表沉降區(qū)的最大沉降點(diǎn)位置附近，受到坑外地表變形的影響較為顯著。同時(shí)，該建筑物自重所產(chǎn)生的約80 kPa的坑外超載，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)時(shí)考慮的20 kPa的施工荷載，直接影響改變了該處不考慮建筑物存在時(shí)的地表沉降曲線形態(tài)。圖11是存在鄰近建筑物時(shí)，基坑南側(cè)地表沉降觀測(cè)斷面D8、D9的實(shí)測(cè)沉降曲線及高斯形式擬合情況。

圖11 存在鄰近建筑物時(shí)地表沉降實(shí)測(cè)曲線及高斯擬合

圖11顯示，D8和D9的地表沉降曲線中，最大沉降點(diǎn)位置距基坑的距離有所增加，出現(xiàn)在10 m左右處，約等于基坑開挖深度的2/3。該兩處的墻后地表最大沉降量分別為129 mm及207 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基坑北側(cè)的地表最大沉降量。同時(shí)，緊鄰墻背面處的地表沉降量分別為最大沉降量的0.35倍和0.2倍。這些與文獻(xiàn)［7］的統(tǒng)計(jì)結(jié)果均有不小的出入。

將2種場(chǎng)地類型條件下的地表沉降形態(tài)進(jìn)行整理，沉降曲線的主要參數(shù)匯總于表1中。

表1 地表沉降形態(tài)參數(shù)匯總表

對(duì)比2種情況下地表沉降曲線形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，存在鄰近建筑物的觀測(cè)斷面地表沉降形態(tài)較平緩，沉降槽寬度大于天然場(chǎng)地的沉降槽寬度，即建筑物的存在使得地表沉降曲線傾斜減小，曲率降低。而對(duì)比2種場(chǎng)地條件下的地表沉降最大點(diǎn)位置，發(fā)現(xiàn)存在建筑物時(shí)的位置相對(duì)天然場(chǎng)地有所增加，盡管這個(gè)增加量不是很大。

6 結(jié)論

鄰近建筑物超載的存在能顯著改變天然場(chǎng)地的地表沉降曲線形態(tài)，兩種工況下的地表沉降規(guī)律有著不小的差異。因此，是否考慮建筑物超載對(duì)深基坑周邊地表沉降的影響，將直接關(guān)系到能否使所得到的地表沉降規(guī)律與實(shí)際情況相符合，關(guān)系到能否對(duì)基坑本身及周邊建筑物受力及變形進(jìn)行正確的分析，從而進(jìn)一步對(duì)其安全狀態(tài)進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。

因此，在對(duì)基坑本體及周邊鄰近建筑物進(jìn)行受力分析以及進(jìn)行安全評(píng)判之前，需要對(duì)存在鄰近建筑物超載情況下的地表沉降形態(tài)進(jìn)行深入的研究，對(duì)現(xiàn)在已采用的天然場(chǎng)地下的地表沉降經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正，以便更準(zhǔn)確地描述基坑周邊的地表沉降形態(tài)。

［1］劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

［2］楊國(guó)偉.深基坑及鄰近建筑物保護(hù)研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2000.

［3］劉登攀，劉國(guó)彬.鄰近建筑物對(duì)某基坑變形影響的分析［J］.巖土工程技術(shù).2007，21(1):28－31，45.

［4］劉國(guó)彬，劉登攀.基坑施工對(duì)周圍建筑物沉降的影響分析［J］.建筑結(jié)構(gòu).2007.37(11):79－83.

［5］李亞.基坑周圍土體位移場(chǎng)的分析與動(dòng)態(tài)控制［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，1999.

［6］Peck R B.Deep Excavations and Tunneling in Soft Ground［C］，7th ICSMFE，State-of-the-Art Volume:1969.225－290.

［7］C.Y.OU，P.G.Hsieh.Prediction of Ground Settlement Caused by Excavation［Z］.Paper submitted to GT.ASCE，1996.

Analysis on the Influence of Building Overload to Ground Settlement Adjacent to Deep Foundation Pit

LIU Dengpan(Shanghai Pudong Project Development Co.，Ltd.，Shanghai 200136，China)

According to the theoretical derivation and reorganizing analysis on the engineering test data，comparative analysis was made on the ground settlement under different conditions of natural ground and the site with existing buildings.With the empirical formula of ground settlement in soft soil of Shanghai，the ground settlement curve of existing buildings overload were fitted with visual representation of the size and shape of ground settlement tank as well as the position of the largest settlement.It is showed that the existence of adjacent buildings obviously change the ground settlement curve shape in natural ground，the consideration of the influence by existence of adjacent buildings is related to the correct evaluation and prediction on the safe state of foundation pit and surrounding environment.

deep foundation pit;building overload;test analysis;ground settlement;width of settlement tank

TU473.2

A

1672－7428(2012)06－0058－06

2012－03－16

劉登攀(1978－)，男(漢族)，河南南陽人，上海浦東工程建設(shè)管理有限公司工程師，巖土工程專業(yè)，博士，從事市政工程方面的研究與管理工作，上海市浦東新區(qū)棲山路959號(hào)101室，dpliucumt@163.com。