基坑開(kāi)挖對(duì)周邊建筑結(jié)構(gòu)影響及破壞機(jī)理分析

韓杰浩

(太原經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)管委會(huì)，山西太原 030032)

中心城區(qū)建筑分布復(fù)雜，舊房屋拆除改建修筑高層的建筑時(shí)，對(duì)地基的要求更高，需要開(kāi)挖深度更大的基坑才能滿(mǎn)足承載力要求。然而，深基坑在開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)周?chē)h(huán)境的建筑結(jié)構(gòu)會(huì)帶來(lái)許多影響?；娱_(kāi)挖過(guò)程受到許多因素的限制，施工工藝復(fù)雜［1］。為此，許多研究學(xué)者在深基坑開(kāi)挖方面做了研究，唐孟雄等［2］通過(guò)數(shù)值分析按照正態(tài)函數(shù)推導(dǎo)出基礎(chǔ)沉降的參數(shù)公式，以此保護(hù)地下管道和電纜。開(kāi)挖工程引起基礎(chǔ)沉降問(wèn)題十分復(fù)雜，降水引起滲流作用也會(huì)固結(jié)土壤使之沉降［3］。此外，基坑開(kāi)挖也會(huì)引起周?chē)ㄖ蛘邍鷫Φ劝l(fā)生開(kāi)裂，有研究指出結(jié)構(gòu)類(lèi)型、材料特性、施工條件、氣候環(huán)境對(duì)房屋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫都有影響［4，5］。同濟(jì)大學(xué)邊亦海等［6］綜合了在基坑開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降曲線(xiàn)的變形結(jié)構(gòu)尺寸、臨界應(yīng)變等因素，建立計(jì)算模型，用裂縫寬度來(lái)評(píng)價(jià)基坑開(kāi)挖過(guò)程引起的建筑物潛在破壞類(lèi)型和方式。處于深基坑開(kāi)挖工程周?chē)h(huán)境的建筑物，包括房屋、圍墻、體育場(chǎng)等設(shè)施都會(huì)受到一定程度的擾動(dòng)。然而這種擾動(dòng)和離基坑之間距離的長(zhǎng)短以及基坑開(kāi)挖深度的關(guān)系還需要深入研究。筆者重點(diǎn)針對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中周?chē)h(huán)境中的房屋建筑發(fā)生的變化進(jìn)行調(diào)查分析研究。進(jìn)一步分析各種類(lèi)型的病害發(fā)生的機(jī)理，深入分析變形破壞規(guī)律，以此為基坑開(kāi)挖以及支護(hù)加固設(shè)計(jì)提供技術(shù)保障。

1 基坑開(kāi)挖周邊環(huán)境觀(guān)測(cè)

基坑開(kāi)挖工程是開(kāi)發(fā)地下空間的一種作業(yè)，基坑的開(kāi)挖有可能會(huì)引起周?chē)ㄖl(fā)生沉降、傾斜以及開(kāi)裂等病害。

1.1 建筑基礎(chǔ)沉降

在深基坑開(kāi)挖過(guò)程中，周?chē)ㄖ?，特別是在此之前就處于上方的房屋建筑基礎(chǔ)，在基坑開(kāi)挖后，一側(cè)失去水平力支撐導(dǎo)致基礎(chǔ)發(fā)生沉降。隨著開(kāi)挖深度的增加，沉降量也在逐漸變化，沉降檢測(cè)點(diǎn)布置情況如圖1所示。在基坑開(kāi)挖前，從調(diào)查觀(guān)測(cè)房屋以外100 m處選取水準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量房屋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)部位設(shè)置的①，②，③，④號(hào)測(cè)點(diǎn)的高程，其中①號(hào)測(cè)點(diǎn)距離基坑開(kāi)挖位置最近，僅有8 m。在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中，距離基坑最近的測(cè)點(diǎn)沉降量最大，詳細(xì)變化情況將于本文2.1節(jié)進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖1 沉降觀(guān)測(cè)點(diǎn)位置

1.2 建筑結(jié)構(gòu)傾斜

房屋建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜是由于基礎(chǔ)部位均勻沉降或者側(cè)向水平位移引起的，如圖2中所示，建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生豎向位移時(shí)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)從①，②，③，④位置移動(dòng)到①′，②′，③′，④′點(diǎn)，根據(jù)相互對(duì)應(yīng)點(diǎn)的不同時(shí)間的高程差計(jì)算結(jié)構(gòu)的傾斜情況。

圖2 建筑結(jié)構(gòu)傾斜示意圖

1.3 房屋墻面開(kāi)裂

由于建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)部位發(fā)生不均勻沉降，引起應(yīng)力重分布，基礎(chǔ)的承載力各有差異，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)拉伸作用，當(dāng)這種作用力達(dá)到一定程度之后，就會(huì)引起房屋墻體甚至是梁柱發(fā)生開(kāi)裂。根據(jù)工程實(shí)際情況，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)房屋建筑的墻面裂縫進(jìn)行調(diào)查。房屋總共9層，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察情況，8層和9層均未出現(xiàn)明顯裂縫，如圖3所示，4層～7層出現(xiàn)不少裂縫，其中裂縫寬度較大、長(zhǎng)度較長(zhǎng)的明顯裂縫如圖4所示。

圖3 4層～7層明顯裂縫

根據(jù)圖3中所示，6層、7層主要為斜向裂縫，5層的部位主要出現(xiàn)了豎向裂縫，4層部位出現(xiàn)的斜向裂縫和縱向裂縫數(shù)量逐漸增多，且裂縫寬度也在增大。如圖4所示，1，2，3樓的裂縫比樓層更高的墻面裂縫數(shù)量多，寬度大，且大多集中于①號(hào)觀(guān)測(cè)點(diǎn)部位。

根據(jù)調(diào)查結(jié)果可知，越是靠近基礎(chǔ)部位的樓層裂縫越多，而且裂縫密度較大，這些裂縫都是可以用肉眼直接看到的，初步調(diào)查，長(zhǎng)達(dá)1 m以上的裂縫已經(jīng)多達(dá)12條，大多集中在①號(hào)測(cè)點(diǎn)位置，越是遠(yuǎn)離該測(cè)點(diǎn)，裂縫數(shù)量越少，長(zhǎng)度越短，寬度越小。除此之外，仍然存在許多沒(méi)有顯現(xiàn)出來(lái)的裂縫，這些裂縫被墻面涂料掩蓋，但是仍然對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成了很大影響。

圖 4 1，2，3 樓裂縫

2 周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)

在中心城區(qū)進(jìn)行基坑開(kāi)挖時(shí)，由于開(kāi)挖后使得之前的填充材料確實(shí)引起支撐作用變化，因此對(duì)周邊環(huán)境建筑物進(jìn)行定時(shí)和定量監(jiān)控檢測(cè)十分必要。監(jiān)測(cè)過(guò)程中，主要是對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)沉降以及建筑物裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，傾斜情況監(jiān)測(cè)結(jié)果是根據(jù)基礎(chǔ)各個(gè)位置發(fā)生不均勻沉降計(jì)算分析所得。

2.1 沉降觀(guān)測(cè)

如圖1所示，在觀(guān)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)部位的四個(gè)棱角部位布置4個(gè)固定觀(guān)測(cè)點(diǎn)，首先在開(kāi)挖深度為0 m的時(shí)候，從100 m以外的某一位置埋設(shè)基本水準(zhǔn)點(diǎn)，將高程引至觀(guān)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)位置，記錄初始高程，然后開(kāi)挖基坑，不同開(kāi)挖深度的時(shí)候，對(duì)測(cè)點(diǎn)高程進(jìn)行測(cè)定，檢測(cè)時(shí)間在達(dá)到開(kāi)挖深度后2天。隨著開(kāi)挖深度的變化，測(cè)得沉降觀(guān)測(cè)點(diǎn)高程如表1所示。根據(jù)不同開(kāi)挖深度時(shí)各測(cè)點(diǎn)高程觀(guān)測(cè)結(jié)果，繪制出高程變化曲線(xiàn)，如圖5所示。

由高程變化曲線(xiàn)可知，不同測(cè)點(diǎn)號(hào)的沉降量不同，①號(hào)測(cè)點(diǎn)的高程變化最為明顯，降幅較大，剛剛開(kāi)始的時(shí)候高程降低變化速率相對(duì)比較緩慢。當(dāng)開(kāi)挖深度達(dá)到4 m之后，沉降速度加快，深度達(dá)到12 m之后，沉降開(kāi)始放緩，這是固結(jié)作用的影響引起的。從4個(gè)測(cè)點(diǎn)整體情況看，由于各測(cè)點(diǎn)到基坑開(kāi)挖邊緣距離不同，沉降量也不一樣，④號(hào)測(cè)點(diǎn)距離最遠(yuǎn)，影響最小。

表1 沉降觀(guān)測(cè)結(jié)果

圖5 結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)高程隨開(kāi)挖深度變化曲線(xiàn)圖

2.2 傾斜監(jiān)測(cè)

本研究中，傾斜度的觀(guān)測(cè)是通過(guò)沉降差異進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用沉降最大、最小兩點(diǎn)之間的差距進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算分析結(jié)果如表2所示。

表2 建筑結(jié)構(gòu)傾斜情況分析結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果看，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，建筑物的傾斜度逐漸增大，其變化規(guī)律和沉降變化相同。

2.3 裂縫觀(guān)測(cè)

在裂縫觀(guān)測(cè)中，在不同開(kāi)挖深度的情況下裂縫條數(shù)通過(guò)人工觀(guān)測(cè)，而裂縫寬度則采用裂縫測(cè)寬度儀進(jìn)行檢測(cè)，以便記錄分析開(kāi)挖過(guò)程中裂縫寬度變化的詳細(xì)情況，如圖6所示。

圖6 智能裂縫聯(lián)網(wǎng)觀(guān)測(cè)

通過(guò)智能裂縫聯(lián)網(wǎng)觀(guān)測(cè)儀對(duì)裂縫變化情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀(guān)測(cè)，以此分析開(kāi)挖方式、開(kāi)挖速度以及深度對(duì)裂縫生長(zhǎng)的影響。

3 破壞機(jī)理分析

在深基坑開(kāi)挖過(guò)程中，周?chē)ㄖY(jié)構(gòu)發(fā)生沉降、傾斜、開(kāi)裂等破壞，不同的破壞類(lèi)型存在不同的破壞機(jī)理，為進(jìn)一步分析其破壞規(guī)律，本文對(duì)三種病害的機(jī)理進(jìn)行分析。

3.1 沉降機(jī)理

在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，建筑結(jié)構(gòu)自重對(duì)土產(chǎn)生附加應(yīng)力作用。如圖7所示，由于建筑旁的土體的自重應(yīng)力將會(huì)產(chǎn)生主動(dòng)土壓力，在背離基礎(chǔ)部位形成水平作用力，使得土基承載性能降低。再者，開(kāi)挖基坑之后，原有地下水位線(xiàn)降低，基底內(nèi)部土體的飽和度降低，靜水壓力作用會(huì)隨之降低，土體的有效自重應(yīng)力增大，可能引起下滑危險(xiǎn)。地下水位下降后，由于孔隙率增大，基礎(chǔ)對(duì)土基的壓力作用沒(méi)有改變，類(lèi)似于排水固結(jié)試驗(yàn)原理，從而引起地表沉降。隨著開(kāi)挖深度的增加，地下水位逐漸降低，在此情況下，靜水壓力作用會(huì)逐漸減少，作用于土的直接應(yīng)力會(huì)增大，從而使得地基沉降固結(jié)，固結(jié)前期沉降變化幅度和變化速度都相對(duì)較大，后期愈見(jiàn)緩慢，如果開(kāi)挖深度基本恒定，沉降量增加到一定幅度后邊界處于微小狀態(tài)甚至停止沉降。

圖7 開(kāi)挖后土體受力與地下水位變化

3.2 傾斜機(jī)理

建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜是由于不均勻沉降引起的，在未開(kāi)挖基坑的時(shí)候，隨著開(kāi)挖深度的變化，沉降量逐漸增大，距開(kāi)挖基坑不同距離位置測(cè)點(diǎn)的沉降量各不相同。由于用于分析的建筑物基礎(chǔ)測(cè)點(diǎn)位置距離開(kāi)挖基坑邊界尺寸不同，因此受到基坑開(kāi)挖引起的影響程度不一樣?；A(chǔ)沉降與距基坑開(kāi)挖邊界尺寸之間的關(guān)系如圖8所示。

圖8 開(kāi)挖過(guò)程中基礎(chǔ)沉降與水平位移

從圖8可知，隨著開(kāi)挖深度的增加，開(kāi)挖基坑坡面發(fā)生水平位移呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，距離基坑邊緣距離發(fā)生變化時(shí)，沉降量不同，0 m～10 m開(kāi)挖深度時(shí)，其沉降量相對(duì)較小，開(kāi)挖深度越大，沉降越大。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的①，②，③，④號(hào)測(cè)點(diǎn)中，①號(hào)測(cè)點(diǎn)距離有8 m左右，沉降最明顯。四個(gè)基礎(chǔ)位置沉降差異引起建筑結(jié)構(gòu)傾斜，傾斜角度根據(jù)沉降差計(jì)算，也可通過(guò)全站儀進(jìn)行觀(guān)測(cè)。

3.3 開(kāi)裂機(jī)理

房屋建筑結(jié)構(gòu)墻面甚至梁體發(fā)生開(kāi)裂，是由于地基的不均勻沉降引起的。幾個(gè)測(cè)點(diǎn)的高程變化使得建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力重新分布。如圖9所示，結(jié)構(gòu)框架發(fā)生變形，局部下降幅度較大。在橫向同樣會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力分量，墻體內(nèi)部發(fā)生拉伸剪切作用最終導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。

圖9 應(yīng)力重分布引起墻面開(kāi)裂

建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力重分布主要是由基礎(chǔ)承載性能變化引起的，結(jié)構(gòu)自身重力在內(nèi)部形成大小不一、方向各異的作用力，導(dǎo)致墻面各處出現(xiàn)不同方向和長(zhǎng)度的裂縫。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)山西某中心城區(qū)房屋建筑深基坑開(kāi)挖工程對(duì)周?chē)ㄖY(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)行調(diào)查、監(jiān)控以及機(jī)理進(jìn)行分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:1)基坑開(kāi)挖過(guò)程中，地下水位變化以及建筑結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力作用引起沉降。2)距離基坑越遠(yuǎn)，受驚擾越小，開(kāi)挖深度越大，由于主動(dòng)土壓力作用，造成傾斜與平移影響效果明顯。3)建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生變形引起內(nèi)部應(yīng)力重分布，最終造成房屋墻面產(chǎn)生裂縫。

［1］ 潘延平，王美華，魯智明.中心城區(qū)深基坑工程建設(shè)周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制指南［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［2］ 唐孟雄，趙錫宏.深基坑周?chē)乇沓两导白冃畏治觯跩］.建筑科學(xué)，1996(4):31-35.

［3］ 施成華，彭立敏.基坑開(kāi)挖及降水引起的地表沉降預(yù)測(cè)［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2006，39(5):107-111.

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［6］ 邊亦海，黃宏偉.深基坑開(kāi)挖引起的建筑物破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(sup):1892-1896.