鄰近基坑建筑物變形分析與加固研究

楊鵬

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西總隊）

隨著城市的發(fā)展和建設(shè)，地下空間的開發(fā)和利用越來越成為一種重要的解決方案。在城市中心和其他人口密集區(qū)域，建設(shè)項目往往規(guī)模較大，需要開挖的基坑也比較大，這時就需要考慮基坑開挖對鄰近建筑物的影響[1]。因此，研究深基坑開挖對鄰近建筑物的影響，找到有效地控制和減小這種影響的方法，對于保護鄰近建筑物、確保其正常使用和安全性具有重要的意義[2]。為落實此項工作，解決基坑開挖對周邊與鄰近建筑物結(jié)構(gòu)安全的影響，下文對此展開研究后，提出對應(yīng)的加固控制措施。

1 基坑開挖引起的鄰近建筑物變形分析

建筑變形的種類很多，主要可分為均勻變形和非均勻變形兩種。均勻變形是指建筑物整體按照一定的角度和方向發(fā)生均勻地傾斜或沉降，這種變形一般不會對建筑物的安全性產(chǎn)生太大影響[3]。而非均勻變形是指建筑物的一部分發(fā)生較大幅度的沉降或傾斜，這種變形可能會導(dǎo)致建筑物的結(jié)構(gòu)破壞和功能障礙，甚至危及人員的生命安全。

1.1 地表沉降分析

為更加直觀的掌握基坑開挖引起的鄰近建筑物變形，在開展研究前，對試點工程所在區(qū)域內(nèi)基坑、構(gòu)筑物的空間相對關(guān)系進行描述，如圖1所示。

圖1 試點工程所在區(qū)域內(nèi)基坑、構(gòu)筑物的空間相對關(guān)系

以此為依據(jù)，繪制基坑開挖過程中的地表沉降云圖，如圖2所示。

圖2 基坑開挖過程中的地表沉降云圖

從上述圖2 可以看出，基坑開挖會在一定程度上對地表造成沉降，根據(jù)基坑開挖造成的土體應(yīng)力場變化趨勢，沉降區(qū)域的土體呈現(xiàn)“凹槽”狀，即根據(jù)沉降區(qū)域標注顏色可知，有建筑物一側(cè)的沉降更加顯著，即有建筑物的一側(cè)會受到較多外在荷載的影響，對土層造成一定的擾動，使沉降數(shù)值整體略大[4]。

1.2 鄰近建筑物沉降分析

由于本工程所選的試點建筑工程結(jié)構(gòu)屬于框架結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)又對差異性沉降的感知較為敏感，一旦同一區(qū)域內(nèi)差異沉降過大，便十分容易造成建筑物結(jié)構(gòu)的開裂問題[5]。

因此，在基坑開挖的鄰近建筑物所在位置，選擇01～06，共6 個監(jiān)測點，對監(jiān)測點的累計沉降值進行現(xiàn)場實測，實測過程中，使用計算機采用建模的方式，進行鄰近建筑物在基坑開挖過程中的累計沉降值進行模擬，對鄰近建筑物的累計沉降模擬值與實測值進行對比[6]，如圖3所示。

圖3 鄰近建筑物在基坑開挖過程中的累計沉降模擬值與實測值對比

從上述圖3 所示的結(jié)果可以看出，鄰近建筑物在基坑開挖過程中的累計沉降模擬值＜實測值，說明在實際工程項目中，施工過程中會受到外部荷載等多種綜合、不確定因素的影響，導(dǎo)致實測的數(shù)值偏大[7]。但根據(jù)兩條折線的走向可以看出，模擬的累計沉降值與實測的累計沉降值基本一致，可以將其作為參照，分析基坑開挖對鄰近建筑物所造成的影響，以便于對建筑物的損傷程度進行客觀的評估，從而更好的指導(dǎo)基坑開挖現(xiàn)場施工作業(yè)。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，繪制基坑鄰近建筑物的結(jié)構(gòu)俯視圖，如圖4所示。

圖4 基坑鄰近建筑物的結(jié)構(gòu)俯視圖

圖4中，Q代表建筑墻體。Z代表建筑結(jié)構(gòu)立柱。

通過對基坑開挖過程中鄰近建筑物的現(xiàn)場勘查可以看出，與開挖基坑較近的墻體、立柱累計沉降明顯＞與開挖基坑較遠的墻體、立柱累計沉降[8]。

2 加固方案設(shè)計

2.1 建筑物與土體相對剛度計算

采用梁結(jié)構(gòu)代表現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，以板元為基礎(chǔ)，進行等效抗彎、等效軸向剛度的分析，揭示基坑開挖對地震動的影響規(guī)律。等效剛度是針對單層板的，假定其厚度為150mm，n層是在n+1個單板的抗彎剛度和軸向剛度的基礎(chǔ)上建立的，其表達式為：

式中：E為板單元的楊氏模量。I為結(jié)構(gòu)截面慣性矩。A為以1m 為單位的板結(jié)構(gòu)面積。H為結(jié)構(gòu)中心軸到單個板結(jié)構(gòu)中心軸的直線距離。將建筑等效抗彎剛度與等效軸剛度換算成整體的等效剛度Efe，在平面結(jié)構(gòu)上，以外尺寸b為單位數(shù)，對建筑物的梁結(jié)構(gòu)進行簡化，結(jié)構(gòu)等效彎曲剛度與等效軸向剛度可表示為：

式中：dfe代表梁模型結(jié)構(gòu)深度。代表截面慣性矩。結(jié)構(gòu)簡化梁的軸向剛度基于結(jié)構(gòu)總體軸向應(yīng)變，而彎曲剛度則根據(jù)平行軸定理來定義。為考慮結(jié)構(gòu)與土體的剛度，對相對彎曲剛度和相對軸向剛度進行定義，其表達式為：

式中：ρ*代表相對彎曲剛度。()str代表內(nèi)部函數(shù)。Es代表土壤剛度。Hb代表0.5 倍結(jié)構(gòu)寬度。α*代表相對軸向剛度。對于不同高度建筑物和不同寬度建筑物，其相對剛度值如表1所示。

表1 不同高度/不同寬度建筑物相對剛度值記錄表

隨著建筑物高度的增加，基礎(chǔ)沉降最大值差值、整體基礎(chǔ)沉降值、最大差異沉降都會隨之增加。隨著建筑物寬度的增加，基礎(chǔ)沉降隨之增加，但整體差值呈減小趨勢。

2.2 基坑支撐方案設(shè)計

不同的基坑支撐方案，支撐整體的剛度存在較大差異。本文共設(shè)置四種不同的支撐方案，通過對每種支撐方案基礎(chǔ)水平位移的分析，選擇出最佳的基坑支撐方案。四種支撐方案為：第一種：第一道與第三道支撐結(jié)構(gòu)在水平方向上的距離設(shè)置為2m，其他參數(shù)不變；第二種：第一道與第三道支撐結(jié)構(gòu)在水平方向上的距離設(shè)置為24，其他參數(shù)不變；第三種：第二道支撐選用直徑為800mm，厚度為20mm 的鋼支撐，其他參數(shù)不變；第四種：第一道選用900mm×1100mm 的混凝土支撐結(jié)構(gòu)，第二道支撐選用直徑為800mm，厚度為200mm的鋼支撐，其他參數(shù)不變。記錄四種支撐方案應(yīng)用后基坑開挖對建筑物靠近基坑側(cè)樁基水平位移影響結(jié)果，見表2。

表2 四種支撐方案應(yīng)用后基坑開挖對建筑物靠近基坑側(cè)樁基水平位移影響結(jié)果

隨著深度不斷增加，四種方案應(yīng)用下樁基水平位移均呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。進一步分析得出，方案三與方案四基礎(chǔ)水平位移相差較小，這表明，增大混凝土粒徑對地基水平位移的影響大于對地基沉降的影響，但總體上仍很小。對比分析了兩種方案一、二支撐的水平距離變化后，發(fā)現(xiàn)兩種方案中的水平間距變化對地基的水平位移有很大的影響。

2.3 加固方案優(yōu)化

為達到提升基坑穩(wěn)定性的目的，強化抵抗變形的能力，降低基坑開挖時對周圍僅有建筑結(jié)構(gòu)的影響的目的。結(jié)合上述分析，對加固方案進行進一步優(yōu)化。在原有圍護墻厚度的基礎(chǔ)上增加0.1m；在原有圍護墻插入深度的基礎(chǔ)上增加5m；將第一道支撐與第三道支撐之間的水平間隔距離縮小到2m；增加加固深度為10m，剛度為200MPa 的加固體。按照上述方案優(yōu)化，基礎(chǔ)沉降和基礎(chǔ)水平位移均能夠得到有效控制。除此之外，根據(jù)實際情況，還可采取加大基礎(chǔ)底面積法、灌漿加固等加固方案。

3 結(jié)束語

隨著城市化和現(xiàn)代化進程的加快，地下空間的開發(fā)和利用成為一種重要的解決方案?；娱_挖對鄰近建筑的影響主要是由于土體開挖和支撐過程中產(chǎn)生的土體應(yīng)力釋放和擾動。此外，相鄰基坑之間也可能會產(chǎn)生相互影響。這些因素會使鄰近建筑物表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。嚴重的情況下，還會出現(xiàn)建筑主體結(jié)構(gòu)的傾斜、沉降等變形現(xiàn)象，這些變形可能會對建筑物的安全性產(chǎn)生影響，甚至?xí)?dǎo)致建筑物的損壞和無法使用。因此，本文圍繞“基坑開挖引起的鄰近建筑物變形”這一主題展開了研究。分析基坑開挖過程中，周邊建筑物、地表的累計沉降情況，以此為依據(jù)，提出對應(yīng)的加固方案，以此種方式，為規(guī)范鄰近建筑物的基坑開挖施工作業(yè)提供全面的技術(shù)指導(dǎo)與幫助。