淺析地基開挖對既有建筑物樁基影響

陳越楠

摘 要：近年來城市發(fā)展加快，建設(shè)用地需求加大，對土地的需求日益突出。如何解決城市建設(shè)用地的供應(yīng)和需求之間的矛盾，是我們要面對的一個棘手的問題。實踐表明，在國內(nèi)外，特別是人口密集，土地資源相對緊張的城市圈，地表空間日趨飽和的條件下，合理有秩序的城市地下空間開發(fā)，走可持續(xù)的發(fā)展道路城市，是為了解決城市建設(shè)用地的需求矛盾與走可持續(xù)發(fā)展道路之間的一種有效手段。

關(guān)鍵詞：地基；建筑；隧道

自進入21世紀(jì)后，城市地下空間開發(fā)項目與隧道開挖工程進入了一個前所未有的重要發(fā)展時期。世界各大城市已經(jīng)開發(fā)和利用地下空間的各種用途，例如地鐵、車庫、高層建筑地下室、地下商場和醫(yī)院、地下倉庫，地下人防工程和各種民用工業(yè)設(shè)施，因此深基坑工程的大量增加。特別是在中國，無論在規(guī)模和數(shù)量上均超過工程技術(shù)水平發(fā)達(dá)的一些國家。地下空間的發(fā)展趨勢日益增多，同時也顯現(xiàn)出大量的工程問題，特別是在施工環(huán)境復(fù)雜的城市的中心，例如密集的地面建筑物，復(fù)雜的地下管線。因此將不可避免地進行交叉施工或鄰近條件下作業(yè)。新的地下工程設(shè)施建設(shè)可能引起地表隆起、塌陷、水平位移，很可能影響地面現(xiàn)有建筑工程結(jié)構(gòu)安全和正常使用性能。而且大多數(shù)的深基坑工程地理位置都較特殊，建筑密集，變形影響敏感。如果在這些深基坑施工過程不注意，在基坑開挖時變形量過大，會產(chǎn)生附加的撓度及彎矩到現(xiàn)有的建筑物樁基礎(chǔ)上，造成建筑物出現(xiàn)裂縫，甚至建筑物倒塌，造成巨大經(jīng)濟損失。

實際上，已經(jīng)有一大批的學(xué)者及工程技術(shù)人員進行土體開挖環(huán)境效應(yīng)方面的研究。2001年在英國倫敦，巖土工程界諸多專家學(xué)者舉辦了針對隧道、深基坑開挖等條件對既有建筑結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律特點、破壞預(yù)測方法和控制措施等的學(xué)術(shù)方面研討會，說明國際學(xué)術(shù)界和工程界高度重視該方面的研究現(xiàn)狀和學(xué)科發(fā)展情況。在接下來的十內(nèi)，國內(nèi)外的學(xué)者和工程技術(shù)人員對鄰近建筑物在開挖情況下受到的響應(yīng)規(guī)律進行了廣泛的研究以及報告，大部分采用數(shù)值計算和簡化的理論方法對開挖引起的土體應(yīng)力場的分布規(guī)律和位移場的分布規(guī)律、地面沉降預(yù)測、圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形計算、土體變形引起地基的附加內(nèi)力及位移進行了討論，揭示出了這些問題的一般規(guī)律和特點。

然而，這些研究結(jié)果并不能解決工程中所有的問題，近年來在國內(nèi)外發(fā)生了一些因開挖隧道或開挖基坑導(dǎo)致鄰近建筑物倒塌工程事故。例如：北京地鐵十號線工程滑坡坍塌6人被埋；深圳地鐵三號線的建設(shè)工地坍塌引起人員傷亡，并造成周圍建筑物的順壞；杭州地鐵一號線附近地面出現(xiàn)大面積的沉降和坍塌超過50人被埋，造成鄰近建筑物嚴(yán)重?fù)p壞，影響了整個工程界。這些工程事故有相當(dāng)一部分是由于施工現(xiàn)場管理不當(dāng)，遇到了異常的水文地質(zhì)或施工人員由于缺乏敬業(yè)精神引起的。但不排除對問題缺乏足夠的認(rèn)識，對鄰近建筑物的附加響應(yīng)預(yù)測不準(zhǔn)而導(dǎo)致工程事故發(fā)生。

因此，在深基坑工程的設(shè)計與施工過程中，如何有效地限制由于深基坑開挖而引起的土體位移，減小土體變形對臨近建筑物樁基的影響，這些已成為巖土工作人員非常關(guān)注的一個焦點。

在土木工程施工中，基坑及地下開挖是一直一個傳統(tǒng)的主題。且它是一個非常復(fù)雜的巖土工程課題，涉及土力學(xué)中的強度和穩(wěn)定性問題，還有變形的問題，還涉及到土體與支護結(jié)構(gòu)作用關(guān)系。深基坑開挖時不但要保證基坑本身的安全與穩(wěn)定，而且還要控制基坑周圍地層位移，有效保護周邊環(huán)境。在比較好的地層，周圍地層在基坑開挖的影響下變形小，若控制適當(dāng)，不影響周圍的城市環(huán)境，但是在軟土層，特別是在軟土層的城市建設(shè)中，由于地層的復(fù)雜性，若進行基坑開挖則會產(chǎn)生較大的變形，將會嚴(yán)重影響接近深基坑周圍建筑物、地下管線、道路等市政設(shè)施，所以這是一個非常復(fù)雜且具有風(fēng)險的工程項目。

目前，隨著工程建設(shè)進程加快深基坑工程開挖深度逐漸增大，實際上增大了基坑工程的施工難度及風(fēng)險。通?；庸こ淘诔鞘薪ㄖ锖腿丝诰幼〕砻艿牡貐^(qū)，基坑開挖導(dǎo)致地層土體移動，移動土體對鄰近建筑物樁基礎(chǔ)產(chǎn)生附加撓度及彎矩，若位移很大則會導(dǎo)致建筑物或構(gòu)筑物的破壞。本課題研究，從本質(zhì)上講屬于開挖卸荷對樁基礎(chǔ)的橫向和縱向的位移的影響，即被動樁。

基坑開挖對鄰近既有建筑的影響包括許多方面，有一些研究較深的并制定了相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。但是在基坑開挖對鄰近樁基荷載的影響方面的研究相比較還不完善，還沒有任何行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。很重要的原因是基坑、土體及現(xiàn)有的樁基相互作用的問題有其獨特的力學(xué)原理及研究難點。

（1）坑開挖引起位移，不僅在地層表面附近會對樁基應(yīng)力、變形的影響較大，且深層土體位移變化也將直接影響樁基礎(chǔ)。現(xiàn)在對基坑工程的深部土體位移計算理論研究相對少；

（2）通常在基坑或隧道開挖前，鄰近樁基已經(jīng)處于較大荷載狀態(tài)，當(dāng)開挖附近的土體后發(fā)生非均勻地層位移，引起樁端阻力和樁側(cè)摩阻力重新分布，其中一些樁可能在卸荷的狀態(tài)，與其它一些則可能在繼續(xù)加荷的狀態(tài)下。地下管道等基本不能承受大的外荷載，基坑開挖引起的地層位移對管線的內(nèi)力是可以忽略的。在這一點上，可以認(rèn)為其處于初始加載階段，沒有卸加載的問題；

（3）樁基礎(chǔ)是一種豎直方向的承載構(gòu)件，樁-土之間的摩擦阻力提供了很大一部分的承載力，若荷載或非均質(zhì)地層位移較大，樁和土之間會發(fā)生明顯的滑移現(xiàn)象。但對于地下管線等結(jié)構(gòu)與土的界面則不會發(fā)生滑移

（4）樁基礎(chǔ)受較大軸向荷載作用下，若地層發(fā)生水平位移，可引起樁體明顯的彎曲（撓曲），在軸向力的作用下，可產(chǎn)生不可忽視的偏心力矩加重樁身撓度。因此對于豎直方向荷載的被動樁必須考慮橫向變形綜合效應(yīng)的影響；

（5）樁表現(xiàn)為群樁的形式，在樁基礎(chǔ)的頂部通常具有剛性帽，地層位移的影響下群樁綜合效果明顯，還涉及樁承臺及樁身受荷的協(xié)調(diào)問題。由于施工方法不同，不同的樁-土界面剪切滑移特性的差異大，在理論分析時相對難處理。

綜上所述，目前對基坑、土體和鄰近樁基相互作用的力學(xué)機制和難點的研究還不夠完善。目前所采用的基坑鄰近樁基工程施工過程中的地層位移控制標(biāo)準(zhǔn)也缺乏相關(guān)理論依據(jù)。如：較小安全系數(shù)的樁基礎(chǔ)（圖1所示），當(dāng)在主動荷載作用的情況下，很大部分的樁側(cè)和樁端土達(dá)到塑性狀態(tài)，這時基坑開挖將發(fā)生不均勻地層位移而引起很大的沉降。在較大安全系數(shù)的基礎(chǔ)（圖2所示），當(dāng)在主動荷載作用的情況下，樁側(cè)和樁端土則處于彈性狀態(tài)，這時基坑開挖，樁體下部的承載力可有效發(fā)揮以平衡基坑底面以上樁段的荷載減少量，樁體沉降相對會小得多。

基坑開挖對附近荷載樁基的影響是比較復(fù)雜的，在以前的研究中，基坑開挖引起的土體水平和豎直向位移，獨立分析其對樁基礎(chǔ)產(chǎn)生的影響或忽略樁頂?shù)募扔泻奢d。但在樁基礎(chǔ)的受荷載的情況下，樁頂?shù)暮奢d將產(chǎn)生偏心的力矩，將引起更大的水平彎曲（撓曲）?？傊畬τ诓煌闆r的樁基工程，應(yīng)考慮樁基礎(chǔ)與初始荷載狀態(tài)，樁-土界面的實際承載性能及側(cè)向和豎向變形的綜合效應(yīng)，建立一個科學(xué)分析預(yù)測的研究方法，針對不同的樁基分析，以便建立符合實際應(yīng)用的地層位移控制標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計和施工中做出更正確的決策和技術(shù)應(yīng)變措施。

參考文獻：

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