深基坑周圍建筑物的沉降控制研究

齊維鵬

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司， 天津 300350）

1 引言

施工深基坑的過程會擾動周圍土體， 但基坑周圍建筑物抵抗差異沉降的能力有限， 若變形超出限制值， 就會導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)沉降變形或破壞坍塌等［1］。 因此， 需要對深基坑開挖時(shí)周圍建筑物的變形情況進(jìn)行分析探討。 當(dāng)前， 已有較多學(xué)者對基坑施工與建筑物沉降間的聯(lián)系進(jìn)行研究，如國外的Terzaghi 等人研究了基坑施工對周圍土體位移的影響規(guī)律， Laefer 等人研究了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊土體產(chǎn)生變形時(shí)對周邊建筑物的影響， 國內(nèi)的王照宇等人對基坑周邊地表沉降曲線開展了研究， 鄭剛等人通過有限元模擬的方式研究了在不同基坑高度下施工時(shí)房屋的變形。 本文在前人的研究基礎(chǔ)上， 以某深基坑為研究對象，通過有限元分析的方式， 對深基坑周圍建筑物的沉降控制開展研究。 以期為后續(xù)類似工程提供參考。

2 項(xiàng)目概況

越城區(qū)曲屯1 號地塊3 標(biāo)段項(xiàng)目位于越城中心城區(qū)北側(cè)， 解放大道西端， 西側(cè)為曲屯路， 北側(cè)為溢香路， 東邊為解放大道。 本工程建筑面積126649.8m2， 地下建筑面積 23093m2， 地上建筑面 積 103556.8m2（ 1#、 2#、 3#、 4#、 5#、 7#、8#、 13#）， 擬建建筑物為 8 幢 26 層的高層建筑物。 全場設(shè)一層地下室/局部二層， 擬采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、 樁基礎(chǔ)， 如圖1 所示。 基坑西北側(cè)有一五層高的樓房， 該建筑物與基坑圍護(hù)有14m的距離， 長度為107m， 寬度和高度分別為15m和16m。 樓房所用基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)， 樁頂有-2.7m 的標(biāo)高以及37m 的長度。

圖1 工程示意圖

3 有限元分析

3.1 有限元模型

使用板單元對地連墻以及底板進(jìn)行模擬， 使用梁單元對鋼筋混凝土支撐進(jìn)行模擬， 采用鋼支撐對錨桿單元進(jìn)行模擬， 使用嵌入式樁單元模擬建筑物樁基， 使用實(shí)體單元模擬樁承臺。 以正四面體單元生成結(jié)構(gòu)和土體單元網(wǎng)格， 使用GOODMAN 單元模擬接觸面， 網(wǎng)格劃分有0.5 的粗糙度。 模型四個(gè)側(cè)面的邊界條件均為法向約束， 底面和上表面分別為完全約束和自由。 因本文主要研究基坑開挖與建筑物沉降之間的聯(lián)系，而基坑右半邊與所研究對象存在較遠(yuǎn)的距離， 施工時(shí)對建筑物的影響較小， 因此在模型建立時(shí)本文僅選取一半作為分析模型， 以用較小的模型對更大范圍對象進(jìn)行模擬， 使計(jì)算效率得以提高。簡化三維模型如圖2 所示。

圖2 簡化后三維模型示意圖

3.2 合理性驗(yàn)證

通過對比實(shí)測數(shù)據(jù)以對模型可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

由圖3 可知， 從墻體水平位移圖可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測值接近， 而實(shí)測數(shù)據(jù)中的拐點(diǎn)原因可能是施工質(zhì)量等所導(dǎo)致。 從建筑物沉降圖可以看出， 模擬結(jié)果和實(shí)測值有著基本一致的規(guī)律， 當(dāng)開挖進(jìn)行到坑底時(shí)， 建筑物沉降保持基本穩(wěn)定， 說明模型建立具有可行性。

圖3 數(shù)據(jù)對比分析

4 建筑物變形分析及控制措施

在所建立模型的基礎(chǔ)上， 對基坑內(nèi)加固體與建筑物沉降的聯(lián)系開展研究［2-3］。 此處均布荷載以100Kpa 進(jìn)行加載， 在基坑內(nèi)底面往下6m 深度采用滿堂加固。 加固體參數(shù)如表1 所示， 總體布置如圖4 所示。

表1 加固體參數(shù)

圖4 總體布置圖

4.1 加固體剛度

在開挖到基坑坑底時(shí)， 建筑物周邊地表在未加固工況下有35.51mm 的沉降最大值， 建筑物有29.77mm 的沉降最大值； 而在進(jìn)行滿堂加固的條件下， 建筑物周邊地表有13.07mm 的沉降最大值， 相比于未加固的工況約減小了63.1%，建筑物有11.54mm 的沉降最大值， 比未加固情況約減小了61.1%。 表明通過在基坑坑底進(jìn)行滿堂加固能夠?qū)ㄖ镏苓叺乇沓两灯鸬胶芎玫囊种谱饔茫?使建筑物沉降得到有效控制［4］。 基坑坑底加固前后變形圖如圖5、 圖6 所示。

圖5 基坑坑底未加固變形圖

圖6 基坑坑底加固后變形圖

為進(jìn)一步開展研究， 對深度為22.7m 的加固體在不同剛度條件下對建筑物沉降的影響進(jìn)行研究。

由圖7 可知， 建筑物沉降與加固體剛度有較大聯(lián)系， 建筑物在基坑坑底未加固時(shí)有29.77cm的沉降最大值， 建筑物在加固體剛度達(dá)300Mpa時(shí)有8.88cm 的沉降最大值， 約有70%的減小。表明建筑物沉降可通過提高加固體剛度的方式進(jìn)行抑制。 當(dāng)加固體剛度從0 上升至75Mpa 時(shí)，建筑物沉降曲線變化趨勢較陡， 建筑物沉降曲線在加固體剛度從150Mpa 上升到300Mpa 時(shí)變化趨勢較平緩， 相比于未加固的工況， 在加固體剛度達(dá)75Mpa 時(shí)建筑物基礎(chǔ)最大沉降值降低了42.1%， 在剛度達(dá)150Mpa 建筑物基礎(chǔ)最大沉降值降低了61.1%， 在剛度達(dá)300Mpa 建筑物基礎(chǔ)最大沉降值降低了70.1%， 綜上可知， 雖然可以通過提高加固體剛度的方式降低建筑物基礎(chǔ)最大沉降值， 但在加固體剛度提升至一定值時(shí)， 再通過提高加固體剛度的方式來抑制建筑物最大沉降所起到的效果較差， 在本項(xiàng)目中， 加固體剛度可定為150Mpa， 即能對建筑物基礎(chǔ)沉降起到有效的抑制作用， 又在一定程度上節(jié)約成本。

圖7 建筑物基礎(chǔ)在加固體剛度不同時(shí)的最大沉降曲線

4.2 加固體寬度

在22.7m 的加固體深度和150Mpa 的加固體剛度的基礎(chǔ)上， 探討建筑物基礎(chǔ)最大沉降值與加固體在不同寬度條件下的關(guān)系［5］。

由圖8 可知， 建筑物基礎(chǔ)在b=0， 即未進(jìn)行加固之前有29.77mm 的沉降最大值， 在加固體寬度b=5m 且是位于遠(yuǎn)離建筑物一側(cè)時(shí)， 建筑物基礎(chǔ)有27.69mm 的沉降最大值， 約降低了7%； 在b=5m 且位于靠近建筑物一側(cè)時(shí)， 建筑物基礎(chǔ)有21.59mm 的沉降最大值， 約降低了27.4%； 但在b=20.3m， 即進(jìn)行滿堂加固時(shí)， 建筑物基礎(chǔ)有11.53mm 的沉降最大值， 約降低了 61.19%。 說明建筑物基礎(chǔ)在越大的加固體寬度下有越小的沉降最大值， 加固靠近建筑物的一側(cè)能夠使建筑物基礎(chǔ)沉降最大值得到控制。

圖8 建筑物基礎(chǔ)在加固體寬度不同時(shí)的差異沉降曲線

建筑物基礎(chǔ)在加固體寬度為5m、 10m 以及20.3m 時(shí)分別有 3.73mm、 4.03mm 以及 1.24mm的不均勻沉降值， 在b=0 時(shí)有1.51mm 的不均勻沉降值。 相比于未加固的工況， 在b=5m、 10m以及20.3m 時(shí)， 建筑物基礎(chǔ)的不均勻沉降約是其2.5 倍、 2.7 倍以及 0.8 倍。 結(jié)果說明建筑物基礎(chǔ)的不均勻沉降可以通過滿堂加固進(jìn)行有效控制，但若不采用滿堂加固， 當(dāng)加固寬度從0m 提高至10m 時(shí)， 建筑物的不均勻沉降隨著不斷增加的加固寬度表現(xiàn)出不斷增長的規(guī)律， 且比起b=10m的工況結(jié)果， 建筑物基礎(chǔ)沉降在b=20.3m 約有70%的減小， 表明比起抽條加固， 采用滿堂加固更優(yōu)［6］。 在 10m-20.3m 的寬度范圍內(nèi)， 加固體存在一臨界寬度， 建筑物基礎(chǔ)的差異沉降在此寬度下最優(yōu)， 故實(shí)際施工時(shí)， 設(shè)計(jì)人員應(yīng)對其進(jìn)行計(jì)算以確定最優(yōu)寬度， 確保在對建筑物基礎(chǔ)沉降進(jìn)行控制的同時(shí)， 又保證經(jīng)濟(jì)性。

4.3 加固體深度

建筑物基礎(chǔ)沉降與加固體深度有較大聯(lián)系，建筑物基礎(chǔ)在12m 的加固體深度下有7.64cm 的沉降最大值， 比起未加固工況約降低了74.2%。說明建筑物基礎(chǔ)沉降可通過加深加固體深度的方式進(jìn)行控制。 不同加固體深度下建筑物基礎(chǔ)最大沉降曲線如圖9 所示。

圖9 不同加固體深度下建筑物基礎(chǔ)最大沉降曲線

建筑物基礎(chǔ)在 3m、 6m、 9m 以及 12m 的加固體深度下分別有18.16mm、 11.54mm、 9.03mm以及7.64mm 的沉降最大值， 比起未加固工況，分別降低了約38%、 61%、 70%以及74.2%。 說明加固體深度增加時(shí)建筑物基礎(chǔ)最大沉降值有所減小， 但在5.5m 的深度之后， 建筑物基礎(chǔ)沉降最大值與加固體深度的聯(lián)系較小。

5 結(jié)語

周邊建筑物在開挖基坑時(shí)難以避免會有沉降出現(xiàn)， 通過上述分析可知， 建筑物沉降與基坑開挖存在一定聯(lián)系。 綜上分析可知， 在150Mpa 以上的加固體剛度或5.5m 以上的深度時(shí)， 繼續(xù)增加加固體剛度或深度對建筑物基礎(chǔ)沉降的影響較小， 且相比于抽條加固， 采用滿堂加固更具優(yōu)勢。 因此， 針對類似工程可通過加固基坑被動區(qū)土體的方式對基坑周邊建筑物變形進(jìn)行控制， 加固時(shí)可考慮使用150Mpa 剛度以及5.5m 深度進(jìn)行滿堂加固。