某軟土基坑局部滑移對(duì)鄰近建筑物變形影響的分析

王 穎，胡 鋒，岑維杰，華 琦

（1. 杭州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012；2. 煙臺(tái)天孚裝飾工程有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引 言

軟土具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、靈敏度高、易擾動(dòng)的特點(diǎn)，對(duì)于工程性質(zhì)較差的軟土區(qū)，基坑變形往往較難控制。目前我國(guó)城鎮(zhèn)化率已超60%，城市高樓林立，基坑開挖難免對(duì)周邊建筑物、市政道路管線等敏感環(huán)境產(chǎn)生不利影響[1]?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)作為臨時(shí)性構(gòu)件，安全系數(shù)取值相對(duì)較低，因此從勘察、設(shè)計(jì)到施工過程中，任何小失誤或投機(jī)行為都可能導(dǎo)致基坑工程出現(xiàn)事故，造成人員、財(cái)產(chǎn)巨大損失，從而帶來極其惡劣的社會(huì)影響[2]。

本文以某軟土地區(qū)基坑局部滑移事故為例，通過有限元軟件模擬、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析等綜合手段評(píng)估了事故發(fā)生對(duì)基坑南側(cè)鄰近多（高）層建筑物的變形影響程度，為基坑后續(xù)加固措施、施工措施提供依據(jù)。

1 基坑工程概況

某商辦綜合項(xiàng)目總用地面積約2.90×104m2，擬建建筑物主要包括2幢22層高層辦公塔樓和1幢3層商業(yè)裙房，統(tǒng)一設(shè)一層地下室，工程樁采用鉆孔灌注樁?；有螤钶^規(guī)則，呈長(zhǎng)方形，開挖面積約2.35×104m2，開挖深度約5.95 m。

本工程場(chǎng)地下伏土質(zhì)情況為：淺層局部有一薄粉質(zhì)黏土“硬殼層”，厚度小于1 m且大面積缺失，其下為深厚淤泥質(zhì)土及圓礫層，局部圓礫層與淤泥質(zhì)土層間夾一薄層粉質(zhì)黏土層。原始場(chǎng)地內(nèi)自東北向西南大面積分布有魚塘、老河道。

場(chǎng)地東側(cè)、北側(cè)為已建廣場(chǎng)綠化；西側(cè)為已建城市道路；南側(cè)為已建商業(yè)園區(qū)建筑，目前已投入使用。

本工程為二級(jí)基坑[3]，周邊環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)條件較差，設(shè)計(jì)采用鉆孔樁結(jié)合一道鋼筋混凝土水平支撐支護(hù)方案；塔樓電梯坑采用雙軸攪拌樁重力式擋墻支護(hù)形式；圍護(hù)樁外側(cè)設(shè)雙軸水泥攪拌樁做止水帷幕。鉆孔樁樁底標(biāo)高采用雙重控制指標(biāo)，控制樁底標(biāo)高絕對(duì)值并要求進(jìn)入“硬土層”不少于2 m。基坑支護(hù)平面及南側(cè)園區(qū)建筑物沉降監(jiān)測(cè)孔位布置如圖1所示。典型支護(hù)剖面圖如圖2所示。

圖1 基坑支護(hù)及南側(cè)建筑沉降監(jiān)測(cè)孔位布置圖Fig. 1 Layout plan of the foundation pit and settlement monitoring holes of south side buildings

圖2 基坑支護(hù)剖面圖Fig. 2 Profile of the foundation pit supporting structure

2 南側(cè)鄰近建筑物概況

基坑南側(cè)為已投入使用的商業(yè)園區(qū)，設(shè)有1層地下室，鄰近本工程的地上部分為22層塔樓和3層裙房。塔樓采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，高度約93.6 m；裙房采用現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)，高度約 16.2 m；地下室底板面絕對(duì)標(biāo)高?1.05 m，底板底絕對(duì)標(biāo)高?1.70 m，與本工程基坑坑底基本齊平。塔樓、裙房及地庫(kù)均采用鉆孔樁基礎(chǔ)，塔樓和裙房工程樁持力層為⑦-3層中風(fēng)化巖層，樁長(zhǎng)≥26 m；地庫(kù)工程樁持力層為⑥層圓礫層，樁長(zhǎng)≥13 m。本工程基坑邊線距離南側(cè)用地紅線約6.7 m，距離南側(cè)商業(yè)地塊地下室外墻邊線約 15.5 m，距離地上3層裙房外墻約28.5 m，距離22層辦公樓外墻約36.3 m。基坑與南側(cè)建筑物相對(duì)位置關(guān)系如圖3。

圖3 本工程基坑與南側(cè)建筑物相對(duì)位置圖Fig. 3 Relative position of the foundation pit and buildings

3 施工及滑移情況

本工程樁基及圍護(hù)結(jié)構(gòu)已于 2020年初全部施工完畢，隨即進(jìn)入土方開挖階段，土方按照先南北兩側(cè)、最后中間對(duì)撐位置收口的順序開挖。截止 5月中旬，南塔樓以西區(qū)域已經(jīng)開挖到坑底，正施工墊層，同步開挖東南角及南塔樓以南臨邊區(qū)域土方。5月22日晚開挖至南側(cè)中部位置突然出現(xiàn)基坑滑移現(xiàn)象，影響區(qū)域（長(zhǎng)度約50 m，寬度自坑邊向南約9 m）內(nèi)圍護(hù)樁內(nèi)傾，支撐梁、冠梁出現(xiàn)多處裂縫，坑內(nèi)土體隆起明顯，為典型的樁踢腳破壞[4]。另外事故還造成已建的南側(cè)園區(qū)圍墻內(nèi)道路出現(xiàn)平行裂縫，靠近圍墻的綠化擋墻出現(xiàn)垂直裂縫，中部的停車場(chǎng)土方向本工程方向滑塌，園區(qū)道路下方污水管斷裂。具體如圖4所示。

圖4 南側(cè)道路及擋墻裂縫Fig. 4 Cracks of road and retaining wall in the south zone

出現(xiàn)基坑滑移事故后，為保證基坑安全，避免進(jìn)一步對(duì)周邊環(huán)境造成惡劣影響，現(xiàn)場(chǎng)迅速進(jìn)行了坑內(nèi)土方回填，回填范圍為整個(gè)南側(cè)土方已經(jīng)開挖區(qū)域?，F(xiàn)場(chǎng)情況如圖5所示。

圖5 基坑滑移范圍土方回填Fig. 5 Earthwork backfilling of sliding range of foundation pit

4 基坑滑移對(duì)南側(cè)建筑物的影響分析

根據(jù)規(guī)范[5]及本工程基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)關(guān)于周邊建筑物的變形控制指標(biāo)要求，南側(cè)建筑物沉降、傾斜控制值如下：3層裙房累計(jì)沉降量30 mm，沉降速率為2 mm/d，整體傾斜率為4‰；22層塔樓累計(jì)沉降量 30 mm，沉降速率為 2 mm/d，整體傾斜率2.5‰。相鄰柱基的沉降差為16.8 mm。

4.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本工程基坑開挖期間，建設(shè)單位委托第三方對(duì)南側(cè)園區(qū)的鄰近建筑物（鄰近的塔樓和裙房）進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè)，共布設(shè)了9個(gè)豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)（裙房布點(diǎn)JZ1-JZ3，塔樓布點(diǎn)JZ4-JZ9）。從4月20日至事故發(fā)生后，建筑物累計(jì)沉降量及沉降速率如圖6～7所示。

圖6 南側(cè)建筑物沉降累計(jì)值Fig. 6 Accumulated settlement value of south side buildings

圖7 南側(cè)建筑物沉降速率變化值Fig. 7 Settlement rate value of south side buildings

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本工程基坑開挖期間，南側(cè)中部發(fā)生滑移之前，南側(cè)裙房中部（JZ2孔）沉降量最大，約2.50 mm；南側(cè)塔樓東南角點(diǎn)（JZ9孔）沉降量最大，約1.35 mm。裙房沉降量普遍大于塔樓沉降量，考慮主要是因?yàn)槿狗烤嚯x本工程基坑更近，位于5倍基坑開挖深度范圍內(nèi)，而塔樓位于5倍基坑開挖深度范圍之外，故受到基坑開挖的影響更小?；剖鹿拾l(fā)生后，裙房各測(cè)點(diǎn)沉降量增加0.15～0.69 mm，相鄰柱基沉降差最大約0.57 mm；塔樓各測(cè)點(diǎn)沉降量增加 0.09～0.31 mm，相鄰柱基沉降差最大約0.59 mm；塔樓和裙房的沉降速率均小于0.1 mm/d。與基坑滑移位置對(duì)應(yīng)的裙房沉降量增加0.15 mm；塔樓沉降量增加0.12 mm，相鄰柱基沉降差為0.14 mm。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，塔樓和裙房整體變形量雖緩慢增加，但累計(jì)沉降量和沉降速率均小于控制要求，且沉降速率趨于收斂。

基坑南側(cè)發(fā)生滑移后，監(jiān)測(cè)單位于6月初對(duì)南側(cè)鄰近建筑物進(jìn)行了傾斜觀測(cè)，選擇塔樓4個(gè)角點(diǎn)J1、J2、J3、J4及裙房北側(cè)兩個(gè)角點(diǎn)J5、J6作為建筑物傾斜觀測(cè)點(diǎn)，如圖8所示，傾斜觀測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 建筑物傾斜觀測(cè)Table 1 Building tilt monitoring data

圖8 南側(cè)建筑物傾斜觀測(cè)點(diǎn)位布置圖Fig. 8 Layout plan of tilt observation points of south side buildings

根據(jù)傾斜觀測(cè)，塔樓傾斜率小于2.5‰，裙房?jī)A斜率小于4‰，滿足建筑物變形控制要求。

4.2 有限元數(shù)值分析

由基坑開挖引起的鄰近建筑物的沉降、傾斜等變形受到多種因素耦合作用，往往很難進(jìn)行理論計(jì)算[6-7]，而有限元軟件可以模擬這種復(fù)雜情況下基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響。本文采用MIDAS二維有限元軟件分析本基坑南側(cè)中部位置滑移工況下對(duì)南側(cè)園區(qū)建筑物的影響。根據(jù)地勘報(bào)告及當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，土層主要參數(shù)如表2所示。地基土均采用HS本構(gòu)模型。

表2 各層土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical properties of each soil layer

南側(cè)建筑物工程樁、框架柱采用梁?jiǎn)卧M，土體、上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)采用平面應(yīng)變單元。計(jì)算模型尺寸為170 m寬，150 m高，兩側(cè)設(shè)水平向約束，底部設(shè)豎向約束。模型網(wǎng)格劃分如圖9所示。

圖9 有限元模型及網(wǎng)格劃分圖Fig. 9 Finite element model and mesh generation

經(jīng)模擬計(jì)算，本工程基坑南側(cè)滑移工況造成南側(cè)塔樓和裙房新增變形結(jié)果如表3所示，新增變形云圖如圖10和圖11所示。

圖11 基坑滑移工況下南側(cè)建筑物豎向位移云圖Fig. 11 Vertical displacements cloud of the building on the south side under the foundation pit sliding condition

表3 基坑滑移工況下南側(cè)建筑物新增最大位移Table 3 Maximal value of increased displacement on the south side under the foundation pit sliding condition

根據(jù)MIDAS二維有限元模型計(jì)算結(jié)果：本基坑南側(cè)滑移工況造成滑移位置對(duì)應(yīng)的鄰近塔樓和裙房地上部分水平位移增量最大約0.15 mm，沉降增量最大約0.17 mm。另外，通過數(shù)值模擬可得知地下室及樁基礎(chǔ)變形情況，常規(guī)基坑監(jiān)測(cè)則不易獲取該部分?jǐn)?shù)據(jù)。通過對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果整理分析，可判斷本基坑南側(cè)滑移對(duì)南側(cè)鄰近建筑物（塔樓、裙房地上和地下室結(jié)構(gòu)）的影響較小。與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，裙房沉降量比實(shí)測(cè)值大0.02 mm，塔樓沉降量比實(shí)測(cè)值大0.03 mm，相鄰柱基沉降差比實(shí)測(cè)值大0.02 mm，其余項(xiàng)無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。分析結(jié)果的誤差絕對(duì)值均較小，因此有限元分析可作為一種有效預(yù)測(cè)手段。

另外根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地觀測(cè)，南側(cè)建筑物及地下室未見明顯的新鮮結(jié)構(gòu)性裂縫。建筑沉降、傾斜數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，未超過監(jiān)測(cè)報(bào)警值及相關(guān)規(guī)范要求指標(biāo)，處于安全的狀態(tài)。說明事故發(fā)生后基坑南側(cè)鄰邊坑內(nèi)土方及時(shí)回填反壓的措施對(duì)降低鄰近建筑物的影響是十分有效的。

5 結(jié) 論

針對(duì)軟土地區(qū)某基坑滑移事故，通過有限元分析、第三方監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等綜合手段，得出本次事故對(duì)南側(cè)鄰近建筑物變形的影響程度較低的結(jié)論。一方面是因?yàn)槭鹿拾l(fā)生后，施工單位第一時(shí)間進(jìn)行了大面積土方回填，從而有效控制住了基坑后續(xù)變形，降低了對(duì)南側(cè)建筑物的影響；另一方面，一般基坑開挖所引起的坑外地表沉降的范圍主要在1～2倍開挖深度范圍內(nèi)，5倍挖深范圍之外受到的影響可忽略。南側(cè)地塊地下室外墻距離本工程基坑約2.6倍挖深，裙房和高層辦公樓地上部分外墻與本工程基坑距離約等于或大于5倍挖深，已基本不受本工程開挖影響。