超深基坑開挖對周圍建筑物沉降影響分析

歐自珍

(中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，天津 300010)

目前，我國深基坑建設(shè)數(shù)量世界居首，城市可供開發(fā)的空地比率越來越低，使得超深基坑周圍建筑林立、地下隧道與管線縱橫交錯，深基坑開挖、支護(hù)對周圍建筑物不良影響始終是基礎(chǔ)工程和地下工程中的一個綜合性巖土工程問題。

二十世紀(jì)八十年代以來，人們借助于工程地質(zhì)的相關(guān)知識，吸取國內(nèi)外的成功經(jīng)驗，逐步形成了以支護(hù)樁、地下連續(xù)墻等為主流的單一或復(fù)合的支護(hù)形式。但是我國各區(qū)域地層巖性大不相同，地層巖土體微小差異即會造成其物理力學(xué)特性的天壤之別，深基坑開挖對周圍建筑物產(chǎn)生的不良影響因地而異。近年來，學(xué)者利用理論分析[1]、現(xiàn)場實測[2]、數(shù)值計算[3]等方法研究了上海、南京、深圳、廣州等地深基坑開挖對周圍建筑物的影響。分析了建筑物高度和結(jié)構(gòu)整體剛度對建筑物傾斜沉降的影響，同時討論了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式和設(shè)計條件對周圍環(huán)境的擾動規(guī)律。此外，還對與基坑邊成不同角度、與坑角成不同方位的建筑物進(jìn)行了研究，得到了很多有用的結(jié)論[4,5]。但是，既有的研究成果主要針對軟土地區(qū)，對中密砂卵石地區(qū)超深基坑臨近構(gòu)筑物的研究鮮有所見。卵石土層為稍濕～飽和，粒徑由小變大，結(jié)構(gòu)由稍密到密實。通過細(xì)分，可分為松散卵石、稍密卵石、中密卵石、密實卵石四個亞層。工程特性具散粒性、強(qiáng)透水性、高磨耗性等[6]，這一特殊地層中的深基坑開挖具較高的安全隱患。為研究砂卵石地層中超深基坑開挖對臨近建筑物的影響，本文以南昌某建筑深基坑為例，采用有限差分軟件建立分析模型，開展針對性研究。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)特征

南昌臨空臨港工業(yè)園項目超高層建筑的建筑高度為199.6 m，裙樓高度32.5 m，設(shè)5層地下室。擬建項目占地面積為6 000 m2。根據(jù)設(shè)計方案，該建筑擬采用樁筏基礎(chǔ)，預(yù)計基礎(chǔ)埋置深度為-26.9 m，樁基礎(chǔ)以中風(fēng)化為樁端持力層。基坑施工1～2倍開挖深度范圍內(nèi)建筑居民樓，地下室結(jié)構(gòu)幾乎布滿了建筑紅線包括的用地范圍。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

1.2 基坑支護(hù)方案

該工程基坑安全等級為一級，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對基坑的西側(cè)、北側(cè)采用雙排預(yù)應(yīng)力錨索的錨拉樁來嚴(yán)格控制基坑及周邊建筑物變形；南側(cè)由于樁基礎(chǔ)的因素，只能施工一排預(yù)應(yīng)力錨索；東側(cè)由于原有地下室影響錨索施工，因此采用懸臂樁支護(hù)。設(shè)計的錨拉支護(hù)樁樁徑1 200 mm，樁間距2.20 m，有效樁長29.00 m，嵌固深度7.00 m，冠梁尺寸為1 200 mm×800 mm，樁頂標(biāo)高為±0.00 m，在-6.0 m和-9.0 m處設(shè)置2道?150 mm內(nèi)灌漿預(yù)應(yīng)力錨索，錨索長度分別為18.0 m、15.0 m，錨固段分別為10.0 m、8.0 m，錨索錨固在支護(hù)樁身上，不設(shè)置腰梁，支護(hù)方案如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)形式(單位：m)

2 模擬方案及模型驗證

2.1 模擬方案

從支護(hù)結(jié)構(gòu)本身討論樁徑、樁間距、錨索長度等有關(guān)參數(shù)的變化對鄰近建筑物的影響規(guī)律，并從周圍建筑物不同基礎(chǔ)形式、不同基礎(chǔ)埋置深度的角度來進(jìn)一步探討建筑物本身特征受深基坑開挖影響的程度。具體方案如下：①建筑物基礎(chǔ)形式，獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)，埋深4 m；②建筑物基礎(chǔ)埋深分別為2 m和4 m，基礎(chǔ)形式為條形基礎(chǔ)、獨(dú)立基礎(chǔ)；③樁徑分別為0.6，0.8，1.0，1.2和1.4 m；④樁間距分別為2.2，2.5，3.0，3.5和4.0 m；⑤錨索長度分別為16，18，20，22，24和26 m。

2.2 建立模型

基坑開挖對周圍土層的影響范圍一般為3～5倍開挖深度，因此，所建立的模型最大的計算尺寸為220 m×60 m×90 m，共劃分39 500個單元，節(jié)點(diǎn)47 850個。模型邊界條件為頂部自由，底面固定，側(cè)面位移約束。所分析的建筑物平行布置基坑側(cè)，建筑物長25 m，寬10 m，相關(guān)計算參數(shù)見表2。計算中結(jié)構(gòu)采用彈性模型，土體采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，計算模型如圖2所示。

表2 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

圖2 計算模型

2.3 模擬步驟

數(shù)值模擬工況應(yīng)與實際施工步驟一致，具體過程如下：①建立基坑與鄰近建筑物基礎(chǔ)的三維模型，進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，保留應(yīng)力場，位移清零；②基坑開挖至4.5 m，施加第1道錨索(4 m)和預(yù)應(yīng)力，進(jìn)行平衡計算；③開挖至7.5 m，施加第2道錨索(7 m)和預(yù)應(yīng)力，進(jìn)行平衡計算；④開挖至10.5 m，施加第3道錨索(10 m)和預(yù)應(yīng)力，進(jìn)行平衡計算；⑤開挖至13.5 m，施加第4道錨索(13 m)和預(yù)應(yīng)力，進(jìn)行平衡計算；⑥開挖至16.5 m，施加第5道錨索(16 m)和預(yù)應(yīng)力，進(jìn)行平衡計算；⑦開挖至19.5 m，施加第6道錨索(19 m)和預(yù)應(yīng)力，進(jìn)行平衡計算；⑧開挖至22.5 m，施加第7道錨索(22 m)和預(yù)應(yīng)力，進(jìn)行平衡計算；⑨開挖至坑底26.9 m，進(jìn)行平衡計算。

2.4 布置監(jiān)測點(diǎn)

(1)為了研究不同基礎(chǔ)形式和基礎(chǔ)埋深等因素對鄰近建筑物的影響，現(xiàn)選取建筑物基礎(chǔ)角部和中部等6個監(jiān)測點(diǎn)作為研究對象，如圖3(a)所示。因篇幅所限，本文只分析建筑物中線即CD剖面處的沉降變形情況。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

(2)為研究不同樁徑、樁間距、錨索排數(shù)、錨索長度、錨索預(yù)加力、基坑開挖寬度和建筑物距基坑的遠(yuǎn)近等因素對建筑物的影響，以條形基礎(chǔ)的建筑物作為研究對象。其監(jiān)測點(diǎn)布置見圖3(b)，因篇幅所限，本文只分析建筑物中線即CD、EF剖面處的沉降變形情況。

2.5 模型正確性驗證

在現(xiàn)場選取第2排錨索埋設(shè)錨索計傳感器以監(jiān)測錨索內(nèi)力，根據(jù)實際的監(jiān)測來反演確定模型的計算參數(shù)和分析計算的準(zhǔn)確性。對比分析結(jié)果見圖4所示。

圖4 錨索施工監(jiān)測對比曲線

從圖4可見，模型建立及參數(shù)選取較為準(zhǔn)確。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)對周圍建筑物影響

3.1 樁徑的影響

開挖完成后，樁徑影響的計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 樁徑的影響

由圖5可以看出，樁徑對鄰近建筑物的影響較大，當(dāng)樁徑為0.6 m和0.8 m時，建筑物最大沉降量分別為91 mm和50 mm，最大差異沉降分別為91.2 mm和58 mm，傾斜值都大于0.004，大于建筑物的控制標(biāo)準(zhǔn)，建筑物處于不安全狀態(tài)。當(dāng)樁徑為1.0，1.2和1.4 m時，建筑物最大沉降量分別為25.2，22.7和21.6 mm，差異沉降分別為36.4，33.8和31.8 mm，其傾斜值均小于0.004，此時，建筑物處于安全狀態(tài)。綜合考慮安全和經(jīng)濟(jì)等因素，在砂卵石進(jìn)行深基坑支護(hù)設(shè)計時，選取1.2 m左右的支護(hù)樁是比較合適的。

3.2 樁間距的影響

樁間距影響計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 樁間距的影響

由圖6可以看出，基坑臨近建筑物沉降變形量與樁間距成正比。樁間距從2.2 m增大到4.0 m，建筑物最大沉降量分別為22.7，23.2，24.8，30.4和47.6 mm，最大差異沉降為33.8，34.0，36.0，42.0和55.0 mm。由計算結(jié)果可知，當(dāng)樁間距大于3.0 m時，將使建筑物產(chǎn)生過大的沉降，導(dǎo)致建筑物發(fā)生破壞。因此在基坑設(shè)計時，對于周邊有建筑物的情況，當(dāng)樁間距小于3 m時，基坑和建筑物的安全均可以得到保證，但是同時需要滿足小于2倍樁徑的規(guī)范要求。

3.3 錨索長度的影響

錨索長度影響計算結(jié)果見圖7所示。

圖7 錨索長度的影響

由圖7可知，基坑臨近建筑物沉降變形量與樁間距成反比。當(dāng)錨索長度為16，18，20，22和26 m時，建筑物變形分別為22.4，22.3，22.1，21.8和21.6 mm。另外，進(jìn)一步可知，當(dāng)錨索長度從16 m增加到26 m時，最大沉降量僅減少0.9 mm，由此可見，過長的錨索并不會增加基坑的安全性，亦不會減少建筑物的沉降變形。故，砂卵石深基坑采用錨索支護(hù)時錨索長度僅需滿足規(guī)范要求即可。

4 建筑物基礎(chǔ)對周圍建筑物影響

4.1 基礎(chǔ)形式的影響

基礎(chǔ)形式影響計算結(jié)果見圖8所示。

圖8 基礎(chǔ)形式的影響

圖8可以看出，采用不同結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)，對建筑物的變形影響程度差異很大。由計算結(jié)果可知，當(dāng)采用條形基礎(chǔ)時，建筑物最大沉降為22.7 mm，差異沉降為33.8 mm；當(dāng)采用獨(dú)立基礎(chǔ)時最大沉降為11.8 mm，差異沉降為8.5 mm。當(dāng)采用筏板基礎(chǔ)時，建筑物有一定的上浮，上浮最大值為3 mm，這是由于基坑開挖卸荷導(dǎo)致建筑物上部荷載小于上浮力，所以導(dǎo)致建筑物上浮。由以上分析可知，在砂卵石地區(qū)，采用筏板基礎(chǔ)對建筑物的影響最小，其次為獨(dú)立基礎(chǔ)，條形基礎(chǔ)對建筑物的影響最大。

此外，計算結(jié)果分析可知，對采用不同基礎(chǔ)形式的建筑物縱向(沿基坑開挖面方向)的沉降量均小于建筑物橫向沉降量。由此可見，基坑開挖對建筑物橫向的影響大于縱向。

4.2 基礎(chǔ)埋深的影響

基礎(chǔ)埋深影響計算結(jié)果見圖9所示。

圖9 基礎(chǔ)埋深的影響

由圖9可以看出，基礎(chǔ)埋深不同對建筑物的影響很大。對于獨(dú)立基礎(chǔ)，當(dāng)基礎(chǔ)埋深為4 m時，建筑物最大沉降為11.8 mm，差異沉降為8.5 mm；當(dāng)基礎(chǔ)埋深為2 m時，建筑物最大沉降為41.2 mm，差異沉降為31 mm。對于條形基礎(chǔ)，當(dāng)基礎(chǔ)埋深為4 m時，建筑物最大沉降為22.7 mm，差異沉降為33.8 mm；當(dāng)基礎(chǔ)埋深為2 m時，建筑物最大沉降為47.4 mm，差異沉降為65.6 mm，傾斜值大于建筑物的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，將導(dǎo)致建筑物破壞。因此，由計算結(jié)果分析可知，為保證建筑物的安全，在滿足規(guī)范要求和經(jīng)濟(jì)的條件下，基礎(chǔ)應(yīng)盡量加大埋深。

5 結(jié)論

(1)建筑物基礎(chǔ)形式對建筑物變形的影響程度差異很大。在砂卵石地區(qū)，采用筏板基礎(chǔ)對建筑物的影響最小，其次為獨(dú)立基礎(chǔ)，條形基礎(chǔ)對建筑物的影響最大。

(2)基礎(chǔ)埋深不同對建筑物的影響很大。埋深越大，沉降越小，為保證建筑物的安全，在滿足規(guī)范要求和經(jīng)濟(jì)的條件下，基礎(chǔ)應(yīng)盡量加大埋深。

(3)樁徑越小、樁間距越大時，鄰近建筑物差異沉降也越大。砂卵石地層基坑設(shè)計時，對于周邊有建筑物的情況，當(dāng)樁間距小于3 m時，基坑和建筑物的安全均可以得到保證，但是同時需要滿足小于2倍樁徑的規(guī)范要求。

(4)過長的錨索并不會增加基坑的安全性，亦不會減少建筑物的沉降變形。故，砂卵石深基坑采用錨索支護(hù)時錨索長度僅需滿足規(guī)范要求即可。