基坑降水對(duì)周邊建筑物影響的實(shí)測與理論分析

邱玉，魏煥衛(wèi)，蔣洪勝

(山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

隨著城市化的發(fā)展，高層建筑日益增多，出現(xiàn)了越來越多的深基坑工程。當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^淺時(shí)，為方便施工，降水是必要工作。現(xiàn)在的深基坑設(shè)計(jì)和施工控制重點(diǎn)不僅在于保證其強(qiáng)度、穩(wěn)定性，而且還要控制對(duì)周圍環(huán)境的影響。盲目降水勢必造成周圍建筑的不均勻沉降，開裂甚至破壞。基坑降水對(duì)周圍地表的沉降問題已引起國內(nèi)外科研、設(shè)計(jì)和施工人員的高度重視。如章榮軍等[1]采用考慮流固耦合作用的三維數(shù)值模擬方法探討了深基坑降水開挖對(duì)鄰近樁基的影響規(guī)律;許錫昌等[2]探討了深井降水對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊建筑物的影響等。降水時(shí)建筑物的沉降是許多因素共同作用的結(jié)果，如李濤等[3]利用FLAC3D程序中的流固耦合功能，對(duì)基坑開挖降水時(shí)影響周圍建筑物沉降的主要因素進(jìn)行了分析;金小榮等[4]利用二維有限元法分析了彈性模量、降水深度和滲透系數(shù)對(duì)基坑周圍土體沉降性狀的影響等。沉降計(jì)算時(shí)綜合考慮建筑物與基坑距離、已有建筑物基礎(chǔ)形式等是必要的。

另外，現(xiàn)場監(jiān)測也是控制基坑降水的重要措施，適時(shí)監(jiān)測周邊建筑物的沉降，根據(jù)其發(fā)展趨勢，及時(shí)調(diào)整基坑施工方案，采取必要措施加固已有建筑[5]，也是很必要的。張?jiān)鋈萚6]研究了基坑降水沉降監(jiān)測的意義和實(shí)施。對(duì)于基坑降水對(duì)周邊建筑物的影響，本文進(jìn)行了實(shí)測與理論方面的研究，綜合性的闡述了引起不均勻沉降的原因是由于深基坑降水使周圍土體應(yīng)力重新調(diào)整，并以CFG樁為例進(jìn)行解析法分析。

1 工程概況

1.1 基坑工程概況

東營市某基坑工程，基坑深度6.5m，基坑長約120m、寬約130m，為了保證基坑安全采用復(fù)合土釘墻進(jìn)行支護(hù)，采用管井進(jìn)行降水，降水井深13m。基坑南側(cè)為已建成T9及裙樓、T10及裙樓、T11和T12樓，4～17層，框架結(jié)構(gòu)，采用CFG樁復(fù)合地基，基礎(chǔ)埋深3.47m，樁長21.5m。如圖1所示。

圖1 基坑及周邊環(huán)境布置示意圖

1.2 周邊場地巖土工程條件

根據(jù)場地的巖土工程勘察報(bào)告，各土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

1.3 基坑降水情況

基坑南側(cè)坡頂建筑自2010年8月開始施工，至2011年2月基本完成結(jié)構(gòu)封頂。該基坑自2011年6月15日開始降水，由于降水期間觀測發(fā)現(xiàn)周邊建筑物沉降較大，于2011年7月5日停止降水，后在基坑周邊增設(shè)水泥土攪拌樁止水帷幕，2011年8月1日重新開始降水，降水期間仍然發(fā)現(xiàn)周邊建筑沉降較大，于2011年9月5日停止降水。

2 周邊建筑物基礎(chǔ)沉降實(shí)測分析

2.1 監(jiān)測點(diǎn)布置

為了保證基坑周邊建筑物的安全，在T9、T10、T11和T12建筑物位置各布置了7個(gè)沉降觀測點(diǎn)，具體布置見圖2。

圖2 基坑周邊建筑物沉降觀測點(diǎn)布置圖

2.2 沉降數(shù)據(jù)分析

從建筑物基礎(chǔ)施工完成后開始對(duì)其沉降進(jìn)行觀測，觀測時(shí)間自2010年8月3日開始至2011年9月21日為止，共觀測31次。各樓不同階段的沉降觀測值如表2所示。由表2和圖3～6可以看出:(1)自該建筑物基礎(chǔ)施工完畢后隨著上部結(jié)構(gòu)荷載的增加沉降持續(xù)線性增加，結(jié)構(gòu)封頂至第1次降水開始(2011年6月15日)期間該建筑物的基礎(chǔ)沉降基本保持穩(wěn)定;(2)第1次降水開始至第1次降水終止期間，該建筑物基礎(chǔ)沉降持續(xù)增加;(3)停止降水期間(止水帷幕施工，2011年7月5日至8月1日)，該建筑物基礎(chǔ)沉降仍增大，但增速銳減;(4)第2次降水開始至第2次停止降水期間，該建筑物基礎(chǔ)沉降持續(xù)增加，增速與第1次降水期間基本相同;(5)距離基坑降水井越遠(yuǎn)的建筑物的沉降越小。

表2 沉降觀測成果表/mm

圖3 T9樓沉降觀測時(shí)程曲線

圖4 T10樓沉降觀測時(shí)程曲線

圖5 T11樓沉降觀測時(shí)程曲線

圖6 T12樓沉降觀測時(shí)程曲線

由以上分析可以看出基坑降水井開始降水時(shí)，周邊建筑物基礎(chǔ)沉降速率較大，當(dāng)停止降水時(shí)周邊建筑物基礎(chǔ)沉降基本穩(wěn)定，因此初步分析自2011年6月15日以后引起周邊建筑物基礎(chǔ)沉降主要是由于基坑降水引起的。

3 周邊建筑物基礎(chǔ)沉降理論分析

3.1 沉降原因的初步分析

基坑大量抽取地下水，導(dǎo)致基坑周圍建筑物地下水位下降，使地基中有效自重應(yīng)力增加，從而引起地面大面積沉降[7]，如圖7所示。

圖7 水位下降前后自重應(yīng)力的變化

圖8 復(fù)合地基各部分沉降示意圖

CFG樁樁頂與基礎(chǔ)之間鋪設(shè)褥墊層，使樁間土發(fā)揮承載力，與樁組成復(fù)合地基。

由于該建筑物采用CFG樁復(fù)合地基，上部結(jié)構(gòu)荷載由CFG樁與樁間土共同承擔(dān)，當(dāng)樁間土沉降后，部分荷載轉(zhuǎn)移至CFG樁上，導(dǎo)致樁沉降，從而使建筑物發(fā)生沉降、傾斜。

建筑物沉降主要由以下三部分組成:建筑物建成后沉降，降水引起樁端以下土沉降S2和樁的沉降S3。由于CFG樁是剛性樁，所以樁的自身壓縮量可忽略不計(jì)。其中，樁間土的沉降用S1表示，如圖8所示。

3.2 建筑物建成后結(jié)構(gòu)自身沉降

計(jì)算復(fù)合土層的壓縮模量按照J(rèn)GJ79－2002《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[8]中規(guī)定計(jì)算:結(jié)果基底平均附加應(yīng)力為84.07 kPa。最終沉降 S=21.86 mm。壓縮層厚度為基底以下5.67m。沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為0.69。地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為110kPa，如表3所示。

表3 建筑物建成后沉降

3.3 降水引起樁間土沉降量S1

3.3.1 基坑降水指標(biāo)計(jì)算

基坑指標(biāo):地下水埋深取1.40m，基礎(chǔ)埋深取6.5m，采取管井降水法，井深13m，將地下水位降至基底以下0.5m。

3.3.2 樁間土沉降量

已建成建筑物地下水位取基底以下0.5m，平均樁長21.5m，基底以下土的有效重度取19kN/m3，采用分層總和法，則地基沉降如表4所示。

表4 樁間土沉降計(jì)算表

3.4 降水引起樁端以下土體沉降S2

地基處理后的變形計(jì)算按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB50007 －2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]中公式5.3.5規(guī)定，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 樁端以下土沉降計(jì)算表

3.5 CFG樁沉降S3

基坑周邊建筑物采用CFG樁，基礎(chǔ)類型為柱下方形獨(dú)立基礎(chǔ)基礎(chǔ)，基礎(chǔ)尺寸3.4m×3.4m，褥墊層厚度200mm。第9層為樁端持力層，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為150kPa。布樁形式為正方形，樁間距為1.8 m，平均樁長21.5 m，樁徑400 mm。

3.5.1 單樁豎向承載力特征值計(jì)算:

根據(jù)JGJ79－2002《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[8]第9.2.6 規(guī)定，得 Ap=0.1256m2，up=1.256m，則 Ra=1.57 ×595.61+1800 ×0.1256=974.2(kN)。

3.5.2 面積置換率計(jì)算:

根據(jù) JGJ79 －2002[8]第 7.2.8 －2 規(guī)定，得 d=0.40m，de=1.13s，s=1.8m，則 m=3.867%

3.5.3 復(fù)合地基承載力計(jì)算:

根據(jù) JGJ79 － 2002[8]第 9.2.5 規(guī)定，取 m=3.867%，β =0.8，fsk=107.8kPa，則 fspk=3.867% ×974.2/0.1256+0.8 × (1 － 3.867%) × 107.8=382.8(kPa)。

3.5.4 CFG 樁沉降計(jì)算:

當(dāng)樁間土沉降后，部分荷載轉(zhuǎn)移至CFG樁上，導(dǎo)致樁沉降。此時(shí)有，則=1243.3 kN，此時(shí)降水后單樁豎向荷載增量為ΔRa==269.1kN，則附加應(yīng)力=4 ×269.1/3.42=93.1(kPa)，其中n為單個(gè)柱下獨(dú)立基礎(chǔ)的樁數(shù)，A為基礎(chǔ)面積。

T9、T10、T11和T12樓沉降計(jì)算結(jié)果:基底平均附加應(yīng)力為93.1kPa。最終沉降 S=35.45mm。壓縮層厚度為基底以下6.93m。沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為0.78。

3.6 建筑物最終沉降

引起建筑物最終沉降是由于樁端土的沉降和CFG樁的沉降，即 S2+S3。T9、T10、T11和 T12樓中心點(diǎn)的沉降值如表6所示。

表6 各樓中心點(diǎn)沉降值計(jì)算表/mm

4 結(jié)論和建議

理論和實(shí)測值最大相差17%，說明基坑周邊建筑物沉降是由降水引起。CFG樁與樁間土以及樁頂與基礎(chǔ)底面間的褥墊層共同組成復(fù)合地基，共同承擔(dān)上部荷載。由于基坑降水使周圍地下水位下降，導(dǎo)致地基土中有效自重應(yīng)力增加，從而引起樁間土下沉。部分荷載轉(zhuǎn)移到樁上引起樁的沉降從而使建筑物整體下沉。基坑降水時(shí)使周圍土層產(chǎn)生的沉降成漏斗分布，其沉降與建筑物和基坑的相對(duì)位置有關(guān)，建筑物距基坑越近，沉降越大。建議在基坑降水前對(duì)將會(huì)引起建筑物的沉降進(jìn)行計(jì)算，做到實(shí)時(shí)的預(yù)測[10]，以采用合理的降水形式和降水井布置等。或采用回灌井、止水帷幕等減小基坑周圍土體總沉降和不均勻沉降，使降水對(duì)周圍建筑物影響做到最小。

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