基坑開挖對鄰近建筑樁基礎(chǔ)承載性能的影響

■鄒昌波 ■廣東中駿建設(shè)工程有限公司，廣東 茂名 525300

隨著城市土地資源的減少，地下空間不斷被開發(fā)利用，尤其是高層建筑興起，使得基坑開挖工作越來越重要。在開挖過程中，周圍土體在作用力下容易滑動甚至坍塌，進(jìn)而影響到鄰近建筑物的樁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)承載著建筑上部荷載，如果因土體變形而導(dǎo)致樁側(cè)和樁端阻力發(fā)生變化，極有可能會導(dǎo)致承載性能下降，從而破壞建筑穩(wěn)定。所以必須重視基坑開挖對鄰近建筑樁基礎(chǔ)承載性能的影響，科學(xué)預(yù)測其影響程度，并采取相關(guān)保護(hù)措施，以降低對建筑物的破壞。

1 基坑開挖對鄰近建筑樁基礎(chǔ)承載性能的影響

1.1 樁基礎(chǔ)和基坑

在開展研究之前，需先了解基坑和樁基礎(chǔ)這兩個(gè)對象。樁基礎(chǔ)是建筑物的支撐，多埋于土體中，可將上部荷載向周圍土體傳遞，以減少自身承重。按照材料可將樁基礎(chǔ)分為木樁、鋼樁和鋼筋混凝土樁等幾種。由于強(qiáng)度大、承載力高、適應(yīng)性強(qiáng)，且具有良好的穩(wěn)定性，便于機(jī)械化施工，在當(dāng)前高層建筑中有著廣泛應(yīng)用。基坑則是為利用地下空間而開挖的工程，在建筑中多作車庫和地下室用。因基坑開挖易引起土體變形、位移，從而影響樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，所以有必要研究二者之間的相互關(guān)系，提前采取安全防范措施，以減少帶來的各種損失。

1.2 影響

首先，基坑開挖實(shí)際上是上部土體卸載的過程，易引起基坑變形。可從3個(gè)方面考慮：(1)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。支護(hù)結(jié)構(gòu)是保證基坑順利開挖的安全措施，開挖前兩側(cè)受力平衡。隨著土體的卸載，產(chǎn)生土壓力差，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，致使坑外土體也隨之變形。從而導(dǎo)致坑內(nèi)土體出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，或坑外土體向開挖側(cè)位移的情況；(2)坑底隆起。基坑開挖會引起應(yīng)力變化，以至于坑底土體向上隆起，中間高、兩側(cè)低。隨著開挖深度的增加，可能會導(dǎo)致土體位移，破壞樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性；(3)周邊地表沉降。如果支護(hù)結(jié)構(gòu)入土較淺且為軟土地層時(shí)，結(jié)構(gòu)底部位移較大，周邊土體沉降程度較為嚴(yán)重，最大的沉降點(diǎn)位于基坑邊緣；如果支護(hù)結(jié)構(gòu)入土較深或土質(zhì)較好，最大的沉降點(diǎn)通常距離基坑有一段距離。

其次，坑外土體位移也會影響到周圍建筑樁基礎(chǔ)，可從兩方面考慮：(1)土體側(cè)移。樁基礎(chǔ)周圍的土體發(fā)生位移，所受土壓力會隨之改變，則樁側(cè)阻力就會受到影響。同時(shí)樁身彎矩增加，超過一定值時(shí)會降低樁身的承載性能。土體側(cè)移在拉伸壓縮的作用下極有可能破壞建筑物；(2)地面沉降。樁基礎(chǔ)起著傳遞上部荷載的作用，當(dāng)發(fā)生沉降后，會影響到荷載的傳遞，使樁身承受更大的荷載。同時(shí)不均勻沉降必然會破壞建筑物結(jié)構(gòu)，甚至出現(xiàn)傾斜坍塌。

2 關(guān)于基坑開挖對周圍建筑影響的計(jì)算分析

從上述分析中可知，基坑開挖對周圍建筑有著一定程度的影響，為進(jìn)一步研究，采用二維有限元法進(jìn)行計(jì)算。以懸臂型基坑支護(hù)方式為例，多用于土質(zhì)較好的土層，若是軟土地基，需將開挖深度控制在5m以內(nèi)。采用地下連續(xù)墻作為支護(hù)，連續(xù)墻入土深度5.5m，厚度為1.2m。

某建筑共3層，高10m，以柱下獨(dú)立樁為基礎(chǔ)，采用框架結(jié)構(gòu)。樓板厚度為0.3m，彈性模量40GPa。柱下獨(dú)立樁由16跟直徑為750mm的鋼筋混凝土樁組成。基坑與建筑樁基礎(chǔ)的距離不同，影響也有所差異；建筑物樁的長度不同，所受到的影響也不同，在此通過建立二維有限元模型對其進(jìn)行分析。

3 樁基礎(chǔ)和基坑距離不同時(shí)所受到的影響

在基坑開挖過程中，土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和鄰近建筑樁基礎(chǔ)三者之間是相互影響的。坑外土體發(fā)生位移或沉降，會增加樁基礎(chǔ)的彎矩，而正是樁基礎(chǔ)的存在又使得位移受到限制。當(dāng)基坑和樁基礎(chǔ)的距離不同時(shí)，造成的影響也有差異。假設(shè)二者之間的距離有4種情況，分別為4m、6m、8m和10m，利用二維有限元軟件對其受力進(jìn)行計(jì)算并加以對比。

3.1 基坑變形分析

基坑開外是土體卸載的過程，易引起坑底土體回彈。支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)同時(shí)會產(chǎn)生一定的壓力差，迫使坑外土體向基坑內(nèi)移動。從試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果來看，若基坑周圍有樁基建筑物，且距離較近時(shí)，坑外地表的沉降越嚴(yán)重。若距離較遠(yuǎn)，地表沉降程度逐漸降低。有些基坑土質(zhì)較差，相應(yīng)的土體塑性區(qū)范圍大，常導(dǎo)致土體從外向內(nèi)移動。而建筑物樁基會起到一定的阻止作用，減輕坑外土體的位移程度。另外，樁基建筑自重導(dǎo)致基坑超載，支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)壓力增加，側(cè)移值因?yàn)殡S距離遠(yuǎn)近不斷變化，當(dāng)距離為4m時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移值最小。

3.2 建筑物的位移和內(nèi)力

基坑開挖引起坑外土體位移，進(jìn)而導(dǎo)致鄰近建筑樁基礎(chǔ)發(fā)生沉降或位移，以至于樁基礎(chǔ)上部結(jié)構(gòu)和所受內(nèi)力受到影響。隨著內(nèi)力的增加，極易破壞建筑上部穩(wěn)定性。該工程為框架結(jié)構(gòu)，在基坑開挖過程中會引起結(jié)構(gòu)柱軸力和柱水平位移的變化。對不同距離的狀況進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，建筑物距基坑最近的樁在基坑開挖后軸力最大，其中當(dāng)建筑物距坑最近時(shí)軸力最大，達(dá)到一400.8kN/m。基坑開挖后，建筑物兩邊的柱的軸力普遍大于建筑物中間柱的軸力。在內(nèi)力變化上，當(dāng)其內(nèi)力超過其極限承載力，樓板會發(fā)生破壞，從各工況樓板豎直位移和彎矩的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，建筑物樓板的豎直位移隨著建筑物與基坑距離的增加而減小。上層樓板的彎矩隨著建筑物距基坑距離的增大而增大。

4 建筑物樁長不同時(shí)所受到的影響

在基坑開挖由于坑外土體移動，使樁身產(chǎn)生一定的附加位移和附加彎矩，統(tǒng)計(jì)不同樁長的樁基建筑物基坑開挖后樁身側(cè)移和彎矩。從前面分析可知，基坑開挖對建筑物距基坑近的樁影響要明顯大于距基坑較遠(yuǎn)的樁，因此需特別分析最近距離樁的樁身側(cè)移和彎矩。當(dāng)建筑物樁長為8m時(shí)，基坑開挖引起的樁身側(cè)移最大，最大值達(dá)到-39.78mm；而當(dāng)樁長為10m或超過10m時(shí)，樁身側(cè)移較小，當(dāng)樁長為12m時(shí)，樁身最大值為-20.76mm。同時(shí)，當(dāng)樁長為8m時(shí)，樁身附加彎矩最大，達(dá)到50.86kNm/m。因此，當(dāng)鄰近樁基建筑物樁長小于地連墻嵌入深度時(shí)，應(yīng)在基坑工程設(shè)計(jì)和施工過程中對樁基建筑采取加固措施，或考慮選取其它基坑支護(hù)方案。

5 結(jié)束語

基坑開挖是現(xiàn)代建筑施工中的重要組成部分，直接關(guān)乎建筑安全質(zhì)量，同時(shí)由于土體變形、位移、沉降等原因，還會對周圍鄰近建筑物的樁基礎(chǔ)帶來不同程度的影響。不管是內(nèi)部變形，還是坑外土體位移，都應(yīng)對其影響進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，并采取安全保護(hù)措施，以減少對建筑物的破壞。

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