淺析地基開挖對既有建筑物樁基影響

陳越楠

摘 要：近年來城市發展加快，建設用地需求加大，對土地的需求日益突出。如何解決城市建設用地的供應和需求之間的矛盾，是我們要面對的一個棘手的問題。實踐表明，在國內外，特別是人口密集，土地資源相對緊張的城市圈，地表空間日趨飽和的條件下，合理有秩序的城市地下空間開發，走可持續的發展道路城市，是為了解決城市建設用地的需求矛盾與走可持續發展道路之間的一種有效手段。

關鍵詞：地基；建筑；隧道

自進入21世紀后，城市地下空間開發項目與隧道開挖工程進入了一個前所未有的重要發展時期。世界各大城市已經開發和利用地下空間的各種用途，例如地鐵、車庫、高層建筑地下室、地下商場和醫院、地下倉庫，地下人防工程和各種民用工業設施，因此深基坑工程的大量增加。特別是在中國，無論在規模和數量上均超過工程技術水平發達的一些國家。地下空間的發展趨勢日益增多，同時也顯現出大量的工程問題，特別是在施工環境復雜的城市的中心，例如密集的地面建筑物，復雜的地下管線。因此將不可避免地進行交叉施工或鄰近條件下作業。新的地下工程設施建設可能引起地表隆起、塌陷、水平位移，很可能影響地面現有建筑工程結構安全和正常使用性能。而且大多數的深基坑工程地理位置都較特殊，建筑密集，變形影響敏感。如果在這些深基坑施工過程不注意，在基坑開挖時變形量過大，會產生附加的撓度及彎矩到現有的建筑物樁基礎上，造成建筑物出現裂縫，甚至建筑物倒塌，造成巨大經濟損失。

實際上，已經有一大批的學者及工程技術人員進行土體開挖環境效應方面的研究。2001年在英國倫敦，巖土工程界諸多專家學者舉辦了針對隧道、深基坑開挖等條件對既有建筑結構的響應規律特點、破壞預測方法和控制措施等的學術方面研討會，說明國際學術界和工程界高度重視該方面的研究現狀和學科發展情況。在接下來的十內，國內外的學者和工程技術人員對鄰近建筑物在開挖情況下受到的響應規律進行了廣泛的研究以及報告，大部分采用數值計算和簡化的理論方法對開挖引起的土體應力場的分布規律和位移場的分布規律、地面沉降預測、圍護結構應力變形計算、土體變形引起地基的附加內力及位移進行了討論，揭示出了這些問題的一般規律和特點。

然而，這些研究結果并不能解決工程中所有的問題，近年來在國內外發生了一些因開挖隧道或開挖基坑導致鄰近建筑物倒塌工程事故。例如：北京地鐵十號線工程滑坡坍塌6人被埋；深圳地鐵三號線的建設工地坍塌引起人員傷亡，并造成周圍建筑物的順壞；杭州地鐵一號線附近地面出現大面積的沉降和坍塌超過50人被埋，造成鄰近建筑物嚴重損壞，影響了整個工程界。這些工程事故有相當一部分是由于施工現場管理不當，遇到了異常的水文地質或施工人員由于缺乏敬業精神引起的。但不排除對問題缺乏足夠的認識，對鄰近建筑物的附加響應預測不準而導致工程事故發生。

因此，在深基坑工程的設計與施工過程中，如何有效地限制由于深基坑開挖而引起的土體位移，減小土體變形對臨近建筑物樁基的影響，這些已成為巖土工作人員非常關注的一個焦點。

在土木工程施工中，基坑及地下開挖是一直一個傳統的主題。且它是一個非常復雜的巖土工程課題，涉及土力學中的強度和穩定性問題，還有變形的問題，還涉及到土體與支護結構作用關系。深基坑開挖時不但要保證基坑本身的安全與穩定，而且還要控制基坑周圍地層位移，有效保護周邊環境。在比較好的地層，周圍地層在基坑開挖的影響下變形小，若控制適當，不影響周圍的城市環境，但是在軟土層，特別是在軟土層的城市建設中，由于地層的復雜性，若進行基坑開挖則會產生較大的變形，將會嚴重影響接近深基坑周圍建筑物、地下管線、道路等市政設施，所以這是一個非常復雜且具有風險的工程項目。

目前，隨著工程建設進程加快深基坑工程開挖深度逐漸增大，實際上增大了基坑工程的施工難度及風險。通常基坑工程在城市建筑物和人口居住稠密的地區，基坑開挖導致地層土體移動，移動土體對鄰近建筑物樁基礎產生附加撓度及彎矩，若位移很大則會導致建筑物或構筑物的破壞。本課題研究，從本質上講屬于開挖卸荷對樁基礎的橫向和縱向的位移的影響，即被動樁。

基坑開挖對鄰近既有建筑的影響包括許多方面，有一些研究較深的并制定了相應的行業標準和法規。但是在基坑開挖對鄰近樁基荷載的影響方面的研究相比較還不完善，還沒有任何行業標準。很重要的原因是基坑、土體及現有的樁基相互作用的問題有其獨特的力學原理及研究難點。

（1）坑開挖引起位移，不僅在地層表面附近會對樁基應力、變形的影響較大，且深層土體位移變化也將直接影響樁基礎。現在對基坑工程的深部土體位移計算理論研究相對少；

（2）通常在基坑或隧道開挖前，鄰近樁基已經處于較大荷載狀態，當開挖附近的土體后發生非均勻地層位移，引起樁端阻力和樁側摩阻力重新分布，其中一些樁可能在卸荷的狀態，與其它一些則可能在繼續加荷的狀態下。地下管道等基本不能承受大的外荷載，基坑開挖引起的地層位移對管線的內力是可以忽略的。在這一點上，可以認為其處于初始加載階段，沒有卸加載的問題；

（3）樁基礎是一種豎直方向的承載構件，樁-土之間的摩擦阻力提供了很大一部分的承載力，若荷載或非均質地層位移較大，樁和土之間會發生明顯的滑移現象。但對于地下管線等結構與土的界面則不會發生滑移

（4）樁基礎受較大軸向荷載作用下，若地層發生水平位移，可引起樁體明顯的彎曲（撓曲），在軸向力的作用下，可產生不可忽視的偏心力矩加重樁身撓度。因此對于豎直方向荷載的被動樁必須考慮橫向變形綜合效應的影響；

（5）樁表現為群樁的形式，在樁基礎的頂部通常具有剛性帽，地層位移的影響下群樁綜合效果明顯，還涉及樁承臺及樁身受荷的協調問題。由于施工方法不同，不同的樁-土界面剪切滑移特性的差異大，在理論分析時相對難處理。

綜上所述，目前對基坑、土體和鄰近樁基相互作用的力學機制和難點的研究還不夠完善。目前所采用的基坑鄰近樁基工程施工過程中的地層位移控制標準也缺乏相關理論依據。如：較小安全系數的樁基礎（圖1所示），當在主動荷載作用的情況下，很大部分的樁側和樁端土達到塑性狀態，這時基坑開挖將發生不均勻地層位移而引起很大的沉降。在較大安全系數的基礎（圖2所示），當在主動荷載作用的情況下，樁側和樁端土則處于彈性狀態，這時基坑開挖，樁體下部的承載力可有效發揮以平衡基坑底面以上樁段的荷載減少量，樁體沉降相對會小得多。

基坑開挖對附近荷載樁基的影響是比較復雜的，在以前的研究中，基坑開挖引起的土體水平和豎直向位移，獨立分析其對樁基礎產生的影響或忽略樁頂的既有荷載。但在樁基礎的受荷載的情況下，樁頂的荷載將產生偏心的力矩，將引起更大的水平彎曲（撓曲）。總之對于不同情況的樁基工程，應考慮樁基礎與初始荷載狀態，樁-土界面的實際承載性能及側向和豎向變形的綜合效應，建立一個科學分析預測的研究方法，針對不同的樁基分析，以便建立符合實際應用的地層位移控制標準，在設計和施工中做出更正確的決策和技術應變措施。

參考文獻：

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