某軟土基坑局部滑移對鄰近建筑物變形影響的分析

王 穎，胡 鋒，岑維杰，華 琦

（1. 杭州市勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310012；2. 煙臺天孚裝飾工程有限公司，山東 煙臺 264000）

0 引 言

軟土具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低、靈敏度高、易擾動的特點，對于工程性質較差的軟土區，基坑變形往往較難控制。目前我國城鎮化率已超60%，城市高樓林立，基坑開挖難免對周邊建筑物、市政道路管線等敏感環境產生不利影響[1]。基坑支護結構作為臨時性構件，安全系數取值相對較低，因此從勘察、設計到施工過程中，任何小失誤或投機行為都可能導致基坑工程出現事故，造成人員、財產巨大損失，從而帶來極其惡劣的社會影響[2]。

本文以某軟土地區基坑局部滑移事故為例，通過有限元軟件模擬、監測數據分析等綜合手段評估了事故發生對基坑南側鄰近多（高）層建筑物的變形影響程度，為基坑后續加固措施、施工措施提供依據。

1 基坑工程概況

某商辦綜合項目總用地面積約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層商業裙房，統一設一層地下室，工程樁采用鉆孔灌注樁。基坑形狀較規則，呈長方形，開挖面積約2.35×104m2，開挖深度約5.95 m。

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

場地東側、北側為已建廣場綠化；西側為已建城市道路；南側為已建商業園區建筑，目前已投入使用。

本工程為二級基坑[3]，周邊環境復雜，地質條件較差，設計采用鉆孔樁結合一道鋼筋混凝土水平支撐支護方案；塔樓電梯坑采用雙軸攪拌樁重力式擋墻支護形式；圍護樁外側設雙軸水泥攪拌樁做止水帷幕。鉆孔樁樁底標高采用雙重控制指標，控制樁底標高絕對值并要求進入“硬土層”不少于2 m。基坑支護平面及南側園區建筑物沉降監測孔位布置如圖1所示。典型支護剖面圖如圖2所示。

圖1 基坑支護及南側建筑沉降監測孔位布置圖Fig. 1 Layout plan of the foundation pit and settlement monitoring holes of south side buildings

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

2 南側鄰近建筑物概況

基坑南側為已投入使用的商業園區，設有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。塔樓采用現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，高度約93.6 m；裙房采用現澆混凝土框架結構，高度約 16.2 m；地下室底板面絕對標高?1.05 m，底板底絕對標高?1.70 m，與本工程基坑坑底基本齊平。塔樓、裙房及地庫均采用鉆孔樁基礎，塔樓和裙房工程樁持力層為⑦-3層中風化巖層，樁長≥26 m；地庫工程樁持力層為⑥層圓礫層，樁長≥13 m。本工程基坑邊線距離南側用地紅線約6.7 m，距離南側商業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。基坑與南側建筑物相對位置關系如圖3。

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

3 施工及滑移情況

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

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

出現基坑滑移事故后，為保證基坑安全，避免進一步對周邊環境造成惡劣影響，現場迅速進行了坑內土方回填，回填范圍為整個南側土方已經開挖區域。現場情況如圖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 基坑滑移對南側建筑物的影響分析

根據規范[5]及本工程基坑圍護設計關于周邊建筑物的變形控制指標要求，南側建筑物沉降、傾斜控制值如下：3層裙房累計沉降量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 監測數據分析

本工程基坑開挖期間，建設單位委托第三方對南側園區的鄰近建筑物（鄰近的塔樓和裙房）進行了沉降監測，共布設了9個豎向位移監測點（裙房布點JZ1-JZ3，塔樓布點JZ4-JZ9）。從4月20日至事故發生后，建筑物累計沉降量及沉降速率如圖6～7所示。

圖6 南側建筑物沉降累計值Fig. 6 Accumulated settlement value of south side buildings

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

根據監測數據，本工程基坑開挖期間，南側中部發生滑移之前，南側裙房中部（JZ2孔）沉降量最大，約2.50 mm；南側塔樓東南角點（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，考慮主要是因為裙房距離本工程基坑更近，位于5倍基坑開挖深度范圍內，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。滑移事故發生后，裙房各測點沉降量增加0.15～0.69 mm，相鄰柱基沉降差最大約0.57 mm；塔樓各測點沉降量增加 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。與基坑滑移位置對應的裙房沉降量增加0.15 mm；塔樓沉降量增加0.12 mm，相鄰柱基沉降差為0.14 mm。監測數據表明，塔樓和裙房整體變形量雖緩慢增加，但累計沉降量和沉降速率均小于控制要求，且沉降速率趨于收斂。

基坑南側發生滑移后，監測單位于6月初對南側鄰近建筑物進行了傾斜觀測，選擇塔樓4個角點J1、J2、J3、J4及裙房北側兩個角點J5、J6作為建筑物傾斜觀測點，如圖8所示，傾斜觀測結果如表1所示。

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

圖8 南側建筑物傾斜觀測點位布置圖Fig. 8 Layout plan of tilt observation points of south side buildings

根據傾斜觀測，塔樓傾斜率小于2.5‰，裙房傾斜率小于4‰，滿足建筑物變形控制要求。

4.2 有限元數值分析

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，往往很難進行理論計算[6-7]，而有限元軟件可以模擬這種復雜情況下基坑開挖對周邊環境的影響。本文采用MIDAS二維有限元軟件分析本基坑南側中部位置滑移工況下對南側園區建筑物的影響。根據地勘報告及當地經驗，土層主要參數如表2所示。地基土均采用HS本構模型。

表2 各層土物理力學性質參數Table 2 Physical and mechanical properties of each soil layer

南側建筑物工程樁、框架柱采用梁單元模擬，土體、上部結構及基礎采用平面應變單元。計算模型尺寸為170 m寬，150 m高，兩側設水平向約束，底部設豎向約束。模型網格劃分如圖9所示。

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

經模擬計算，本工程基坑南側滑移工況造成南側塔樓和裙房新增變形結果如表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MIDAS二維有限元模型計算結果：本基坑南側滑移工況造成滑移位置對應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，通過數值模擬可得知地下室及樁基礎變形情況，常規基坑監測則不易獲取該部分數據。通過對數值計算結果整理分析，可判斷本基坑南側滑移對南側鄰近建筑物（塔樓、裙房地上和地下室結構）的影響較小。與實際監測數據對比，裙房沉降量比實測值大0.02 mm，塔樓沉降量比實測值大0.03 mm，相鄰柱基沉降差比實測值大0.02 mm，其余項無實測數據。分析結果的誤差絕對值均較小，因此有限元分析可作為一種有效預測手段。

另外根據現場實地觀測，南側建筑物及地下室未見明顯的新鮮結構性裂縫。建筑沉降、傾斜數據基本穩定，未超過監測報警值及相關規范要求指標，處于安全的狀態。說明事故發生后基坑南側鄰邊坑內土方及時回填反壓的措施對降低鄰近建筑物的影響是十分有效的。

5 結 論

針對軟土地區某基坑滑移事故，通過有限元分析、第三方監測、現場觀測等綜合手段，得出本次事故對南側鄰近建筑物變形的影響程度較低的結論。一方面是因為事故發生后，施工單位第一時間進行了大面積土方回填，從而有效控制住了基坑后續變形，降低了對南側建筑物的影響；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，5倍挖深范圍之外受到的影響可忽略。南側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。