考慮外部荷載及緊鄰建筑物影響的深基坑變形研究

賈志勇 （山西誠正建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司，山西 陽泉 045000）

城市化進程的快速推進使得城區(qū)的單位土地資源承載了更多的人口和財富，各種基礎(chǔ)設(shè)施密集修建使得新建工程不可避免地對其產(chǎn)生影響[1]。在城市地下空間擴展以提高城區(qū)土地資源利用率的同時，也面鄰著基坑開挖影響緊鄰環(huán)境的挑戰(zhàn)[2-3]。這種挑戰(zhàn)不僅僅需要保證基坑自身結(jié)構(gòu)的受力安全和持續(xù)穩(wěn)定，而且還需要保證基坑開挖或降水引起的土體擾動和周邊建筑物的變形應控制在限制范圍內(nèi)，深基坑工程的施工理念也從內(nèi)力控制進入了變形控制的階段[3]。

由于深基坑工程開挖過程中面鄰最多的問題是緊鄰既有高層建筑物，以及施工組織時對基坑開挖土體的堆放安排[4-6]，因此，結(jié)合實際工程案例，研究分析基坑動態(tài)開挖過程中對復雜周邊環(huán)境的變形影響，運用現(xiàn)場監(jiān)測手段分析存在堆載和不存在堆載時基坑的變化規(guī)律以及周邊建筑物的沉降特征，研究成果可為復雜周邊環(huán)境下基坑的變形控制和施工組織計劃提供參考。

1 工程概況

某安置房小區(qū)總用地面積為104633.76m2，其中市政設(shè)施用地為5239.59m2，建筑用地為99340.17m2，建筑限高為100m，總建筑面積為328181.88m2，計容建筑面積為248350.43m2。項目共分為2 期，其中一期建設(shè)用地為51119.66m2，總建筑面積為194456.76m2，計容建筑面積為150296.12m2，地下建筑面積為39482.78m2。地下停車場采用基坑工程施工，開挖深度為8.8m，基坑平面大致呈長方形，長度約300m，寬度約170m，如圖1所示，基坑北側(cè)為既有城市快速路，道路寬度為30m，西側(cè)為規(guī)劃道路，道路規(guī)劃寬度為12m，南側(cè)為二期項目，現(xiàn)狀為基坑土體堆載區(qū)，東側(cè)為既有高層居民住宅樓，共32層，既有建筑距離基坑邊線最小距離為8.2m。

場區(qū)現(xiàn)狀為拆遷地，大部分已堆填整平，局部地段地勢稍有起伏，基坑影響范圍內(nèi)土層主要以淤泥、粉質(zhì)黏土、細砂、中砂、卵石為主，基巖以全強風化花崗巖為主，場區(qū)各層土的工程地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 建筑基坑地基土工程地質(zhì)參數(shù)

2 基坑支護方式及施工方案分析

結(jié)合基坑工程的周邊環(huán)境和地質(zhì)條件，研究確定基坑采用鋼筋混凝土灌注樁（單排）+預應力錨桿的支護形式，圓形鋼筋混凝土灌注樁的直徑為600mm，樁間距為800mm，樁長度為10.6m，樁內(nèi)均勻布設(shè)主鋼筋10根，鋼筋直徑為22mm，鋼筋等級為HRB400，鋼筋混凝土樁頂設(shè)置冠梁，冠梁高度為1000mm，寬度為800mm，在冠梁頂部以上0.5m，采用1:1 放坡掛鋼絲網(wǎng)支護，鋼絲網(wǎng)采用直徑16mm的鋼筋釘固定，并在鋼筋網(wǎng)表面噴射35mm 的水泥砂漿，水泥砂漿比例為1:3。在東側(cè)鄰近建筑物基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)置3道預應力錨桿，設(shè)置位置分別為地表以下3m（錨桿長度15m）、5.5m（錨桿長度為12m）和7.5m（錨桿長度11m），基坑北側(cè)、西側(cè)和南側(cè)（堆土側(cè)）基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)置2道預應力錨桿，設(shè)置位置分別為地表以下3m（錨桿長度18m）、5.5m（錨桿長度14m），所有錨桿的入射角均為15°，錨桿的彈性模量為20GPa，泊松比為0.3，如圖2所示。

圖2 不同基坑支護段支護體系方案/m

結(jié)合基坑內(nèi)的支護體系，基坑采用分層開挖的方式進行施工[7]。以東側(cè)鄰近建筑物處基坑開挖為例，第一步放坡開挖，挖至冠梁底部（地表下2.5m），施作冠梁的模板并澆筑混凝土；第二步開挖，挖至第1 道預應力錨桿設(shè)計位置以下0.5m（地表以下3.5m），施作預應力錨桿，并施加預應力；第三步開挖，挖至第2道預應力錨桿設(shè)計位置以下0.5m（地表以下5.5m），施作預應力錨桿，并施加預應力；第四步開挖，挖至第3道預應力錨桿設(shè)計位置以下0.5m（地表以下8.0m），施作預應力錨桿，并施加預應力；第五步開挖，挖至基坑底部（地表以下8.8m），施作基坑封閉墊層，并施作底板。在基坑北側(cè)、西側(cè)和南側(cè)（堆土側(cè)）的開挖過程類似，在施作預應力錨桿時均應預留0.5m 的施作空間，具體開挖過程不再贅述。

3 深基坑變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為了研究基坑外部堆載和緊鄰建筑物與基坑開挖耦合過程造成的基坑變形規(guī)律，在基坑后邊布置了12個沉降觀測點，如圖1 所示。其中，監(jiān)測點JC01、JC02布置在距離基坑邊線2m 處，每個監(jiān)測點僅1 個位移沉降傳感器；監(jiān)測點JC03、JC05布置在鄰近既有建筑物的中部，監(jiān)測點JC04 布置在基坑中部，距離基坑邊線為2m，每個監(jiān)測點僅1個位移沉降傳感器；監(jiān)測點JC06～JC12 中每個監(jiān)測點出均布置了一列監(jiān)測傳感器，傳感器距離基坑邊線的距離為1m、2m、3m、4m、5m、8m、12m[8-9]。

圖3 為不同監(jiān)測點緊鄰既有高層建筑物最終沉降與基坑開挖深度的關(guān)系曲線。從圖3中可以看出，在基坑開挖第一步和第二步開挖時，由于基坑開挖深度較小，鄰近建筑物的沉降變形較小，而在第三部開挖時，基坑的開挖深度達到設(shè)計深度的一半左右，鄰近建筑沉降變形陡增，并在隨后的開挖過程中，鄰近建筑的沉降仍保持增加的趨勢，監(jiān)測點JC03 處的建筑物最終沉降為23mm，而監(jiān)測點JC05 處的建筑物最終沉降為26mm。整體而言，鄰近建筑物的沉降與開挖深度具有良好的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系，擬合兩個參數(shù)的關(guān)系如圖3中曲線所示，擬合決定系數(shù)R2=0.9278，擬合關(guān)系如公式（1）所示。

圖3 緊鄰既有高層建筑物最終沉降與基坑開挖深度的關(guān)系曲線

式中s1為鄰近既有建筑物的沉降值，cm；h為基坑的開挖深度，m。

圖4 為不同監(jiān)測點位置處緊鄰既有高層建筑物的沉降與基坑開挖過程的關(guān)系曲線；圖5為不同監(jiān)測點位置處緊鄰既有高層建筑物的沉降增速與基坑開挖過程的關(guān)系曲線。從圖4 中可以看出，監(jiān)測點JC03 和JC05的建筑物沉降曲線隨開挖時間的變化關(guān)系相近，均呈現(xiàn)“捏攏S”形；基坑開挖50d內(nèi)，建筑物的沉降值較小，從圖5 中可以看出，其增速也較小；在基坑開挖50d～100d內(nèi)，建筑物的沉降值開始不斷增加，其沉降量仍較小，但其增速最大，如圖5所示；在基坑開挖100d～300d內(nèi)，建筑物的沉降值已進入“S”形的爬坡段，其沉降量較大，但相對于前一階段，其沉降增速有所放緩，并開始進入收斂階段；在基坑開挖300d后，建筑物沉降已進入收斂，位移達到收斂值，位移增速基本為零。

圖5 緊鄰既有高層建筑物最終沉降增速隨時間的變化

圖6 為基坑監(jiān)測點JC12 和JC02 處的對比，在基坑開挖至5m深度前，JC02點處的鄰時堆土區(qū)土體堆放高度為1.5m，而在開挖至5m時，J02點出的鄰時堆土高度增加至3.2m，在開挖至7m后，清運了一部分土體，堆土高度減小至2m。從圖中可以看出，在任意開挖深度處，存在堆土的基坑外土體地表沉降均比不存在堆土的地表沉降大，且在堆土增加時，基坑地表沉降顯著增加，而在清除部分渣土后，基坑地表沉降放緩。由此表明，基坑周邊鄰時荷載對深基坑的變形影響顯著，在基坑施工過程中，應合理控制基坑周邊的鄰時荷載和施工荷載，減小機械設(shè)備對基坑支護結(jié)構(gòu)的影響，以減小基坑的變形。

圖6 存在與不存在堆土荷載的地表沉降與基坑開挖深度的關(guān)系曲線

4 結(jié)語

（1）基坑支護結(jié)構(gòu)體系為“鋼筋混凝土灌注樁+預應力錨桿”，樁直徑600mm，樁間距800mm，樁長為10.6m，在緊鄰建筑物的基坑邊線設(shè)置3道預應力錨桿，在鄰時堆土區(qū)和其他基坑邊線設(shè)置2道預應力錨桿。

（2）鄰近建筑物的沉降與開挖深度具有良好的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系，擬合兩個參數(shù)的擬合決定系數(shù)為0.9278，建筑物沉降曲線隨開挖時間的變化呈現(xiàn)“捏攏S”形，并分為4個明顯的增速階段。

（3）在任意開挖深度處，存在堆土的基坑外土體地表沉降均比不存在堆土的地表沉降大，且在堆土增加時，基坑的地表沉降呈現(xiàn)顯著的增加，而在清除部分渣土后，基坑地表沉降放緩，在基坑實際施工過程中，應合理控制基坑周邊的鄰時荷載和施工荷載，以減小基坑的變形。