基坑開挖對臨近建筑沉降的影響分析

周 淵 （江西理工大學(xué)土木與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

0 引言

隨著現(xiàn)代化進程的不斷推進，基坑有向規(guī)模更大、深度更深、周邊環(huán)境更復(fù)雜方向發(fā)展的趨勢，有學(xué)者將這一現(xiàn)象歸為“大、深、緊”[1]。現(xiàn)如今的基坑工程大多位于建筑物密集段，與周邊建筑物的距離日漸減小的同時尺寸規(guī)模卻在逐漸擴大，基坑周邊建筑物的安全問題不容小覷[2]。基坑開挖施工會對周圍土體造成擾動，破壞地層的完整性，處理不慎可能會引起地面沉降塌陷以及臨近建筑物的不均勻沉降，甚至傾斜破壞，對市民的正常生活造成不良影響，嚴重的情況下還會造成巨大的經(jīng)濟損失及人員傷亡。

為了更好地把握基坑開挖對臨近建筑沉降的影響，選取影響建筑沉降的因素，基于這些影響因素在基坑開挖過程中對建筑沉降值的相關(guān)程度，確定主要影響因素，對基坑開挖深度和臨近建筑的層數(shù)這兩個主要影響因素進行進一步分析，探究其對臨近建筑沉降的影響程度，研究成果將為其他實際工程提供參考，并且可以在基坑開挖工程開始前提前預(yù)判該工程的安全性，并為此做出合理的預(yù)防措施，對減少工程事故發(fā)生、確保基坑臨近建筑的安全具有重要的參考價值。

1 臨近建筑沉降影響因素灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色系統(tǒng)理論是在1982 年由鄧聚龍首創(chuàng)，一經(jīng)誕生，立即受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和廣大實際工作者的積極關(guān)注。鄧氏灰色關(guān)聯(lián)度理論是通過比較數(shù)據(jù)序列的曲線幾何形狀的接近程度來判斷其聯(lián)系緊密程度。通過對影響因素的數(shù)據(jù)分析，計算出各因素與目標值之間的關(guān)聯(lián)性，通過關(guān)聯(lián)性排序找出主要影響因素[3]。

對于不同土層的土體物理參數(shù)差異較大，造成基坑開挖的變形規(guī)律各不相同，故本文將2～3 倍基坑開挖深度范圍內(nèi)的土層進行加權(quán)[4]處理來體現(xiàn)差異。共選取了24 個基坑分析樣本，其中x0為臨近建筑的最大沉降量mm，7個影響因素分別為x1（臨近建筑與基坑的距離m）、x2（基坑開挖深度m）、x3（支護結(jié)構(gòu)插入比）、x4（土體重度γ）、x5（土體黏聚力c）、x6（土體內(nèi)摩擦角φ)、x7（臨近建筑的層數(shù)）。各項詳細數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 基坑開挖對臨近建筑沉降的各影響因素值

運用鄧氏灰色關(guān)聯(lián)度方法，計算7個影響因素與臨近建筑沉降的關(guān)聯(lián)度，各關(guān)聯(lián)度從大到小的排序如表2所示。

表2 各影響因素關(guān)聯(lián)系數(shù)排序

由表2 可知，在7 個因素中，基坑開挖深度、臨近建筑的層數(shù)、土體重度γ 和土體內(nèi)摩擦角φ是引起臨近建筑沉降的主要影響因素。

由于土體重度γ 和土體內(nèi)摩擦角φ為土體的物理力學(xué)屬性，很難通過人為進行改變，故以下通過對基坑開挖深度和臨近建筑的層數(shù)改變，來探討主要影響因素對建筑沉降的影響及規(guī)律。

2 有限元模擬

該基坑[5]開挖深度12～14m，實際開挖了8m，工程南側(cè)15m 外有六層居民樓小區(qū)。施工場地較狹窄，開挖施工、棄土堆放等對周圍環(huán)境及建筑物影響較大。

工程總體采用“土釘墻＋樁錨”支護結(jié)構(gòu)形式，具體情況如圖1 所示。基坑上部采用1：0.3 放坡開挖至2.2m，并設(shè)置了一排土釘墻支護，土釘成孔孔徑為130mm，俯角為15°，間距為1.5m。下部設(shè)有C30 混凝土900mm×600mm 的冠梁及樁長15.8m，直徑800mm 的護坡樁，樁間采用主筋為直徑15.2mm 的1860 級預(yù)應(yīng)力高壓旋噴錨索支護，預(yù)應(yīng)力為200kN。樁后為水泥攪拌帷幕樁，距護坡樁心距800mm。該工程屬于黃河沖積平原，根據(jù)鉆探揭露及室內(nèi)土工試驗，土體主要分為7 層，工程場區(qū)內(nèi)勘探揭示有埋深10m 類型為孔隙潛水的地下水，根據(jù)該地區(qū)區(qū)域資料，地下水年變幅為2～3m，在施工中采用“止水帷幕+井點降水+明溝”的排水措施，支護結(jié)構(gòu)采用“土釘墻+樁錨”。

圖1 南側(cè)基坑剖面圖

隨著施工的推進，在施工完第二排錨索時，建筑物前端地表已產(chǎn)生細微裂縫。裂縫灌漿后，在施工第三排錨索時位移發(fā)生較大變化，暫停施工，此時開挖深度為8m。

該工程基坑安全等級為二級，環(huán)境保護等級為二級。根據(jù)工程經(jīng)驗，基坑影響寬度范圍為基坑開挖寬度的3～5倍，影響深度為開挖深度的2～4 倍。為簡化計算，將模型取半建立，故將模型計算范圍取為65m×30m，土體參數(shù)采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型作為計算準則。該工程基坑圍護結(jié)構(gòu)采用止水帷幕插入基坑底部隔水層，在每層施工開挖前，地下水位已降至影響范圍以外，故模型模擬過程中無需再考慮地下水影響。

對于復(fù)雜多變的實際施工環(huán)境，無法完全模擬出所有的影響因素，因此需要進行一些必要的基本假設(shè)。

①假定土體為均質(zhì)的各向同性材料，地層和地面簡化為水平層狀分布。

②不考慮地下水在地下連續(xù)墻的滲流，且降水前，土體已經(jīng)完成自身固結(jié)沉降。

③忽略基坑分層開挖所需的時間，并簡化開挖過程為一次性整體挖除，不考慮施工過程對土體的擾動。

④模型僅考慮基坑開挖對居民樓小區(qū)沉降的影響，小區(qū)簡化為條形基礎(chǔ)，層數(shù)簡化為每層取均布荷載15kPa，共取90kPa。

具體數(shù)值模擬的物理力學(xué)參數(shù)如表3、表4所示。

表3 土層物理力學(xué)參數(shù)

表4 材料物理力學(xué)參數(shù)

最終基坑開挖深度為8m，故結(jié)合實際支護結(jié)構(gòu)形式，本文擬定的具體模擬步驟如下。

①工況一，開挖2.2m 至冠梁頂位置，施加土釘墻，繼續(xù)開挖0.8m 至錨索工作平面。

②工況二，施加第一道錨索，繼續(xù)開挖2.5m至第二道錨索工作平面。

③工況三，施加第二道錨索，開挖2.5m至基坑底部。

3 結(jié)果分析

圖2、圖3為基坑開挖前后土體的豎向位移云圖，可知，在基坑邊產(chǎn)生了較大的沉降，近基坑側(cè)建筑沉降值為2.3mm，實測沉降為5.2mm，產(chǎn)生誤差的原因可能有以下三個，第一，原文未給出支護參數(shù)數(shù)據(jù)，本文數(shù)據(jù)取自規(guī)范。第二，在基坑開挖寬度未知時模型取值為30m，該基坑第一次開挖時無任何支護保護，造成第一次開挖土體隆起過大。第三，未考慮棄土堆放的影響。

圖2 開挖前土體豎向位移云圖

圖3 開挖后土體豎向位移云圖

3.1 基坑開挖深度對沉降的影響

圖4為開挖深度分別為2.2m、3.0m、5.5m 和8.0m 時，建筑平面上各測點的沉降變化。由圖可知，開挖深度在3.0m 內(nèi)時，建筑沉降量及兩側(cè)沉降差較小，分別為2.3mm 和2.9mm，然而隨著基坑開挖深度的加深，沉降曲線越陡，傾斜程度越大，沉降差分別為13.9mm和35.8m，且遠基坑側(cè)出現(xiàn)輕微回彈，最大沉降值出現(xiàn)在遠基坑側(cè)附近。故對于3 倍開挖深度范圍內(nèi)的建筑已經(jīng)開始出現(xiàn)較大的沉降差了，需要重點進行監(jiān)測和保護。

圖4 不同開挖深度下建筑的沉降

3.2 臨近建筑層數(shù)對沉降的影響

通過提取基坑開挖8.0m 后，臨近建筑各測點的沉降值來分析層數(shù)的改變對臨近建筑沉降的影響，如圖5 所示。由圖可知，當建筑層數(shù)為3 層以內(nèi)時，建筑兩側(cè)的沉降差較小，分別為8.6mm、8.7mm 和9.4mm。當層數(shù)大于3 層時，隨著建筑周圍土體所受荷載的增大，土層遭到破壞，沉降差也越來越大，兩側(cè)沉降差分別為14.3mm、24.4mm 和35.0mm，沉降曲線均呈明顯的“勺型”，且遠基坑側(cè)沉降回彈更大，最大沉降值仍出現(xiàn)在遠基坑側(cè)附近。

圖5 不同層數(shù)下建筑的沉降

4 結(jié)論

在臨近建筑與基坑的距離、基坑開挖深度、支護結(jié)構(gòu)插入比、土體重度γ、土體黏聚力c、土體內(nèi)摩擦角φ和臨近建筑的層數(shù)這7 個影響因素中，基坑開挖深度、臨近建筑的層數(shù)、土體重度γ 和土體內(nèi)摩擦角φ是引起臨近建筑沉降的主要影響因素。

基坑開挖深度越深，臨近建筑沉降越大，沉降曲線越陡，最大沉降值出現(xiàn)在遠基坑側(cè)附近，且在3 倍開挖深度內(nèi)，基坑兩側(cè)已出現(xiàn)較大沉降差，遠基坑側(cè)沉降量出現(xiàn)輕微回彈。

臨近建筑層數(shù)越大，臨近建筑沉降也越大，最大沉降值仍出現(xiàn)在遠基坑側(cè)附近，且在3 層以上時遠基坑側(cè)沉降量出現(xiàn)大量回彈，沉降曲線呈明顯的“勺型”。

由于該工程為先開挖后支護，開挖初期土體隆起就較嚴重，因此最大沉降值均出現(xiàn)在遠基坑側(cè)，故對于此類工程在對臨近建筑監(jiān)測時不能僅監(jiān)測基坑兩側(cè)的沉降。