超深基坑開挖對(duì)周圍建筑物沉降影響分析

　　摘要：城市建筑集中區(qū)的超深基坑開挖對(duì)周圍建筑物產(chǎn)生的不良影響越來(lái)越受到關(guān)注。既有的研究成果主要針對(duì)軟土地區(qū)，對(duì)中密砂卵石地區(qū)超深基坑臨近構(gòu)筑物的研究成果較少。以南昌某建筑深基坑為例，采用有限差分軟件建立分析模型，從支護(hù)結(jié)構(gòu)和建筑物基礎(chǔ)類型等2個(gè)方面5個(gè)因素深入探討超深基坑開挖對(duì)建筑物沉降影響。研究結(jié)果表明：不同結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)、基礎(chǔ)埋深、樁徑、樁間距大小對(duì)鄰近建筑的影響程度較大，錨索長(zhǎng)度對(duì)建筑物的影響程度相對(duì)較小。建議超深基坑工程在砂卵石地層設(shè)計(jì)和施工時(shí)，基坑圍護(hù)樁樁徑宜為1.2m，圍護(hù)樁間距不宜大于2D(D為樁徑)，在規(guī)范要求范圍內(nèi)合理選擇錨索長(zhǎng)度即可。

　　關(guān)鍵詞：超深基坑;建筑物;沉降;FLAC3D;基礎(chǔ);樁徑;錨索長(zhǎng)度

　　目前，我國(guó)深基坑建設(shè)數(shù)量世界居首，城市可供開發(fā)的空地比率越來(lái)越低，使得超深基坑周圍建筑林立、地下隧道與管線縱橫交錯(cuò)，深基坑開挖、支護(hù)對(duì)周圍建筑物不良影響始終是基礎(chǔ)工程和地下工程中的一個(gè)綜合性巖土工程問題。

　　二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，人們借助于工程地質(zhì)的相關(guān)知識(shí)，吸取國(guó)內(nèi)外的成功經(jīng)驗(yàn)，逐步形成了以支護(hù)樁、地下連續(xù)墻等為主流的單一或復(fù)合的支護(hù)形式。但是我國(guó)各區(qū)域地層巖性大不相同，地層巖土體微小差異即會(huì)造成其物理力學(xué)特性的天壤之別，深基坑開挖對(duì)周圍建筑物產(chǎn)生的不良影響因地而異。

　　近年來(lái)，學(xué)者利用理論分析[1]、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[2]、數(shù)值計(jì)算[3]等方法研究了上海、南京、深圳、廣州等地深基坑開挖對(duì)周圍建筑物的影響。分析了建筑物高度和結(jié)構(gòu)整體剛度對(duì)建筑物傾斜沉降的影響，同時(shí)討論了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式和設(shè)計(jì)條件對(duì)周圍環(huán)境的擾動(dòng)規(guī)律。此外，還對(duì)與基坑邊成不同角度、與坑角成不同方位的建筑物進(jìn)行了研究，得到了很多有用的結(jié)論[4，5]。

　　但是，既有的研究成果主要針對(duì)軟土地區(qū)，對(duì)中密砂卵石地區(qū)超深基坑臨近構(gòu)筑物的研究鮮有所見。卵石土層為稍濕～飽和，粒徑由 小變大，結(jié)構(gòu)由稍密到密實(shí)。通過細(xì)分，可分為松散卵石、稍密卵石、中密卵石、密實(shí)卵石四個(gè)亞層。工程特性具散粒性、強(qiáng)透水性、高磨耗性等[6]，這一特殊地層中的深基坑開挖具較高的安全隱患。為研究砂卵石地層中超深基坑開挖對(duì)臨近建筑物的影響，本文以南昌某建筑深基坑為例，采用有限差分軟件建立分析模型，開展針對(duì)性研究。

　　1工程概況

　　1.1工程地質(zhì)特征

　　南昌臨空臨港工業(yè)園項(xiàng)目超高層建筑的建筑高度為199.6m，裙樓高度32.5m，設(shè)5層地下室。擬建項(xiàng)目占地面積為6000m2。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，該建筑擬采用樁筏基礎(chǔ)，預(yù)計(jì)基礎(chǔ)埋置深度為-26.9m，樁基礎(chǔ)以中風(fēng)化為樁端持力層。基坑施工1～2倍開挖深度范圍內(nèi)建筑居民樓，地下室結(jié)構(gòu)幾乎布滿了建筑紅線包括的用地范圍。

　　1.2基坑支護(hù)方案

　　該工程基坑安全等級(jí)為一級(jí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)基坑的西側(cè)、北側(cè)采用雙排預(yù)應(yīng)力錨索的錨拉樁來(lái)嚴(yán)格控制基坑及周邊建筑物變形;南側(cè)由于樁基礎(chǔ)的因素，只能施工一排預(yù)應(yīng)力錨索;東側(cè)由于原有地下室影響錨索施工，因此采用懸臂樁支護(hù)。設(shè)計(jì)的錨拉支護(hù)樁樁徑1200mm，樁間距2.20m，有效樁長(zhǎng)29.00m，嵌固深度7.00m，冠梁尺寸為1200mm×800mm，樁頂標(biāo)高為±0.00m，在-6.0m和-9.0m處設(shè)置2道Ø150mm內(nèi)灌漿預(yù)應(yīng)力錨索，錨索長(zhǎng)度分別為18.0m、15.0m，錨固段分別為10.0m、8.0m，錨索錨固在支護(hù)樁身上，不設(shè)置腰梁。

　　2模擬方案及模型驗(yàn)證

　　2.1模擬方案

　　從支護(hù)結(jié)構(gòu)本身討論樁徑、樁間距、錨索長(zhǎng)度等有關(guān)參數(shù)的變化對(duì)鄰近建筑物的影響規(guī)律，并從周圍建筑物不同基礎(chǔ)形式、不同基礎(chǔ)埋置深度的角度來(lái)進(jìn)一步探討建筑物本身特征受深基坑開挖影響的程度。具體方案如下：①建筑物基礎(chǔ)形式，獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)，埋深4m;②建筑物基礎(chǔ)埋深分別為2m和4m，基礎(chǔ)形式為條形基礎(chǔ)、獨(dú)立基礎(chǔ);③樁徑分別為0.6，0.8，1.0，1.2和1.4m;④樁間距分別為2.2，2.5，3.0，3.5和4.0m;⑤錨索長(zhǎng)度分別為16，18，20，22，24和26m。

　　2.2建立模型

　　基坑開挖對(duì)周圍土層的影響范圍一般為3～5倍開挖深度，因此，所建立的模型最大的計(jì)算尺寸為220m×60m×90m，共劃分39500個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)47850個(gè)。模型邊界條件為頂部自由，底面固定，側(cè)面位移約束。所分析的建筑物平行布置基坑側(cè)，建筑物長(zhǎng)25m，寬10m，計(jì)算中結(jié)構(gòu)采用彈性模型。

　　2.3模擬步驟

　　數(shù)值模擬工況應(yīng)與實(shí)際施工步驟一致，具體過程如下：①建立基坑與鄰近建筑物基礎(chǔ)的三維模型，進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，保留應(yīng)力場(chǎng)，位移清零;②基坑開挖至4.5m，施加第1道錨索(4m)和預(yù)應(yīng)力，進(jìn)行平衡計(jì)算;③開挖至7.5m，施加第2道錨索(7m)和預(yù)應(yīng)力，進(jìn)行平衡計(jì)算;④開挖至10.5m，施加第3道錨索(10m)和預(yù)應(yīng)力，進(jìn)行平衡計(jì)算;⑤開挖至13.5m，施加第4道錨索(13m)和預(yù)應(yīng)力，進(jìn)行平衡計(jì)算;⑥開挖至16.5m，施加第5道錨索(16m)和預(yù)應(yīng)力，進(jìn)行平衡計(jì)算;⑦開挖至19.5m，施加第6道錨索(19m)和預(yù)應(yīng)力，進(jìn)行平衡計(jì)算;⑧開挖至22.5m，施加第7道錨索(22m)和預(yù)應(yīng)力，進(jìn)行平衡計(jì)算;⑨開挖至坑底26.9m，進(jìn)行平衡計(jì)算。

　　2.4布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)

　　(1)為了研究不同基礎(chǔ)形式和基礎(chǔ)埋深等因素對(duì)鄰近建筑物的影響，現(xiàn)選取建筑物基礎(chǔ)角部和中部等6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為研究對(duì)象。因篇幅所限，本文只分析建筑物中線即CD剖面處的沉降變形情況。(2)為研究不同樁徑、樁間距、錨索排數(shù)、錨索長(zhǎng)度、錨索預(yù)加力、基坑開挖寬度和建筑物距基坑的遠(yuǎn)近等因素對(duì)建筑物的影響，以條形基礎(chǔ)的建筑物作為研究對(duì)象。因篇幅所限，本文只分析建筑物中線即CD、EF剖面處的沉降變形情況。

　　2.5模型正確性驗(yàn)證

　　在現(xiàn)場(chǎng)選取第2排錨索埋設(shè)錨索計(jì)傳感器以監(jiān)測(cè)錨索內(nèi)力，根據(jù)實(shí)際的監(jiān)測(cè)來(lái)反演確定模型的計(jì)算參數(shù)和分析計(jì)算的準(zhǔn)確性。

　　3支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)周圍建筑物影響

　　3.1樁徑的影響

　　樁徑對(duì)鄰近建筑物的影響較大，當(dāng)樁徑為0.6m和0.8m時(shí)，建筑物最大沉降量分別為91mm和50mm，最大差異沉降分別為91.2mm和58mm，傾斜值都大于0.004，大于建筑物的控制標(biāo)準(zhǔn)，建筑物處于不安全狀態(tài)。當(dāng)樁徑為1.0，1.2和1.4m時(shí)，建筑物最大沉降量分別為25.2，22.7和21.6mm，差異沉降分別為36.4，33.8和31.8mm，其傾斜值均小于0.004，此時(shí)，建筑物處于安全狀態(tài)。綜合考慮安全和經(jīng)濟(jì)等因素，在砂卵石進(jìn)行深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，選取1.2m左右的支護(hù)樁是比較合適的。

　　3.2樁間距的影響

　　基坑臨近建筑物沉降變形量與樁間距成正比。樁間距從2.2m增大到4.0m，建筑物最大沉降量分別為22.7，23.2，24.8，30.4和47.6mm，最大差異沉降為33.8，34.0，36.0，42.0和55.0mm。由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)樁間距大于3.0m時(shí)，將使建筑物產(chǎn)生過大的沉降，導(dǎo)致建筑物發(fā)生破壞。因此在基坑設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于周邊有建筑物的情況，當(dāng)樁間距小于3m時(shí)，基坑和建筑物的安全均可以得到保證，但是同時(shí)需要滿足小于2倍樁徑的規(guī)范要求。

　　3.3錨索長(zhǎng)度的影響

　　基坑臨近建筑物沉降變形量與樁間距成反比。當(dāng)錨索長(zhǎng)度為16，18，20，22和26m 時(shí)，建筑物變形分別為22.4，22.3，22.1，21.8和21.6mm。另外，進(jìn)一步可知，當(dāng)錨索長(zhǎng)度從16m增加到26m時(shí)，最大沉降量?jī)H減少0.9mm，由此可見，過長(zhǎng)的錨索并不會(huì)增加基坑的安全性，亦不會(huì)減少建筑物的沉降變形。故，砂卵石深基坑采用錨索支護(hù)時(shí)錨索長(zhǎng)度僅需滿足規(guī)范要求即可。

　　4建筑物基礎(chǔ)對(duì)周圍建筑物影響

　　4.1基礎(chǔ)形式的影響

　　采用不同結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)，對(duì)建筑物的變形影響程度差異很大。由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)采用條形基礎(chǔ)時(shí)，建筑物最大沉降為22.7mm，差異沉降為33.8mm;當(dāng)采用獨(dú)立基礎(chǔ)時(shí)最大沉降為11.8mm，差異沉降為8.5mm。當(dāng)采用筏板基礎(chǔ)時(shí)，建筑物有一定的上浮，上浮最大值為3mm，這是由于基坑開挖卸荷導(dǎo)致建筑物上部荷載小于上浮力，所以導(dǎo)致建筑物上浮。由以上分析可知，在砂卵石地區(qū)，采用筏板基礎(chǔ)對(duì)建筑物的影響最小，其次為獨(dú)立基礎(chǔ)，條形基礎(chǔ)對(duì)建筑物的影響最大。此外，計(jì)算結(jié)果分析可知，對(duì)采用不同基礎(chǔ)形式的建筑物縱向(沿基坑開挖面方向)的沉降量均小于建筑物橫向沉降量。由此可見，基坑開挖對(duì)建筑物橫向的影響大于縱向。

　　4.2基礎(chǔ)埋深的影響

　　基礎(chǔ)埋深不同對(duì)建筑物的影響很大。對(duì)于獨(dú)立基礎(chǔ)，當(dāng)基礎(chǔ)埋深為4m時(shí)，建筑物最大沉降為11.8mm，差異沉降為8.5mm;當(dāng)基礎(chǔ)埋深為2m時(shí)，建筑物最大沉降為41.2mm，差異沉降為31mm。對(duì)于條形基礎(chǔ)，當(dāng)基礎(chǔ)埋深為4m時(shí)，建筑物最大沉降為22.7mm，差異沉降為33.8mm;當(dāng)基礎(chǔ)埋深為2m時(shí)，建筑物最大沉降為47.4mm，差異沉降為65.6mm，傾斜值大于建筑物的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，將導(dǎo)致建筑物破壞。因此，由計(jì)算結(jié)果分析可知，為保證建筑物的安全，在滿足規(guī)范要求和經(jīng)濟(jì)的條件下，基礎(chǔ)應(yīng)盡量加大埋深。

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　　5結(jié)論

　　(1)建筑物基礎(chǔ)形式對(duì)建筑物變形的影響程度差異很大。在砂卵石地區(qū)，采用筏板基礎(chǔ)對(duì)建筑物的影響最小，其次為獨(dú)立基礎(chǔ)，條形基礎(chǔ)對(duì)建筑物的影響最大。(2)基礎(chǔ)埋深不同對(duì)建筑物的影響很大。埋深越大，沉降越小，為保證建筑物的安全，在滿足規(guī)范要求和經(jīng)濟(jì)的條件下，基礎(chǔ)應(yīng)盡量加大埋深。

　　(3)樁徑越小、樁間距越大時(shí)，鄰近建筑物差異沉降也越大。砂卵石地層基坑設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于周邊有建筑物的情況，當(dāng)樁間距小于3m時(shí)，基坑和建筑物的安全均可以得到保證，但是同時(shí)需要滿足小于2倍樁徑的規(guī)范要求。(4)過長(zhǎng)的錨索并不會(huì)增加基坑的安全性，亦不會(huì)減少建筑物的沉降變形。故，砂卵石深基坑采用錨索支護(hù)時(shí)錨索長(zhǎng)度僅需滿足規(guī)范要求即可。

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　　作者：歐自珍

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