超深基坑開挖對周圍建筑物沉降影響分析

　　摘要：城市建筑集中區(qū)的超深基坑開挖對周圍建筑物產(chǎn)生的不良影響越來越受到關注。既有的研究成果主要針對軟土地區(qū)，對中密砂卵石地區(qū)超深基坑臨近構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，從支護結構和建筑物基礎類型等2個方面5個因素深入探討超深基坑開挖對建筑物沉降影響。研究結果表明：不同結構形式的基礎、基礎埋深、樁徑、樁間距大小對鄰近建筑的影響程度較大，錨索長度對建筑物的影響程度相對較小。建議超深基坑工程在砂卵石地層設計和施工時，基坑圍護樁樁徑宜為1.2m，圍護樁間距不宜大于2D(D為樁徑)，在規(guī)范要求范圍內(nèi)合理選擇錨索長度即可。

　　關鍵詞：超深基坑;建筑物;沉降;FLAC3D;基礎;樁徑;錨索長度

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

　　二十世紀八十年代以來，人們借助于工程地質(zhì)的相關知識，吸取國內(nèi)外的成功經(jīng)驗，逐步形成了以支護樁、地下連續(xù)墻等為主流的單一或復合的支護形式。但是我國各區(qū)域地層巖性大不相同，地層巖土體微小差異即會造成其物理力學特性的天壤之別，深基坑開挖對周圍建筑物產(chǎn)生的不良影響因地而異。

　　近年來，學者利用理論分析[1]、現(xiàn)場實測[2]、數(shù)值計算[3]等方法研究了上海、南京、深圳、廣州等地深基坑開挖對周圍建筑物的影響。分析了建筑物高度和結構整體剛度對建筑物傾斜沉降的影響，同時討論了基坑支護結構的形式和設計條件對周圍環(huán)境的擾動規(guī)律。此外，還對與基坑邊成不同角度、與坑角成不同方位的建筑物進行了研究，得到了很多有用的結論[4，5]。

　　但是，既有的研究成果主要針對軟土地區(qū)，對中密砂卵石地區(qū)超深基坑臨近構筑物的研究鮮有所見。卵石土層為稍濕～飽和，粒徑由 小變大，結構由稍密到密實。通過細分，可分為松散卵石、稍密卵石、中密卵石、密實卵石四個亞層。工程特性具散粒性、強透水性、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)園項目超高層建筑的建筑高度為199.6m，裙樓高度32.5m，設5層地下室。擬建項目占地面積為6000m2。根據(jù)設計方案，該建筑擬采用樁筏基礎，預計基礎埋置深度為-26.9m，樁基礎以中風化為樁端持力層�；�坑施工1～2倍開挖深度范圍內(nèi)建筑居民樓，地下室結構幾乎布滿了建筑紅線包括的用地范圍。

　　1.2基坑支護方案

　　該工程基坑安全等級為一級，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對基坑的西側、北側采用雙排預應力錨索的錨拉樁來嚴格控制基坑及周邊建筑物變形;南側由于樁基礎的因素，只能施工一排預應力錨索;東側由于原有地下室影響錨索施工，因此采用懸臂樁支護。設計的錨拉支護樁樁徑1200mm，樁間距2.20m，有效樁長29.00m，嵌固深度7.00m，冠梁尺寸為1200mm×800mm，樁頂標高為±0.00m，在-6.0m和-9.0m處設置2道Ø150mm內(nèi)灌漿預應力錨索，錨索長度分別為18.0m、15.0m，錨固段分別為10.0m、8.0m，錨索錨固在支護樁身上，不設置腰梁。

　　2模擬方案及模型驗證

　　2.1模擬方案

　　從支護結構本身討論樁徑、樁間距、錨索長度等有關參數(shù)的變化對鄰近建筑物的影響規(guī)律，并從周圍建筑物不同基礎形式、不同基礎埋置深度的角度來進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建筑物基礎形式，獨立基礎、條形基礎、筏板基礎，埋深4m;②建筑物基礎埋深分別為2m和4m，基礎形式為條形基礎、獨立基礎;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錨索長度分別為16，18，20，22，24和26m。

　　2.2建立模型

　　基坑開挖對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算尺寸為220m×60m×90m，共劃分39500個單元，節(jié)點47850個。模型邊界條件為頂部自由，底面固定，側面位移約束。所分析的建筑物平行布置基坑側，建筑物長25m，寬10m，計算中結構采用彈性模型。

　　2.3模擬步驟

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

　　2.4布置監(jiān)測點

　　(1)為了研究不同基礎形式和基礎埋深等因素對鄰近建筑物的影響，現(xiàn)選取建筑物基礎角部和中部等6個監(jiān)測點作為研究對象。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)、錨索長度、錨索預加力、基坑開挖寬度和建筑物距基坑的遠近等因素對建筑物的影響，以條形基礎的建筑物作為研究對象。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模型正確性驗證

　　在現(xiàn)場選取第2排錨索埋設錨索計傳感器以監(jiān)測錨索內(nèi)力，根據(jù)實際的監(jiān)測來反演確定模型的計算參數(shù)和分析計算的準確性。

　　3支護結構對周圍建筑物影響

　　3.1樁徑的影響

　　樁徑對鄰近建筑物的影響較大，當樁徑為0.6m和0.8m時，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準，建筑物處于不安全狀態(tài)。當樁徑為1.0，1.2和1.4m時，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，建筑物處于安全狀態(tài)。綜合考慮安全和經(jīng)濟等因素，在砂卵石進行深基坑支護設計時，選取1.2m左右的支護樁是比較合適的。

　　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。由計算結果可知，當樁間距大于3.0m時，將使建筑物產(chǎn)生過大的沉降，導致建筑物發(fā)生破壞。因此在基坑設計時，對于周邊有建筑物的情況，當樁間距小于3m時，基坑和建筑物的安全均可以得到保證，但是同時需要滿足小于2倍樁徑的規(guī)范要求。

　　3.3錨索長度的影響

　　基坑臨近建筑物沉降變形量與樁間距成反比。當錨索長度為16，18，20，22和26m 時，建筑物變形分別為22.4，22.3，22.1，21.8和21.6mm。另外，進一步可知，當錨索長度從16m增加到26m時，最大沉降量僅減少0.9mm，由此可見，過長的錨索并不會增加基坑的安全性，亦不會減少建筑物的沉降變形。故，砂卵石深基坑采用錨索支護時錨索長度僅需滿足規(guī)范要求即可。

　　4建筑物基礎對周圍建筑物影響

　　4.1基礎形式的影響

　　采用不同結構形式的基礎，對建筑物的變形影響程度差異很大。由計算結果可知，當采用條形基礎時，建筑物最大沉降為22.7mm，差異沉降為33.8mm;當采用獨立基礎時最大沉降為11.8mm，差異沉降為8.5mm。當采用筏板基礎時，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致建筑物上部荷載小于上浮力，所以導致建筑物上浮。由以上分析可知，在砂卵石地區(qū)，采用筏板基礎對建筑物的影響最小，其次為獨立基礎，條形基礎對建筑物的影響最大。此外，計算結果分析可知，對采用不同基礎形式的建筑物縱向(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，基坑開挖對建筑物橫向的影響大于縱向。

　　4.2基礎埋深的影響

　　基礎埋深不同對建筑物的影響很大。對于獨立基礎，當基礎埋深為4m時，建筑物最大沉降為11.8mm，差異沉降為8.5mm;當基礎埋深為2m時，建筑物最大沉降為41.2mm，差異沉降為31mm。對于條形基礎，當基礎埋深為4m時，建筑物最大沉降為22.7mm，差異沉降為33.8mm;當基礎埋深為2m時，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準，將導致建筑物破壞。因此，由計算結果分析可知，為保證建筑物的安全，在滿足規(guī)范要求和經(jīng)濟的條件下，基礎應盡量加大埋深。

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　　5結論

　　(1)建筑物基礎形式對建筑物變形的影響程度差異很大。在砂卵石地區(qū)，采用筏板基礎對建筑物的影響最小，其次為獨立基礎，條形基礎對建筑物的影響最大。(2)基礎埋深不同對建筑物的影響很大。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)濟的條件下，基礎應盡量加大埋深。

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

　　參考文獻

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　　作者：歐自珍

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