基坑施工對周邊既有砌體結構房屋影響的實測分析研究

方 林 張 波 韋欣欣 金國芳

(同濟大學結構工程與防災研究所，上海200092)

隨著城市密集區高層、超高層建筑的大量建造，對基坑工程的要求越來越高?；娱_挖引起的地表變形的大小與基坑形狀、地層條件、支護方式、設計和施工技術水平等因素有關。國內外文獻資料表明，對影響圍護結構與地表變形的相關因素進行了較多的研究[1-4]，但對周邊既有建筑在基坑開挖下的反應少有研究[5-6]。

軟土地區由于土體的流變性，基坑周邊既有建筑沉降具有明顯的時間效應，砌體結構房屋對沉降較敏感，考慮時間效應后基坑施工對周邊既有砌體結構房屋的實測分析研究也很少。

本文結合上海某基坑工程周邊2幢(2號樓、3號樓)既有砌體結構房屋，根據實測沉降數據資料，分析研究了考慮時間效應后基坑施工對周邊既有砌體結構房屋的影響，以期為建筑密集區的深基坑設計和施工提供參考。

1 工程概況

1.1 概況

上海某一住宅小區(1幢2層商鋪，4幢高層住宅)，設有一層地下車庫。基坑開挖深度5.6 m，為利用時空效應，基坑分三個區域先后施工。基坑周邊受影響的14幢既有建筑為2～7層不同的鋼筋混凝土結構廠房和磚砌體結構住宅?；?一區至三區)與周邊既有建筑的平面位置示意圖見圖1。

圖1 基坑(一區～三區)平面及周邊既有建筑沉降測點布置圖Fig.1 Plan view of the site and layout of observafion points

為確保基坑施工期間周邊既有建筑的結構安全和正常使用，對這些既有建筑進行房屋損壞趨勢檢測。

2號樓、3號樓位于基坑西側，均為6層磚砌體結構(預制板)住宅，建于1987年，各層層高均為2.8 m，房屋平面呈矩形，長約56.34 m，寬約9.54 m，距基坑邊緣的最近距離分別約為7.7 m、6.3 m。

1.2 工程地質條件

本工程場地內的淺層土層為較典型的沿海軟土地層，自上而下的土層依次為11填土、22粉質黏土、33淤泥質粉質黏土、44淤泥質黏土、551黏土、553灰色粉質黏土。各土層的物理力學性質見表1。

表1土層物理力學性質

Table1Physicalmechanicalpropertiesofsoilclays

層號h/mγ/(kN·m-3)c/kPaφ(°)Es/MPaPs/MPa112.06—————220.7618.71918.54.290.8133-3.8817.41315.52.680.4644-12.7616.81110.52.130.54551-17.4517.71615.53.170.80553-37.5718.12019.04.061.57

注：h為層底標高(m)；γ為重度(kN/m3)；c為黏聚力(kPa)，固結快剪；φ為內摩擦角(°)，固結快剪；Es為壓縮模量(MPa)；Ps為比貫入阻力(MPa)。表中數值均為平均值。

1.3 基坑支護體系

一區的圍護結構采用三頭φ850SMW工法樁，樁間距為600 mm，樁內插入H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼。型鋼插入深度根據周邊的管線和周邊既有建筑保護的需要區別對待，插入比在1.14～2.14，插入深度在12～17.6 m不等。

施工期間設置棧橋，采用鋼筋混凝土支撐體系。支撐設計成為桁架形式，主桁架截面為1 000 mm×800 mm，腹桿和斜撐截面為800 mm×600 mm。

2 現場檢測與基坑施工工況

2.1 現場檢測

對基坑周邊的既有建筑進行房屋損壞趨勢檢測(初始檢測、損壞趨勢的監測和復測)，即對既有建筑可能產生的變形、位移、開裂受損情況進行檢測和監測，既有建筑的沉降測點布置見圖1。

2.2 基坑施工工況

為利用時空效應以減少圍護結構和周圍土體變形，基坑分三個區域先后進行開挖，各區地下室頂板施工完成后再開挖下一區域。每一區域又分塊開挖分塊澆筑底板，減少圍護結構和坑底的暴露時間，控制坑底的回彈及整個基坑的變形。具體的施工程序及施工所用的時間如表2所示。

3 對周邊既有建筑影響的實測分析

3.1 既有建筑的歷時沉降

2幢房屋距離二區、三區基坑很遠，不考慮基坑施工對各測點沉降的影響。

表2施工工況

Table2Constructionprocedures

工況歷時/d具體施工內容Stage145一區基坑打圍護樁Stage217一區支撐施工Stage320一區基坑降水Stage446一區基坑分塊開挖分塊澆筑底板Stage549一區支撐拆除,施工至地下室頂板Stage681二區基坑打圍護樁,支撐施工Stage76二區基坑降水Stage830二區基坑分塊開挖分塊澆筑底板Stage935二區支撐拆除,施工至地下室頂板Stage10108二區與三區基坑施工間隔加上三區圍護樁、支撐、降水施工歷時Stage1117三區基坑分塊開挖分塊澆筑底板Stage1219三區支撐拆除,施工至地下室頂板

注：基坑工程開始時間為2009年1月5日。

圖2(a)為2號樓各沉降測點在整個施工過程中的歷時沉降。在Stage1和Stage2期間，最大沉降量為TJ51測點的4 mm，可見圍護樁和工程樁施工對周邊既有建筑影響很小。Stage2結束時，各測點未見明顯沉降。Stage3時靠近基坑TJ46、TJ47測點發生了明顯的沉降，距離基坑較遠的TJ48測點沉降較小。Stage4時首先開挖一區基坑的西南角，TJ46、TJ47測點可能因為坑內挖土卸載產生的回彈而沉降剛開始未繼續發展，隨后加速沉降；TJ48測點沉降剛開始有所回彈，隨后繼續沉降。而距離基坑最遠的TJ50、TJ51測點在降水、開挖期間可能是因為房屋上部結構整體剛度對地表沉降有調節作用，起初沉降還略有回彈上升[7]。Stage4結束時，TJ48、TJ49、TJ50、TJ51測點總沉降均接近0。Stage5-Stage9時TJ46、TJ47、TJ48、TJ49測點沉降繼續發展，但一區基坑開挖已經完成，可見由軟土的流變性引起的周邊既有建筑沉降具有明顯的時間效應。Stage10-Stage12時TJ46、TJ47、TJ48、TJ49測點沉降增長放緩，趨于穩定。TJ50、TJ51測點在Stage5-Stage12時因軟土的流變性發生了沉降，但總體沉降速率很小。Stage12結束時，最大沉降量為TJ46測點的45 mm。

圖2(b)為3號樓各沉降測點在整個施工過程中的歷時沉降?？傮w沉降規律與2號樓相似，Stage4結束時，TJ40、TJ41測點發生了明顯沉降，TJ43、TJ44、TJ45測點總沉降接近0；Stage12結束時，沉降趨于穩定，最大沉降量為TJ41測點的52 mm。

圖2 既有建筑各測點的歷時沉降Fig.2 Settlement history of observation points

圖3 各測點在不同施工階段沉降占總沉降的百分比Fig.3 Percentage of observation points at different construction stage

圖3為距基坑圍護墻(1.0～2.0)H范圍內基坑西側沉降測點在各施工階段的沉降占總沉降的百分比。各測點在Stage1-Stage3施工階段的沉降占總沉降的20.00%～34.48%，由圖2可知Stage1和Stage2對周邊既有建筑沉降影響很小，表明降水對沉降影響較大，雖然監測數據表明基坑外水位在降水、開挖過程中相對比較平穩。一區基坑采用SMW工法樁與鋼筋混凝土支撐體系，并分塊開挖分塊澆筑底板，Stage4基坑開挖階段進一步發生的沉降僅占總沉降9.62%～20.69%。Stage5-Stage12施工階段由時間效應引起的沉降占總沉降的44.83%～64.00%，可見一區基坑開挖完成后由時間效應引起的沉降達到開挖完成時沉降量的1倍左右。

基坑工程施工對周邊環境的影響通常認為主要在土方開挖至底板澆筑完成期間內產生，但軟土的流變性在底板澆筑完成至沉降趨于穩定期間內引起的滯后變形占總變形的大部分，為此底板澆筑完成后由時間效應引起的沉降變形對周邊既有建筑的影響應引起足夠的重視。

3.2 既有建筑沉降的三維分布

為進一步分析既有建筑的沉降形態，圖4(a)、圖4(b)分別給出了2號樓在Stage4和Stage12時的三維沉降分布情況，其中沉降測點以外的點的沉降采用插值法計算得到。

從三維沉降分布來看，2號樓的沉降并不均勻。東西方向，緊鄰基坑的東側墻體沉降最大，隨著離開基坑距離的增大沉降減小；南北方向，南側墻體由于靠近基坑的中部沉降比北側墻體較大。這表明，基坑的三維變形效應不僅對圍護墻的變形產生影響，還會對周邊既有建筑的變形產生影響[8-9]。2號樓有向東南傾斜的趨勢，并且隨著時間效應的發展該趨勢越來越明顯。

圖4 2號樓三維沉降分布Fig.4 3D settlement distribution of No.2 building

圖5(a)、圖5(b)分別為3號樓在Stage4和Stage12時的三維沉降分布情況。東西方向，三維沉降分布規律與2號樓的相同；南北方向，北側墻體由于靠近基坑的中部沉降比南側墻體較大?；拥娜S變形效應對周邊既有建筑的變形產生影響，3號樓有向東北傾斜的趨勢，并且隨著時間效應的發展該趨勢越來越明顯。

圖5 3號樓三維沉降分布Fig.5 3D settlement distribution of No.3 building

基坑開挖引起的周邊既有建筑沉降形態不僅與既有建筑相對于基坑的位置有關，且與其本身的基礎和結構形式緊密相關[8]。對于既有砌體結構房屋，整體剛度相對偏柔性，沉降變形曲線與基坑開挖引起的地表沉降曲線可以假定近似相同[10-11]。2號樓、3號樓建筑結構布置基本相同，由上述分析可知，既有建筑沉降形態主要受基坑的三維變形效應和軟土的流變性引起的時間效應影響。

3.3 上拱變形

基坑開挖引起的既有建筑沉降變形可以分為上拱和凹陷兩種類型[12]，如圖6所示。圖中給出了上拱和凹陷相對變形的定義，相對變形可以用來衡量基坑開挖引起的既有建筑變形程度。

為進一步分析既有建筑上拱與凹陷變形情況，圖7(a)給出了東西方向經過2號樓北側墻體TJ47、TJ48、TJ49、TJ50測點的沉降剖面在Stage3、Stage4和Stage12時的沉降情況。Stage4之前，在距圍護墻約4.0H范圍內的墻體表現為上拱變形，此范圍之外變形不明顯；Stage12時沉降已經影響到整個建筑物范圍，整個沉降剖面均表現為上拱變形，上拱相對變形為1/6 990。

圖6 上拱和凹陷變形示意圖Fig.6 Sketch of hogging and sagging modes of deformation

圖7(b)給出了東西方向經過3號樓北側墻體TJ41、TJ42、TJ43、TJ44測點的沉降剖面在Stage3、Stage4和Stage12時的沉降情況。對比圖7(a)和圖7(b)，3號樓墻體的沉降變形情況與2號樓的相一致，Stage12時整個沉降剖面均表現為上拱變形，上拱相對變形為1/6 559。

圖7 既有建筑沉降剖面Fig.7 Settlement profiles of two buildings

對比圖4、圖5和圖7，可以看出2號樓、3號樓由于基坑三維變形效應的影響，越靠近基坑中部上拱相對變形越大，最大上拱相對變形為1/6 559。Polshin和Tokar[13]指出，對于長寬比不大于3的磚砌體承重墻，當相對變形在1/3 300～1/2 500之間時，墻體開始產生裂縫。由此可見，2幢房屋東西方向上墻體將不會產生裂縫。

南北方向上2幢房屋布置的沉降測點偏少，未能得到墻體的沉降變形類型，為此圖8(a)、圖8(b)分別給出了經過TJ35、TJ40、TJ41、TJ46、TJ47、TJ55測點和TJ36、TJ42、TJ48、TJ54測點的地表沉降剖面在Stage3、Stage4和Stage12時的沉降情況。整個沉降剖面表現為凹陷變形，且隨著時間效應的發展凹陷變形越明顯，隨著距基坑圍護墻的距離越大凹陷變形越弱。

圖8 地表沉降剖面Fig.8 Settlement profile of ground surface

3.4 既有建筑開裂受損及傾斜情況檢測調查

2號樓、3號樓在各階段的檢測結果如下:

(1) 施工前：房屋已有下述開裂受損情況，預制板板縫被拉開，局部墻面滲水，粉刷層起殼剝落，門窗角墻面有水平、斜向裂縫，墻面有方向不一的裂縫等。未發現房屋有因不均勻沉降引起的開裂受損現象。

(2) 施工過程中：受基坑施工的影響，房屋原有的部分開裂加劇，并產生了一些新的裂縫。

(3) 施工后：房屋出現一些新的開裂受損情況，如房屋周邊地坪局部開裂，部分門、窗框與墻體拉開等。施工引起的原有開裂受損加劇和產生新的開裂受損主要分布在房屋東端1/3房屋長度范圍內。檢測結果表明，2號樓、3號樓均基本完好。

施工前、后房屋傾斜測量結果如圖9、圖10所示，圖中數值均表示相對傾斜值。從圖9(a)可看到，在施工前2號樓已整體向西和向北傾斜。圖7(a)和圖8(a)中，TJ47、TJ48測點和TJ46、TJ47測點之間沉降剖面可以看出墻體分別有向東側、南側傾斜的趨勢。所以圖9(b)中東北角兩測點傾斜值相對于圖9(a)均有所減小。3號樓傾斜情況與2號樓類似。

圖9 2號樓傾斜測量結果Fig.9 Measurement results of inclination of No.2 building

圖10 3號樓傾斜測量結果Fig.10 Measurement results of inclination No.3 building

3.5 既有建筑角變位與破壞準則

上拱或凹陷撓曲變形是房屋開裂的主要原因，剛性傾斜相當于剛體平動，對房屋影響很小。為了建立地表變形與既有建筑破壞準則之間的對應關系，角變位是一個有效的衡量指標。角變位β定義為地表傾斜量(地表兩點的差異沉降與這兩點之間距離的比值)減去房屋的剛性傾斜，如圖11所示。

國外已有一些文獻研究了角變位與破壞準則之間的對應關系，文獻[14]以98個工程實例為背景，認為當角變位大于1/300時，砌體承重墻或框架結構中的填充墻將開始產生裂縫；當角變位大于1/150時，將發生嚴重開裂或者結構性損壞。文獻[15]認為建筑物不產生裂縫的安全標準是角變位小于1/500，當角變位分別大于1/300和1/150時，與文獻[14]研究結論相一致，并應用于美國相關規范中。在上述研究基礎上，文獻[11]通過簡支深梁模型綜合考慮角變位與水平應變，從應力應變角度對建筑物開裂損壞進行分類和評估；文獻[16]通過簡支深梁模型計算累積裂縫寬度，對建筑物開裂損壞進行分類和預測評估?；娱_挖引起的既有建筑沉降變形有上拱和凹陷兩種類型，對于砌體承重墻，文獻[17]建議角變位安全限值分別取1/2 000和1/1 000。而我國對于砌體結構計算地基變形時是由局部傾斜控制的，局部傾斜指砌體承重結構沿縱向6～10 m內基礎兩點的沉降差與其距離的比值[18]，即地表傾斜量，未考慮建筑物剛性傾斜。

圖11 角變位示意圖Fig.11 Sketch of angular distortion

由圖7(a)和圖8(a)可知，2號樓東西方向最大地表傾斜量在Stage12時TJ47、TJ48測點之間取得，南北方向最大地表傾斜量在Stage12時TJ46、TJ47測點之間取得。剛性傾斜值取施工后和施工前傾斜值的差，東西方向取0.66‰，南北方向忽略不計。所以東西方向和南北方向最大角變位分別為1/2 221和1/3 180。

由圖7(b)和圖8(a)可知，3號樓東西方向最大地表傾斜量在Stage12時TJ41、TJ42測點之間取得，南北方向最大地表傾斜量在Stage12時TJ40、TJ41測點之間取得。剛性傾斜值東西方向取2.36‰，南北方向忽略不計。所以東西方向最大角變位接近0，而南北方向最大角變位為1/1 363。

2號樓最大角變位為1/2 221小于文獻[17]建議的1/2 000，更小于文獻[15]建議的1/500；3號樓最大角變位為1/1 363，同樣小于文獻[15]建議的1/500。這表明，在考慮時間效應后本工程的基坑施工方案及相關保護措施有效地控制了周邊既有建筑的沉降變形。理論上2幢房屋在基坑施工期間是安全的，但施工后受基坑施工的影響，房屋原有的部分開裂受損加劇，并產生了一些新的裂縫，究其原因可能主要為：在自然因素的破壞下，磚的風化及砂漿的粉化降低了砌體的變形承載能力；房屋在自重作用下可能產生差異沉降，對基坑施工引起的周邊既有建筑沉降變形有附加作用。

4 結 論

本文根據某基坑周邊2幢既有建筑的實測沉降數據，重點分析了考慮時間效應后基坑施工對周邊既有砌體結構房屋的影響，結論如下：

(1) 一區基坑開挖完成后，由軟土的流變性引起的周邊既有建筑沉降具有明顯的時間效應，2號樓、3號樓最大沉降量分別為45 mm、52 mm。

(2) 基坑外水位在基坑降水、開挖的過程中相對比較平穩，但降水對周邊既有建筑沉降影響較大。距基坑圍護墻(1.0～2.0)H范圍內沉降測點由時間效應引起的沉降達到開挖完成時沉降量的1倍左右，底板澆筑完成后由時間效應引起的沉降變形對周邊既有建筑的影響應引起足夠的重視。

(3) 三維沉降分布表明各既有建筑的沉降并不均勻，既有建筑的沉降形態主要受基坑的三維變形效應和軟土的流變性引起的時間效應影響。

(4) 施工完成后2號樓、3號樓在東西方向上整體表現為上拱變形，且由于基坑三維變形效應的影響，越靠近基坑中部上拱相對變形越大。

(5) 對2幢既有建筑開裂受損及傾斜情況進行了檢測調查，結合建筑物角變位與破壞準則之間的對應關系，2號樓、3號樓最大角變位分別為1/2 221、1/1 363，表明本基坑施工方案及相關保護措施有效地控制了周邊既有建筑的沉降變形，確保了周邊既有建筑的結構安全和正常使用。

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