基坑開挖對鄰近建筑影響的對比分析

常志凱 唐毅 黃世斌 王家全

摘要：以廣西某加油站油庫和附近樓盤基坑開挖為例，通過ABAOUS有限元軟件建立對應三維模型，分別模擬了油庫基坑和樓盤基坑的開挖過程，同時考慮基坑一地基一鄰近建筑結構的相互作用，分析基坑開挖引起的鄰近建筑物變形，根據建筑物地基控制標準評價油庫和樓盤基坑開挖分析對鄰近建筑物的影響，分析表明：模擬結果與現場勘測中建筑物情況一致，并且基坑陽角處變形及影響范圍遠遠大于陰角;基坑變形對周圍的影響呈現出以中心向四周擴散的特點，其最大水平位移處于臨邊中部;在同一支護深度下，基坑邊緣最大水平位移與臨邊長度呈正相關。

關鍵詞：基坑開挖;鄰近建筑物;不均勻沉降;有限元模擬

中圖分類號：TU 476.4DOI：10.16375/j.cnki，cn45-1395/t，2020.02.006

0引言

20世紀80年代以來，我國城市化進程逐漸加快，導致土地資源日益緊張，推動著城市建筑逐漸向高空和地下發展，同時也促進了巖土工程的發展，在城市化過程中，許多新建項目周邊存在商場、住宅區等建筑物，因而在地基開挖過程中需要保證基坑穩固，同時還需要減小基坑變形對周圍已有建筑和道路的影響，由于基坑工程中設計的支護結構多為臨時性結構，只考慮基坑穩定性，較少考慮基坑變形對周圍建筑的影響，導致實際工程中經常出現由于基坑工程施工導致周邊建筑和道路發生開裂的現象。

許多學者在基坑開挖對周圍建筑影響方面進行了研究，范凡等提出了一種基坑施工引起緊鄰建筑物沉降的簡化計算方法;王洪新根據基坑寬度和圍護結構插入深度之比，將基坑分為窄基坑、一般寬度基坑和寬基坑，分析表明基坑越深，寬度越小，越要考慮基坑寬度對穩定向的影響;Finno等以地鐵站基坑開挖為研究對象，分析了基坑變形影響區域和變形對鄰近建筑物的影響;Laefer和Bryson等通過模型試驗研究了在剛性支護條件下，基坑開挖對鄰近建筑物的影響;丁永春等通過建立三維整體計算模型，動態預測了基坑圍護結構和鄰近高架樁基的變形形態，并采取相應的變形控制措施，有效保護了鄰近建筑的安全;Liyanapathirana等通過有限元模擬，研究了基坑開挖引起的地基變形對鄰近樁體的影響;羊科印利用MIDAS/GTS模擬基坑施工的動態施工過程，將模擬結果與監測結果對比，發現數值模擬可以較好地模擬基坑變形情況;徐長節等利用Plaxis研究了樁基礎施工與基坑開挖對鄰近建筑的影響;吳昌將等通過現場監測，對深大基坑開挖過程中的基坑變形性狀和對鄰近建筑的影響進行了研究;張仁偉利用ANSYS和FLAC3D對深基坑開挖過程中建筑物變形特征進行分析，總結了地下連續墻埋深和支護結構剛度對地面沉降的影響，并提出了減小建筑物差異沉降的方法。

綜上所述，國內外學者對基坑的研究主要集中于單個基坑施工對鄰近建筑物變形量及其特征影響，較少考慮在基坑一地基一鄰近建筑結構共同相互作用下，不同基坑施工對鄰近建筑物變形的影響，本文以廣西某加油站旁油庫和鄰近樓盤基坑開挖為對象，構建基坑一地基一鄰近建筑物有限元模型，分別探討油庫和樓盤基坑開挖對鄰近建筑物變形的影響，并與現場建筑物變形情況進行對比，最后，通過基坑開挖過程中地表和建筑物沉降變形特征和建筑物地基控制標準，對基坑鄰近建筑物安全性進行評價。

1工程概況

廣西某加油站營業廳為2層磚混建筑，房屋高8.0m，建筑面積為112.0m²，該房屋周圍環境較為復雜，房屋東南側為加油站油庫基坑，油庫頂部周長約為40.0m，油庫開挖深度約為4.6m，其中油庫基坑距離房屋最近處為5.0m，房屋西南側為樓盤基坑，該基坑頂部的周長約為165.0m（底邊約為132.4m），深度約為8.0m，營業廳建筑距離樓盤基坑最近處約為4.9m，針對現場情況，基坑采用鉆孔灌注樁+土層錨桿支護的支護方式，圍護樁直徑φ800mm，平面圖如圖1所示。

2沉降變形控制標準

在基坑施工過程中，除了要保證基坑自身穩定性以外，還要保證基坑變形及施工擾動不會影響周圍建筑物的正常使用要求，

根據《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）條文說明，工業與民用建筑地基土為中、低壓縮性土時，相鄰柱基的沉降差不能大于0.002x相鄰柱基的中心距離（mm），因此，建議基坑開挖時加油站建筑物基礎不均勻沉降控制在7mm以內。

基坑開挖深度為8m，根據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120-2012）及《建筑地基基礎工程施工質量驗收標準》（GB 50202-2018），本樓盤基坑結構安全等級為二級，重要性系數為1.0.圍護結構墻體最大位移監控值為8mm，地面最大沉降監控值為6mm。

3數值模擬計算

3.1模型參數

為了能夠真實模擬基坑開挖對加油站建筑物的影響，根據相對位置關系及平面尺寸建立三維有限元模型，實際工程中樓盤基坑開挖深度為8.0m，油庫開挖深度為4.6m，考慮基坑開挖影響范圍為開挖深度的2-5倍，模型中地基尺寸為長×寬×高=118mx80mx40m，鄰近房屋為長×寬×高=28mx4mx8m，按照實際工況分別進行油庫和樓盤基坑開挖模擬，有限元數值模擬按照如下原則建立：

1）基坑內外土體均采用C3D8R實體單元，其本構模型采用摩爾一庫倫模型;

2）基坑支護排樁的模擬利用剛度等效原理等效為地下連續墻，并采用殼單元;

3）建筑物結構采用線單元，對其賦予相應的截面尺寸和相關材料屬性，建筑物與土體采用嵌入的方式與土體連接。

根據現場勘測，基坑場地內上部土層主要以雜填土為主，對模型賦予上述相應參數，土體參數如表1所示，建筑物結構參數如表2所示，所建立的有限元模型見圖2.建筑物沉降測量點布置圖如圖3所示，油庫及樓盤基坑開挖平面圖及尺寸如圖4所示。

3.2油庫基坑開挖分析

結合油庫基坑開挖的實際情況，在模擬中將基坑開挖過程劃分為5個步驟進行，具體步驟如表3所示，基坑開挖不僅會使基坑本身產生變形，也會引起周圍土體變形以及鄰近建筑物沉降，由圖5（a）和（b）油庫基坑開挖后的水平位移云圖可知，建筑物位于油庫基坑開挖影響范圍內，這與白海峰等學者研究得到的基坑開挖地表沉降主要影響范圍一致;并且基坑x、y向最大水平位移接近，其最大水平位移為2.24mm，同時呈現出基坑臨邊中部水平位移最大，向兩角逐漸減小的特點，從基坑變形影響范圍的角度進一步分析可知，油庫基坑位于建筑物偏右位置，在油庫基坑一地基一臨近建筑物的共同作用下，油庫基坑上側的水平位移影響范圍遠大于下側：由圖5（c）和（d）可知，基坑開挖產生的土壓力差，使圍護結構產生向基坑內側的變形;由表4可知，油庫開挖后建筑物最大沉降為1.05mm，表明建筑物距離基坑越近，建筑物地基沉降豎向沉降越大，建筑物與基坑間的荷載效應越顯著。

根據測量點處建筑物沉降可知，油庫開挖后建筑物最大沉降為1.05mm，建筑物最大沉降差為0.97mm，由地基變形控制標準可知，油庫開挖使建筑物產生的不均勻沉降并未影響建筑物的正常使用。

3.3樓盤基坑開挖分析

進行樓盤基坑開挖，在模擬中劃分為7個步驟進行，具體步驟見表5。

由圖6和圖7可知，樓盤基坑變形對周圍地基的影響呈現出以基坑為圓心，向外均勻擴散的特點，基坑陽角處臨邊變形影響范圍遠大于陰角，此時基坑變形對周邊建筑的影響程度增加，反映出基坑陽角為變形的敏感區域，并且由樓盤基坑開挖總位移云圖可知，建筑物一側地基變形影響范圍遠大于其余各支護面，這與上文中油庫開挖后地基變形影響范圍研究結果一致，在設計中，基坑要盡量減少出現陽角，并且在支護時要加強陽角部位的支護強度以及增加監測點的數量;由圖8可知，在同一支護深度下，基坑臨邊最大水平位移隨基坑寬度的增加而增大，并且樓盤開挖導致的基坑臨邊最大水平位移達到了171.50mm;在基坑圍護結構變形方面，圍護結構嵌入土體部分并未產生水平位移，最大水平位移出現在坑底以上支護結構的中部，這與吳昌將等學者研究結果一致，說明基坑臨邊變形時會發生土體沉降并產生向基坑內側的擠壓作用，這容易導致基坑圍護結構中部的水平位移過大而發生破壞，因此需要將圍護結構中部增加錨索或內支撐提高坑底以上圍護結構的支護強度;由表6可知，樓盤基坑的開挖對建筑物沉降影響十分顯著，節點1處沉降差為18.88mm，隨著建筑物距離基坑開挖邊緣距離的增加，基坑一地基一鄰近建筑物間的相互作用隨之減小，地表沉降也迅速減小，其中測量點1沉降量為18.95mm，測量點9沉降量為3.31mm，這表明基坑一地基一鄰近建筑物間的相互作用越強，房屋基礎差異沉降程度越明顯，根據前述上文沉降變形控制標準可知，樓盤基坑開挖導致鄰近建筑物下部地基產生的不均勻沉降量己超過最大變形控制標準，這與實際勘測中油庫基坑開挖后鄰近房屋墻體未開裂，樓盤基坑開挖后房屋開裂的情況相一致，詳見圖9。

綜合油庫和基坑施工過程中的基坑變形和建筑物地基不均勻沉降特征可知，鄰近建筑物的不均勻沉降與基坑變形程度密切相關，基坑開挖會導致基坑圍護結構和鄰近地基變形，同時鄰近建筑物會進一步加劇鄰近地基的變形，最終導致房屋基礎差異沉降過大產生坍塌，因此，在進行基坑施工時應加強對基坑臨邊以及周圍建筑的監測，若監測值接近變形控制標準，立即對建筑物進行跟蹤注漿加固處理。

4結論

通過ABAQus有限元分別模擬分析了廣西某加油站油庫和樓盤基坑開挖對加油站建筑物的影響，分析表明：本文建立的有限元模型與實際工程較為符合，能夠對基坑開挖進行合理分析，并得出以下結論：

1）鄰近建筑物地基的沉降與基坑臨邊變形量密切相關，建筑物距離基坑越近，建筑物基礎差異沉降越大，并且基坑一地基一鄰近建筑物之間的相互作用越強，基礎差異沉降程度和影響范圍越大;

2）基坑陽角處的水平位移量以及影響范圍遠遠大于陰角，因此，在設計基坑開挖形狀時要盡量避免陽角出現，并在施工時加強陽角部位的支護和監測強度;

3）基坑變形對周圍的影響呈現出以基坑為圓心，向外均勻擴散的特點，并且基坑臨邊的最大水平位移出現在臨邊中部;

4）當支護處于同一支護深度時，基坑邊緣最大水平位移與臨邊長度呈正相關，