近鄰基坑非對稱開挖對既有建筑影響及優(yōu)化分析

朱 純 任亞坤 譚 鑫，3 徐培軍 周 康

（1.長沙市公共工程建設中心，湖南長沙 410023；2.湖南大學土木工程學院，湖南長沙 410082；3.建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室(湖南大學)，湖南長沙 410082）

0 引言

隨著我國經濟社會的不斷發(fā)展，城市中心用地日趨緊張，越來越多的深基坑工程位于既有建筑物周邊。基坑開挖卸載會改變周圍土體的應力場和位移場，進而導致既有建筑基礎產生差異沉降，引起建筑上部結構產生附加內力。若建筑物的傾斜超過規(guī)范允許值，則其正常使用將受到嚴重影響[1-3]。淺基礎建筑物由于整體剛度低，抵抗變形能力較差，受深基坑開挖影響尤為嚴重[4-6]。許多研究者針對近鄰建筑物基坑開挖對地層變形特征的影響進行過研究。韓健勇等[2]通過實測得出了鄰近建筑物深基坑開挖圍護樁的變形特征，并分析了建筑基礎埋深和圍護樁距離對基坑變形的影響。張治國等[3]基于Winkler 地基模型，將框架結構和基礎簡化，得出了鄰近建筑物深基坑開挖坑外地表沉降解析解，研究了基坑開挖對建筑物沉降和內力的影響。高 波等[7]探討了隔離樁和錨桿靜壓樁組合加固措施的保護作用。呂文龍[8]、劉念武等[9]基于實測資料，研究了基坑開挖對周邊建筑物變形的影響和建筑物沉降的時間效應和空間效應。信磊磊等[10]、梅 楨等[11]基于實際工程背景，采用數(shù)值模型研究了兩側基坑開挖順序對建筑物的影響。

但是目前研究較少考慮雙側非對稱基坑開挖對鄰近既有建筑物的影響。既有建筑物雙側非對稱基坑的不同開挖方式會導致既有建筑物兩側土體產生更為復雜的加卸載應力路徑。相同設計參數(shù)下不同的開挖步驟對既有建筑的影響也大為不同。因此，本文依托某既有淺基礎建筑物兩側非對稱基坑工程，研究了不同開挖順序對地層變形特征和對既有建筑物變形及內力的影響，明確了最優(yōu)施工方案。

1 工程概況

依托工程位于湖南省長沙市主城區(qū)，場地近鄰既有建筑物為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結構。建筑物平面形狀為長條矩形，建筑基礎采用柱下獨立基礎，埋置深度2～3 m。既有建筑南北側擬建三層地下室的人防工程項目，基坑開挖深度約為15～16 m。場地內的第四系地層自上而下依次為：素填土、雜填土、粉質黏土、圓礫、殘積粉質黏土，下伏基巖為中元古界冷家溪群板巖。通過地質勘察獲得了場地地層空間分布情況、特征綜述和室內土工試驗與原位測試指標等結果，地質鉆孔揭示的場地典型地層及室內試驗獲得的基本力學參數(shù)見圖1。根據(jù)擬建地下室的特征及巖土勘察結果，該基坑安全等級為一級。基坑開挖深度較深，且鄰近重要建筑物，基坑設計采用支護樁+預應力錨索聯(lián)合支護。北側基坑緊鄰既有建筑物，擬采用直徑為1.5 m 樁間距2.0 m 的C30 鋼筋混凝土支護樁；南側基坑采用直徑1.2 m 樁。鋼筋混凝土支護樁間均設置素混凝土咬合樁。

圖1 基坑與既有建筑概況圖

如圖1所示，兩側基坑支護樁上均設置五排預應力錨索，最小預應力鎖定值設為370 kN 以上。既有淺基礎建筑物對地層變形較為敏感，且近鄰南北兩側的非對稱基坑開挖可能對既有建筑產生不利影響。在工程項目施工過程前應當制定完善、可靠的施工技術方案，盡可能減少對近鄰建筑物的影響。

2 數(shù)值模型建立

2.1 數(shù)值模型

采用有限差分法程序FLAC，利用實體和結構單元建立地基-基礎-結構相互作用數(shù)值模型。參考依托工程的地層條件，將基坑與既有淺基礎建筑簡化為平面應變問題（見圖2）。基坑內水平邊界取在其開挖中心線處，計算模型尺寸為120 m×35 m。模型側邊及底部均為簡支約束，地表為自由邊界。

圖2 數(shù)值模型

淺基礎既有建筑根據(jù)實際監(jiān)測尺寸采用Beam結構單元建立框架結構。框架結構柱下獨立基礎以及基坑圍護樁則采用彈性實體單元進行模擬。預應力錨索采用Cable 結構單元模擬，在施工過程的模擬階段考慮了預應力錨索的張拉效應，錨索設計參數(shù)見圖1。框架結構和基坑支護結構材料變形參數(shù)按照原設計成果進行簡化換算（見表1）。

表1 結構模型參數(shù)

2.2 材料參數(shù)

根據(jù)地勘報告提供的巖土基本力學參數(shù)，并結合相關研究[12]提供的經驗取值方法，采取摩爾-庫侖模型模擬地層土體，各地層采用的模型參數(shù)見表2。

表2 土體本構模型及基本力學參數(shù)

2.3 施工模擬及比選方案

根據(jù)既有建筑物南北兩側擬建人防工程深基坑開挖與支護實際情況，擬采用3 種施工方案考慮不同開挖順序進行數(shù)值模擬研究。圖3所示流程圖為考慮不同開挖方式的三種施工過程數(shù)值模擬的具體計算步驟。首先需要進行天然地層的自重地應力場平衡，然后利用Beam 結構單元生成既有建筑框架結構，賦予結構自重后再次平衡模型并進行位移清零。根據(jù)不同的開挖方案對兩側基坑分別進行開挖和支護：施工方案1 是先開挖遠（南）側基坑至坑底，再開挖近（北）側基坑；施工方案2 是先開挖近（北）側至坑底，再開挖遠（南）側基坑，施工方案3 是兩側基坑同時開挖。開挖和預應力錨索錨拉交替進行直至開挖至設計標高。計算全過程記錄3 種不同方案地表沉降和圍護樁體變形特征，并進行對比分析確定最優(yōu)開挖方案。

圖3 不同施工方案數(shù)值模擬過程

3 數(shù)值模擬結果

圖4分別顯示了各方案地層在兩側基坑均開挖完成后的位移場。在目前設計支護參數(shù)下各方案均能保證基坑安全，但不同方案引起的地層變形響應不同，施工方法存在可優(yōu)化空間。水平位移最大值均出現(xiàn)在基坑支護樁體處，遠側基坑支護樁最大水平變形出現(xiàn)在樁體中部，而近側基坑出現(xiàn)在樁體頂部。基坑內地層豎向位移主要表現(xiàn)為開挖引起的回彈，而坑外地層的豎向位移分布則明顯受到既有建筑物獨立基礎位置的影響。在鄰近建筑物柱下獨立基礎附近產生的豎向位移均較大，并且不同基礎沉降值并不一樣，出現(xiàn)了差異沉降。靠近遠側基坑方向的獨立基礎附近地層產生的豎向位移最大，建筑物出現(xiàn)了向遠側基坑方向傾斜的變形趨勢。綜合對比坑外地層的變形情況，采用方案2 先挖近側后挖遠側基坑的非對稱開挖方法對地層變形控制最為不利。

圖4 地層位移場結果

圖5為不同施工方案下最終圍護樁樁體水平位移隨埋深的分布曲線。遠側基坑開挖后樁體水平變形呈鼓肚子形態(tài)，其水平位移最大值產生在圍護樁入土處附近；方案2 最大水平位移超過20 mm，其余兩種均控制在17 mm 以內。近側基坑開挖后樁體水平變形呈上大下小的形態(tài)，最大水平位移均出現(xiàn)在樁頂處，方案2 位移最大，達到45 mm；其余兩種方案均控制在35 mm 之內。模型三種方案計算的樁體最大水平位移處于0.1% ～ 0.3%基坑開挖深度內，與文獻[2]統(tǒng)計的實測分布值相符。綜合模型計算得到圍護結構位移大小而言，方案3 對于限制樁體水平位移的效果最好，其次是方案1，方案2 將產生較大的樁體水平位移。

圖5 圍護樁水平位移分布

Ou、Hsieh 等[13]和Schuster 等[14]通過大量實測數(shù)據(jù)總結了基坑開挖造成的地表沉降，并提出了類似凹槽形的地表沉降經驗曲線。但經驗曲線無法考慮既有建筑物的影響。圖6顯示了不同方案下最終地表沉降的分布曲線。基坑開挖完成后，方案1 中地表沉降最大值為18 mm；方案2 地表沉降最大值為26 mm；方案3 地表沉降最大值為20 mm。對于坑外地表沉降的控制而言方案1 最優(yōu)，方案2 最差。圖6顯示既有建筑物的存在明顯改變了地表沉降曲線的形態(tài)，在靠近既有建筑獨立基礎位置的地表沉降均有所增加。尤其在靠近遠側基坑的獨立基礎位置處沉降增加更為明顯，形成了更深的沉降槽。由于既有建筑物基礎埋深較淺，因此受到基坑開挖誘發(fā)地表沉降的影響比較大。尤其是淺層獨立基礎，不同基礎間會產生一定差異沉降。差異沉降導致建筑物出現(xiàn)傾斜，引起其建筑重心發(fā)生變化，從而導致不同位置的獨立基礎產生一定的荷載重分布。荷載增大的獨立基礎下產生更大的基底附加壓力，并進一步誘發(fā)附加沉降，從而加深了獨立基礎處的地表沉降槽。參考《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB 50007-2011）[15]可確定各類建筑物傾斜容許變形值。根據(jù)建筑形式高度等條件得到本工程既有建筑最大容許基礎傾斜率為0.003，而本文模型計算基礎傾斜率最大出現(xiàn)在方案2 中，僅為0.001，因此近鄰建筑在既有各施工工況下的不均勻沉降均滿足設計規(guī)范要求。其中方案1 和方案3 產生的基礎傾斜率較小。

圖6 地表沉降分布

基坑開挖完成后圍護樁體豎向應力分布見圖7。由于基坑開挖，一側土體卸荷，導致坑外土體的土壓力全部作用在圍護結構上。作用在圍護樁上的壓力隨埋深逐漸增大，因此最大樁體彎矩均出現(xiàn)在基坑坑底上方位置。樁體入土后，可以觀察到受壓區(qū)位置與上方樁體出現(xiàn)差異，因此樁體彎矩在入土處將出現(xiàn)反彎。圖7顯示3 種不同施工方案圍護樁受力差別不大。

圖7 圍護樁樁體豎向應力分布

基坑開挖完成后建筑物結構柱彎矩分布見圖8。可以看出，建筑物兩側底層的結構柱彎矩值和基坑未開挖前相比有了顯著提高，由于基坑開挖造成建筑物基礎不均勻沉降從而引起上部結構傾斜使結構柱內力發(fā)生了變化。三種施工方案產生的最大附加彎矩均出現(xiàn)在靠近北側基坑處的結構柱外側，這與圖6所示的建筑物傾斜方向是一致的。和未開挖結構柱彎矩對比，方案3 產生的附加彎矩最小，方案2 最大，方案1 居中。

圖8 既有建筑結構柱彎矩分布

綜合分析三種不同施工方案中樁體最大水平位移、坑外最大地表沉降、既有建筑物最大傾斜率、建筑結構最大附加彎矩。先開挖近（北）側基坑的方案效果在三種方案中最為不利，而先開挖遠（南）側基坑的方案與兩側同時開挖方案的效果類似。考慮到兩側深大基坑同時開挖需要同時占用大量人力和資源，在實際工程中難以實施，故可優(yōu)先選擇方案1。

4 結論

（1）既有淺基礎建筑物的存在會影響基坑開挖引起的坑外地表沉降曲線，基坑的開挖會引起坑外地表不同區(qū)域產生不同的沉降導致建筑物上部結構出現(xiàn)傾斜，引起建筑物基礎下的地基附加應力重分布，進而加劇建筑物基礎差異沉降。因此，在近鄰建筑物基坑開挖對地表沉降預測計算時有必要考慮建筑物與地基的共同作用。

（2）雙側基坑同時開挖對控制圍護樁水平位移效果最好，首先開挖遠側基坑再開挖近側基坑對坑外地表沉降和建筑物傾斜影響最小。因此合理制定基坑開挖順序能有效減小對地層和既有建筑物的影響。在考慮施工條件、基坑開挖對地層及建筑物變形影響等因素的情況下，應優(yōu)先施工遠側基坑，后施工近側基坑。