近接工程拆除對鄰近高層建筑的影響研究

金春峰，張海軍，田崗，侯代敏，宋春雷，段艷芳，方順女，郭起林，胡志超

（中電投工程研究檢測評定中心有限公司）

1 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程不斷推進，城市更新活動日益頻繁，其中城市中的舊房、危房以及違建房屋的拆除活動逐漸成為我國城市建設過程中的一個重要現(xiàn)象[1-2]。同時，近20年來，我國房屋拆除率已達城市房屋規(guī)模的50%以上，這就不可避免地會出現(xiàn)一些近接拆除工程對其周圍未拆除建筑后期安全性的影響問題。但目前針對此類城市建筑拆除對周邊建筑的安全性影響研究，多集中于建筑爆破或機械拆除過程中震動效應對周邊建筑環(huán)境的影響方面[3-7]，還鮮有相關工程技術人員展開近接拆除對周邊建筑靜力安全特征影響的研究工作。

本文以某住宅小區(qū)10號樓周邊建筑拆除對其安全影響評估為例，通過分析預拆除建筑與某小區(qū)10號樓之間的位置關系，結合現(xiàn)場周邊環(huán)境和工程地質情況，利用有限元方法建立三維分析模型，研究預拆除建筑拆除后可能對10號樓產(chǎn)生的不利影響，以期為今后類似工程提供技術上的參考。

2 工程概況

2.1 工程現(xiàn)場情況

某小區(qū)10號樓附近存在一棟違建樓房，現(xiàn)狀用途為學生公寓，與10號樓最近距離約8m，其中高層住宅樓高約58.8m，屬于高層建筑，違建樓房高約21.6m，屬于多層建筑，現(xiàn)場情況如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場情況

2.2 建筑結構狀況

10號樓為框架剪力墻結構，共包括地上和地下兩部分。其中，地上結構共20層，地上1層層高5.6m，地上2層～20層層高2.8m；地下結構共2層，地下2層層高3.4m，地下1層層高5m，基礎采用筏板基礎，板厚約0.65m。預拆建筑為多層磚混結構，共6層，每層層高約3.6m，基礎形式為條形基礎，基礎埋深約2m。10號樓結構如圖2所示，預拆建筑結構如圖3所示。

圖2 10號樓結構示意圖

圖3 預拆建筑結構示意圖

2.3 區(qū)域地質狀況

2.3.1 工程地質條件

根據(jù)場區(qū)已有資料和鉆探揭露地層資料，本區(qū)域地面以下20m深度范圍內主要以砂類土為主，其中，標高約8.5m～8.8m以上以新近沉積和第四紀沉積的粘性土、細砂、粉砂為主，其下以第四紀沉積的粘性土為主。新近沉積的粘性土壓縮模量一般為4.1MPa～7.5MPa，屬中高壓縮性土，局部地點地表下1.5m～2.4m以內存在高壓縮性土，壓縮模量為3.2MPa；第四紀沉積的粘性土壓縮模量一般為6.10MPa～15.10MPa，屬中高～中低壓縮性土。地面以下20m～150m深度范圍內主要為砂類土層與粘性土層的交互沉積層。

2.3.2 水文地質情況

本區(qū)地面以下150m深度以內，自北向南第四紀含水層主要為6層，含水層巖性為砂類土，單層含水層厚度最薄為1.5m～3m，最厚為26m～28m，上述深度范圍內含水層總厚度67m左右。

本區(qū)潛水的補給主要受大氣降水入滲補給和沖洪積扇側向徑流補給，以及灌溉回歸水補給等，以蒸發(fā)和地下水徑流等方式排泄：區(qū)內承壓水受越流和側向徑流等補給，以人工開采和地下水徑流等方式排泄，徑流條件良好。

根據(jù)水文地質條件和地下水動態(tài)特征可分為潛水動態(tài)特征和承壓水動態(tài)特征。本區(qū)內潛水屬滲入—蒸發(fā)、徑流型動態(tài)，受大氣降水入滲影響，該層水水位通常埋深在地面下6m～8m。每年1、2月份出現(xiàn)最低水位，豐水期的8、9月份水位較高，水位年變幅一般為2m～4m。本區(qū)內承壓水主要屬徑流開采型動態(tài)。一般在每年的6、7月份出現(xiàn)最低水位，最高水位出現(xiàn)在來年的1、2月份，年變幅一般為1.3m～8.1m。

2.3.3 地震地質特征

本地區(qū)新構造運動十分強烈，且新構造運動以斷塊活動為基本特征，活動斷裂具有繼承性和新生性的特點。以北東向斷裂為主，與之近于正交的北西向及近東西向、近南北向斷裂活動次之，活動方式以頻繁的升降運動為主，亦有一定的走滑運動。地表構造變異、深部地球物理場和現(xiàn)代形變場均明顯反映出北京地區(qū)具有孕育強震深部的背景。

根據(jù)歷史記載，本地區(qū)曾發(fā)生過若干次不同級別的地震，自公元294年居庸關5.5級地震以來，至2002年，共記錄到4.7級以上破壞性地震85個，其中，8級地震1次(1679年三河～平谷地震)：7～7.9級地震1次；6～6.9級地震15次，且這些地震距市區(qū)僅幾十公里。

3 多元耦合建模及參數(shù)設置

3.1 整體模型

為了充分考慮建筑結構與地層之間的協(xié)調變形情況，本文建立涉及地上結構與地下土層的多元耦合模型。本模型分上部結構和下部地層兩部分，整體長160m，寬75m，高108.9m。其中，上部結構又分為10號樓和預拆建筑兩部分，高58.9m；下部地層分為三層，自上而下第一層土體厚度8.8m，第二層土體厚度11.2m，第三層土體厚度30m，共計50m。

此外，10號樓模型共22層，長50.8m，寬27m，高67.2m（其中地上58.8m，地下8.4m），剪力墻體厚0.2m，混凝土樓板厚0.12m，混凝土梁截面為0.2m×0.4～0.6m（寬×高），混凝土柱截面為0.5m×0.5m（寬×高）。預拆建筑模型共6層，長49.5m，寬20.5m，高23.6m（其中地上21.6m，地下2m），砌體磚墻厚0.24m，混凝土樓板厚0.12m（見圖4）。

圖4 多元耦合模型

3.2 參數(shù)設置

本模型材料主要涉及磚砌體、混凝土結構以及地層土體，其中，磚砌體結構和混凝土結構采用彈性本構，地層土體采用摩爾庫倫本構，具體材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

3.3 單元及邊界設置

3.3.1 單元設置

本模型共涉及三種單元類型，即一維線單元、二維板單元和三維實體單元。其中，一維線單元主要用于梁、柱結構；二維板單元主要用于砌體磚墻、混凝土剪力墻及樓板結構；三維實體單元主要用于地層土體。

3.3.2 邊界條件

本模型邊界主要涉及地層土體邊界條件，應設置為左右側面采用x向約束，前后側面采用y向約束，底面采用x、y、z三方向約束。

3.4 荷載設置

本模型荷載主要包括建筑結構和地層土體自重荷載以及樓面和屋面荷載。其中，自重荷載方向z軸負方向，樓面和屋面荷載取2kN/m2。

4 理論分析及計算結果

4.1 理論初判

根據(jù)相關地基設計規(guī)范和巖土力學理論[8-10]，外界荷載卸荷之后，地基土體將會向上位移，使其周邊地基土體出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。因此，本工程當預拆建筑拆除后，極可能導致附近10號樓出現(xiàn)上浮變形，致使其產(chǎn)生不均勻沉降現(xiàn)象。主要原因有三點。

①既有建筑拆除后的卸荷回彈。因為建筑拆除前，土中各點都處于平衡狀態(tài)，拆除后地基土由于缺少向下的壓力，出現(xiàn)應力重分布現(xiàn)象，土體自重應力釋放，回彈上移。

②卸荷回彈后地基土變得松軟，更加劇了土體隆起上移。

③當存在地下水時，卸荷后土體吸水導致土體膨脹上移。

4.2 模擬結果分析

4.2.1 內力分析

1）地層應力變化

由圖5可以看出，當預拆建筑拆除后，下部土體缺少了相應荷載的壓制作用，其地層應力發(fā)生重分布，其中整體地層最大應力由拆除前的558.64kN/m2變化為555.67kN/m2，變化量相對較小；局部地層（預拆建筑下部）應力由114.21kN/m2變?yōu)?4.98kN/m2，變化量相對較大，減小到原有應力13%左右。由此可見，預拆建筑拆除后，會使其下部局部地層應力得到釋放。

圖5 地層應力

2）10 號樓應力變化

由圖6看出，當預拆建筑拆除后，10號樓最大應力由1985.35kN/m2變?yōu)?947.49kN/m2，下 降1.91%，整 體 變 化不大。

圖6 10號樓應力

4.2.2 變形分析

由圖7可以看出，當預拆建筑拆除后，其下部土體z方向最大變形為127.27mm（隆起）；10號樓z方向最大變形為17.76mm（隆起），最小變形為-6.33mm（沉降），差異變形為24.09mm。因此，可以看出預拆建筑拆除后，會對其周邊地層和鄰近10號樓的變形產(chǎn)生一定影響，同時，考慮到10號樓修建時已經(jīng)存在一定的不均勻沉降現(xiàn)象，所以在未對10號樓進行有效保護的情況下，暫不建議對預拆建筑進行拆除處理。

圖7 地層與結構變形

5 結語

本文以北京市某小區(qū)近接拆除工程為例，利用有限元建模方法，考慮地層與結構的相互作用，分析預拆建筑拆除后對鄰近10號樓的影響。結果表明，預拆建筑拆除后會對相鄰建筑產(chǎn)生一定影響，建議在未對相鄰建筑進行有效保護的情況下，暫不對預拆建筑進行拆除處理。