深基坑開挖及降水誘發(fā)鄰近建筑物變形破壞機(jī)理及影響因素

朱大鵬, 謝昌建, 楊陽,3

(1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 成都 610500； 2.三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室(三峽大學(xué))， 宜昌 443002; 3.中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司陜西分公司， 西安 710000)

基坑開挖和降水會引起坑底回彈、應(yīng)力重分布以及地面不均勻沉降，從而引發(fā)基坑變形、垮塌及鄰近建筑傾斜、開裂等現(xiàn)象，坑外樁基建筑物群樁效應(yīng)、承臺效應(yīng)等將導(dǎo)致基坑開挖、降水引發(fā)坑外地表沉降問題變得十分復(fù)雜，是土層-地下水-承臺-樁相互平衡協(xié)調(diào)問題[1]。因此，針對深基坑開挖、降水引起的鄰近建筑物沉降研究顯得尤為重要。

在理論方面，Terzaghi[2]最早詳細(xì)解釋了有效應(yīng)力原理和一維固結(jié)理論；Peck[3]最早提出了基坑開挖穩(wěn)定性和支撐內(nèi)力計算的相關(guān)理論；吳永紅等[4]最早利用boulton曲線及滲漏理論提出基坑降水引起地面沉降估算公式，從理論上為基坑開挖、降水以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)問題提供支撐。楊清源等[5]給出了不完整井降水引發(fā)坑外地表沉降公式。陳學(xué)根等[6]給出了降水引發(fā)樁基均勻沉降地下水位、有效應(yīng)力增量以及坑外樁基均勻沉降公式。江杰等[7]提出一種考慮降水疏干、滲流力以及止水帷幕作用的計算方法，但未考慮樁基建筑物。

限于理論分析對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的局限性，常借助有限元法。Mana等[8]建立基坑開挖有限元模型并建立基坑位移、沉降評測方法證實了有限元法的有效性。朱志鵬等[9]基于有限元三維滲流-耦合理論模型分析了深基坑開挖對地表沉降的影響。王超[10]基于有限元法分析了基坑降水的多種因素對臨近建筑沉降的影響。施有志等[11]考慮土體小應(yīng)變剛度影響下的不同基礎(chǔ)形式的多層建筑物受基坑開挖的影響變化。

基于廣州某深基坑開挖—降水—開挖工程實例，從理論角度分析了同時考慮開挖和降水前后土體自重應(yīng)力變化、滲流動水壓力引起的有效應(yīng)力變化以及止水帷幕對土體沉降約束作用時坑外土體沉降機(jī)理。借助三維滲流有限元模型同時考慮應(yīng)力場和滲流場，針對土層-地下水-承臺-樁相互平衡協(xié)調(diào)問題，探究建筑開裂原因并分析了多種影響因素，以期對同類工程提供參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)與水文條件

圖1 基坑剖面圖

1.2 開挖、降水及支護(hù)、監(jiān)測方案

工程采用開挖(兩次)—降水—開挖(兩次)的順序明挖順作施工(圖1)。工程降排水措施采用坑內(nèi)井點降水與集水溝排水，降水深度超過基坑底4 m或至中風(fēng)化巖層面，井點間距約30 m，共布置12個降水井?；又ёo(hù)采用“灌注樁+混凝土內(nèi)撐”的組合支護(hù)方案，圍護(hù)樁為鋼筋混凝土灌注樁(800 mm×1 000 mm);腰梁采用工字鋼組合腰梁，腰梁與排樁之間采用C35細(xì)石混凝土填實；樁間土及冠梁頂噴射100 mm厚C20混凝土并掛Ф6 mm@200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)。實際基坑工程開挖深度為-16 m，降水是從-9 m到坑底以下4 m，即-20 m，止水帷幕嵌入深度-25 m。監(jiān)測布置如圖2所示。

圖2 基坑監(jiān)測平面示意圖

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，基坑開挖時建筑物水平位移、豎直沉降均較小，未超過報警值；降水后降水量大幅超過報警值，坑外不同位置沉降隨降水量的增加不斷增大且最大值超過極限值。最大累計水位下降量均超過-1 000 mm報警值，地表累計沉降45 mm；新增主控樓累計沉降144.49 mm，在降水階段建筑物累計沉降49.25 mm。建筑物沉降南側(cè)大于北側(cè)、東側(cè)大于西側(cè)，且沉降差較大，使磚混結(jié)構(gòu)建筑物產(chǎn)生較大的附加剪力，進(jìn)而引發(fā)傾斜、開裂(圖3)。因此初步得出開挖只是影響建筑物變形的次要原因，而降水為主要原因。

圖3 建筑物破壞圖

2 坑周地表沉降機(jī)理分析與計算

2.1 坑周地表沉降機(jī)理分析

基坑開挖的過程即土體卸荷的過程，坑內(nèi)外土壓力使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向變形；基坑持續(xù)開挖導(dǎo)致基坑壁兩側(cè)土壓力差不斷增大，繼而圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生水平位移?？油馔馏w產(chǎn)生向坑內(nèi)的剪應(yīng)力，土體出現(xiàn)塑性區(qū)。當(dāng)基坑降水時引起周圍土層水位下降，根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理，土層有效應(yīng)力上升，飽和土排水壓密。這些附加應(yīng)力壓縮土層空隙引發(fā)宏觀上的固結(jié)。由于距降水井較近位置降水水頭差較大，有效應(yīng)力變化大，因而近基坑側(cè)土層固結(jié)更加明顯，形成向坑內(nèi)傾斜的不均勻沉降。同時，基坑降水使井口水位處于低水位，與四周未擾動區(qū)域高水頭形成水頭差?？紫端谒^差驅(qū)使下向低水位(井口)滲流，形成作用于土粒骨架的滲流力，從而引起土體有效應(yīng)力增加。為防止基坑降水效果不明顯，在降水前須預(yù)先修建止水帷幕以阻斷基坑內(nèi)外水力聯(lián)系，防治坑周滲水。止水帷幕以及坑內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與接觸到的土層產(chǎn)生摩擦阻力(剪應(yīng)力)，阻止土體下沉，從而減小了一定范圍內(nèi)的坑外地表沉降。由于該基坑先開挖再降水，鄰近樁基變形主要由于地基不均勻沉降導(dǎo)致。建筑坑后地表沉降主要由開挖土層變形和降水土層固結(jié)疊加引起。

當(dāng)坑外有鄰近樁基建筑物時，建筑物由于不均勻沉降將向坑內(nèi)傾斜。建筑結(jié)構(gòu)偏心將造成內(nèi)部產(chǎn)生附加剪應(yīng)力，特別是該工程鄰近樁基建筑為磚混結(jié)構(gòu)，附加剪應(yīng)力將對其抗剪能力構(gòu)成威脅。因而控制不均勻沉降顯得尤為重要。一方面，建筑結(jié)構(gòu)偏心將引起樁的水平位移，圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步向坑內(nèi)變形，加劇不均勻沉降；另一方面，建筑結(jié)構(gòu)偏心將在坑內(nèi)方向產(chǎn)生更大的樁身軸向壓縮和土層沉降。由于樁的壓縮變形相對較小，和四周土體形成負(fù)摩阻力，進(jìn)一步將樁周有效應(yīng)力增量復(fù)雜化。當(dāng)樁基為群樁時，承臺將時問題變得更加復(fù)雜，屬于應(yīng)力場-滲流場-承臺-樁問題[1]。

2.2 坑周地表沉降計算

基坑開挖引起的沉降S挖采用Peek曲線法[3]，基坑降水引發(fā)的沉降S水主要依據(jù)分層總和法，即

(1)

式(1)中：Si為每薄層壓縮量，mm；Δpi為每薄層平均豎向附加應(yīng)力，kPa；Ei為每薄層壓縮模量，MPa；Hi為每薄層厚度，m。

由土體自重應(yīng)力增量引起的沉降S自由兩部分組成：一部分是降水曲線以上的疏干區(qū)由于孔隙水壓降低導(dǎo)致的有效應(yīng)力增量ΔσⅠ，一部分是降水曲線以下的飽和區(qū)由于上部孔隙水疏干導(dǎo)致的有效應(yīng)力增量ΔσⅡ。即

(2)

ΔσⅠ=γw(y0-h0)

(3)

ΔσⅡ=γw[H-f(x)]

(4)

式中：ψs為土的沉降壓縮經(jīng)驗系數(shù)，取1；γw為水的重度，kN/m3；f(x)不完整井基坑降水曲線；y0為所處地層深度，m；H為相對含水層厚度，m；h0為初始水位，m。

依據(jù)Dupuit假設(shè)，在修正巴布什金不完整井涌水量計算公式的基礎(chǔ)上，楊清源等[5]得到不完整井基坑曲線，江杰等[7]將其修正為

(5)

(6)

(7)

(8)

τ0=ΔσⅠ+ΔσⅡ+fsy[y-f(x0)]

(9)

式中：h為距圍護(hù)結(jié)構(gòu)x處土層的含水層厚度，m；hw為降水穩(wěn)定后含水層厚度，m；k為土層滲透系數(shù)，m/d；Ha為基坑內(nèi)不完整井降水有效影響深度，m；R為基坑降水影響半徑，m；sw為水位降深，m；rw降水井半徑，m；l降水井過濾器長度，m；fsy為垂直滲透力，m；τ0為止水帷幕與土體交界處產(chǎn)生剪應(yīng)力，kPa；Gs為樁周土剪切模量，MPa。S滲為滲流動水壓力引起的有效應(yīng)力變化導(dǎo)致土體沉降，m；S止為止水帷幕對土體沉降約束作用阻止土體沉降，m。假定止水帷幕符合二次衰減模型，影響范圍為一倍降水深度H0，則式(8)中0

2.3 沉降監(jiān)測值與理論值對比

開挖和降水前后土體自重應(yīng)力變化、滲流動水壓力引起有效應(yīng)力變化導(dǎo)致土體沉降，止水帷幕對土體沉降約束作用阻止土體沉降，因此總沉降S為

S=S挖+S自+S滲-S止

(10)

同時考慮降水疏干、滲流力以及止水帷幕對土體沉降的影響作用時，沉降最大值以及距基坑的距離與實測值基本一致，能較準(zhǔn)確計算地面沉降，修正過后的地表沉降計算形態(tài)更接近實測值。建筑周邊的地表沉降受建筑物剛度、樁基形式以及時空效應(yīng)等影響，應(yīng)力變化十分復(fù)雜。因此，須進(jìn)一步借助數(shù)值模擬分析地表沉降及其影響因素。

3 三維滲流有限元數(shù)值模型

建立考慮三維滲流和群樁效應(yīng)的有限元模型，進(jìn)一步分析深基坑開挖引起鄰近樁基建筑的影響作用及影響因素。為消除邊界效應(yīng)，擴(kuò)大基坑四周范圍將整個模型大小設(shè)置為160 m×130 m×50 m。建筑物基礎(chǔ)為“筏板+樁基礎(chǔ)”，建筑物等效荷載為450 kN/m，模擬實際工程條件和施工順序下的土體及樁基建筑。三維滲流有限元模型如圖4所示。

圖4 基坑有限元模型

建筑物及樁基網(wǎng)格密度為0.1 m×0.1 m、土層為1 m×1 m，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)共約20萬；左、右邊界固定向內(nèi)方向的位移、下邊界約束全部位移。土層采用修正的莫爾庫倫本構(gòu)模型，圖層參數(shù)如表1所示；樁基及建筑物采用線彈性模型，重度為26 kN/m、泊松比為0.3、壓縮模量為17.5 GPa。

表1 土層參數(shù)

4 實際監(jiān)測與數(shù)值模擬對比分析

為確保數(shù)值模擬準(zhǔn)確性，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移(圖5)和坑外土體沉降與實際監(jiān)測進(jìn)行對比(圖6)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測與模擬最大值均位于CX3測點。由圖5可知，發(fā)生最大沉降模擬值與監(jiān)測值整體變化規(guī)律一致，最大水平位移(約29 mm)及所處圍護(hù)樁樁身位置(約13 m)基本一致。

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移對比圖

由圖6可知，坑外土體沉降距基坑15 m(A3測點)處產(chǎn)生最大沉降，模擬值與監(jiān)測值接近。同時，降水引發(fā)的坑外地表沉降值相比開挖四較大，從監(jiān)測和模擬可知由降水主導(dǎo)沉降。因此，降水是引發(fā)建筑物開裂變形的主因。開挖—降水—開挖整個過程中數(shù)值模擬與實際工況整體上變化一致，均呈中間大兩端小的“拋物線”型，實際工程中基坑周圍環(huán)境相對復(fù)雜，造成實際與有限元的相對誤差。

圖6 坑外土體沉降對比圖

5 不同條件下降水對坑外樁基建筑物的影響

根據(jù)上述分析，坑外土體和建筑物沉降由降水主導(dǎo)。因此有必要改變外界條件，探究合理的工程條件以圍護(hù)坑外建筑穩(wěn)定。通過控制變量法，從建筑與基坑間距、樁基礎(chǔ)剛度、止水帷幕嵌入深度、降水速度與方式等方面分析不同工況下降水對坑外建筑物筏板L1～L6測點(圖2)沉降的影響。

5.1 建筑物與基坑間距

建筑物與基坑相距5～30 m每隔5 m進(jìn)行分析(圖7)，降水方式、施工順序等與實際情況相同。建筑物離基坑越近，沉降越大。建筑物東南角沉降最大，西北角沉降最小。

圖7 不同樁基和基坑間距下筏板沉降值

5.2 樁基礎(chǔ)剛度

排水固結(jié)過程中，建筑物變形受建筑樁基影響和制約，樁基產(chǎn)生附加彎矩和附加應(yīng)力。樁基的變形和位移主要受樁身剛度影響，因此通過改變樁體彈性模量來控制剛度大小，彈性模量分別設(shè)置為6×105、6×106、6×107、6×108MPa(圖8)。

圖8 不同樁基礎(chǔ)剛度下筏板沉降值

在降水過程中改變樁基礎(chǔ)剛度對于建筑物豎直沉降能夠起到很好的抑制作用。當(dāng)剛度為6×106MPa(實際工程構(gòu)件剛度)時，建筑物沉降明顯超過了報警值；當(dāng)剛度達(dá)到6×108MPa時建筑物沉降已經(jīng)可以滿足規(guī)范要求。隨剛度增大，筏板沉降會逐漸減小。在剛度較小時，樁基礎(chǔ)在彎曲破壞之前就可能因較大的水平位移導(dǎo)致房屋傾斜、開裂變形，小剛度無法滿足要求。但增大剛度會提高水泥或鋼筋標(biāo)號，經(jīng)濟(jì)預(yù)算上升。

5.3 止水帷幕嵌入深度

水的作用導(dǎo)致坑外土體及樁基建筑產(chǎn)生較大的不均勻沉降，而采用止水帷幕有利于阻止或減少基坑側(cè)壁及基坑底地下水流入基坑。止水帷幕越深，止水效果越好，但同時帶來的是工程造價的上升，因此有必要進(jìn)行合理控制。由于坑外土體和建筑物沉降由降水主導(dǎo)，由降水引起的不均勻沉降占主要因素。因此，必須合理控制降水井降水。

止水帷幕嵌入深度分別為0 (不設(shè)置止水帷幕)、10 m(超過地下水位1 m位置)、20 m(實際工程深度)、25 m以及30 m(以下為不透水層)，建筑筏板沉降如圖9所示?？油獾叵滤@過止水帷幕滲入基坑將增加滲流路徑長度，減小土層水頭損失使得止水帷幕后土體沉降量降低。由圖9可知，止水帷幕嵌入深度越深建筑物沉降越小，但一定深度后趨于穩(wěn)定，在嵌入深度超過20 m以后減小建筑物變形不明顯，在工程施工時可將止水帷幕設(shè)置為20 m以內(nèi)，避免增加預(yù)算。

圖9 不同止水帷幕深度下筏板沉降值

5.4 降水方式

工程實際中采用一次性降水，為研究降水方式對坑外鄰近建筑物的影響，將原有一次性降水改變?yōu)榉执谓邓?。設(shè)置降水速度為0.6 m/d；止水帷幕嵌入深度設(shè)置為0、10、20、25、30 m。降水方式：A表示一次性降水11 m；B表示3、4、4 m三次降水，總共11 m。筏板沉降如圖10所示。

圖10 不同降水方式下筏板沉降值

分次降水使沉降減小了5～15 mm。因此止水帷幕嵌入深度一定時，分次降水能有效減少建筑物沉降，同時止水帷幕越淺其效果越好。據(jù)式(7)可知，水力梯度將影響滲流力大小，滲流力大時沉降大，因而分級降水能夠有效降低其滲流力引發(fā)的沉降。

5.5 降水速度

在需要進(jìn)行降水的基坑工程中，降水速度對于基坑周圍環(huán)境的影響少有研究，但是所帶來的影響不容忽視。止水帷幕嵌入深度20 m，降水方式為一次性降水，降水速度為0.2、0.6、1.0、1.5 m/d。如圖11所示。

圖11 不同降水速度下筏板沉降值

當(dāng)止水帷幕嵌入土體深度和降水方式一定時，改變降水速度對于基坑鄰近建筑物的影響相對較小，在變形最大的L6測點處沉降差異值約4 mm。根據(jù)有效應(yīng)力原理，基坑降水速度只會影響建筑物沉降速度而與建筑物沉降總量無關(guān)。由于下臥淤泥質(zhì)土存在一定降水疏干滯后效應(yīng)，一定時間內(nèi)固結(jié)未穩(wěn)定，其時間一般較長。因此降水速度較快時建筑物沉降較小，一定時間后趨于穩(wěn)定。

6 結(jié)論

(1) 除坑外地表、建筑物沉降嚴(yán)重超出警戒值外，其余監(jiān)測符合規(guī)范要求。降水量及其誘發(fā)的坑外土體沉降遠(yuǎn)超報警值，坑外建筑物開裂主要由工程降水所致，與基坑開挖及圍護(hù)樁變形關(guān)系較小。

(2)建筑物距離基坑越近樁基礎(chǔ)變形越大，在間距大于降水深度時可顯著減小建筑變形。樁基剛度越大，其位移越小，彎矩越大。止水帷幕嵌入深度越深，建筑物沉降越小，效果隨深度增加而降低。

(3)分次降水能有效減小建筑物沉降，止水帷幕越淺其效果越好。此方式成本較低，控制止水帷幕深度可取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

(4)由于下臥淤泥質(zhì)土存在一定降水疏干滯后效應(yīng)，短時間內(nèi)基坑降水速度越快沉降越小，隨著進(jìn)一步固結(jié)其沉降量最終一致。