鄰近基坑建筑物變形分析與加固研究

楊鵬

（中國建筑材料工業地質勘查中心陜西總隊）

隨著城市的發展和建設，地下空間的開發和利用越來越成為一種重要的解決方案。在城市中心和其他人口密集區域，建設項目往往規模較大，需要開挖的基坑也比較大，這時就需要考慮基坑開挖對鄰近建筑物的影響[1]。因此，研究深基坑開挖對鄰近建筑物的影響，找到有效地控制和減小這種影響的方法，對于保護鄰近建筑物、確保其正常使用和安全性具有重要的意義[2]。為落實此項工作，解決基坑開挖對周邊與鄰近建筑物結構安全的影響，下文對此展開研究后，提出對應的加固控制措施。

1 基坑開挖引起的鄰近建筑物變形分析

建筑變形的種類很多，主要可分為均勻變形和非均勻變形兩種。均勻變形是指建筑物整體按照一定的角度和方向發生均勻地傾斜或沉降，這種變形一般不會對建筑物的安全性產生太大影響[3]。而非均勻變形是指建筑物的一部分發生較大幅度的沉降或傾斜，這種變形可能會導致建筑物的結構破壞和功能障礙，甚至危及人員的生命安全。

1.1 地表沉降分析

為更加直觀的掌握基坑開挖引起的鄰近建筑物變形，在開展研究前，對試點工程所在區域內基坑、構筑物的空間相對關系進行描述，如圖1所示。

圖1 試點工程所在區域內基坑、構筑物的空間相對關系

以此為依據，繪制基坑開挖過程中的地表沉降云圖，如圖2所示。

圖2 基坑開挖過程中的地表沉降云圖

從上述圖2 可以看出，基坑開挖會在一定程度上對地表造成沉降，根據基坑開挖造成的土體應力場變化趨勢，沉降區域的土體呈現“凹槽”狀，即根據沉降區域標注顏色可知，有建筑物一側的沉降更加顯著，即有建筑物的一側會受到較多外在荷載的影響，對土層造成一定的擾動，使沉降數值整體略大[4]。

1.2 鄰近建筑物沉降分析

由于本工程所選的試點建筑工程結構屬于框架結構，此類結構又對差異性沉降的感知較為敏感，一旦同一區域內差異沉降過大，便十分容易造成建筑物結構的開裂問題[5]。

因此，在基坑開挖的鄰近建筑物所在位置，選擇01～06，共6 個監測點，對監測點的累計沉降值進行現場實測，實測過程中，使用計算機采用建模的方式，進行鄰近建筑物在基坑開挖過程中的累計沉降值進行模擬，對鄰近建筑物的累計沉降模擬值與實測值進行對比[6]，如圖3所示。

圖3 鄰近建筑物在基坑開挖過程中的累計沉降模擬值與實測值對比

從上述圖3 所示的結果可以看出，鄰近建筑物在基坑開挖過程中的累計沉降模擬值＜實測值，說明在實際工程項目中，施工過程中會受到外部荷載等多種綜合、不確定因素的影響，導致實測的數值偏大[7]。但根據兩條折線的走向可以看出，模擬的累計沉降值與實測的累計沉降值基本一致，可以將其作為參照，分析基坑開挖對鄰近建筑物所造成的影響，以便于對建筑物的損傷程度進行客觀的評估，從而更好的指導基坑開挖現場施工作業。

在上述內容的基礎上，繪制基坑鄰近建筑物的結構俯視圖，如圖4所示。

圖4 基坑鄰近建筑物的結構俯視圖

圖4中，Q代表建筑墻體。Z代表建筑結構立柱。

通過對基坑開挖過程中鄰近建筑物的現場勘查可以看出，與開挖基坑較近的墻體、立柱累計沉降明顯＞與開挖基坑較遠的墻體、立柱累計沉降[8]。

2 加固方案設計

2.1 建筑物與土體相對剛度計算

采用梁結構代表現有結構，以板元為基礎，進行等效抗彎、等效軸向剛度的分析，揭示基坑開挖對地震動的影響規律。等效剛度是針對單層板的，假定其厚度為150mm，n層是在n+1個單板的抗彎剛度和軸向剛度的基礎上建立的，其表達式為：

式中：E為板單元的楊氏模量。I為結構截面慣性矩。A為以1m 為單位的板結構面積。H為結構中心軸到單個板結構中心軸的直線距離。將建筑等效抗彎剛度與等效軸剛度換算成整體的等效剛度Efe，在平面結構上，以外尺寸b為單位數，對建筑物的梁結構進行簡化，結構等效彎曲剛度與等效軸向剛度可表示為：

式中：dfe代表梁模型結構深度。代表截面慣性矩。結構簡化梁的軸向剛度基于結構總體軸向應變，而彎曲剛度則根據平行軸定理來定義。為考慮結構與土體的剛度，對相對彎曲剛度和相對軸向剛度進行定義，其表達式為：

式中：ρ*代表相對彎曲剛度。()str代表內部函數。Es代表土壤剛度。Hb代表0.5 倍結構寬度。α*代表相對軸向剛度。對于不同高度建筑物和不同寬度建筑物，其相對剛度值如表1所示。

表1 不同高度/不同寬度建筑物相對剛度值記錄表

隨著建筑物高度的增加，基礎沉降最大值差值、整體基礎沉降值、最大差異沉降都會隨之增加。隨著建筑物寬度的增加，基礎沉降隨之增加，但整體差值呈減小趨勢。

2.2 基坑支撐方案設計

不同的基坑支撐方案，支撐整體的剛度存在較大差異。本文共設置四種不同的支撐方案，通過對每種支撐方案基礎水平位移的分析，選擇出最佳的基坑支撐方案。四種支撐方案為：第一種：第一道與第三道支撐結構在水平方向上的距離設置為2m，其他參數不變；第二種：第一道與第三道支撐結構在水平方向上的距離設置為24，其他參數不變；第三種：第二道支撐選用直徑為800mm，厚度為20mm 的鋼支撐，其他參數不變；第四種：第一道選用900mm×1100mm 的混凝土支撐結構，第二道支撐選用直徑為800mm，厚度為200mm的鋼支撐，其他參數不變。記錄四種支撐方案應用后基坑開挖對建筑物靠近基坑側樁基水平位移影響結果，見表2。

表2 四種支撐方案應用后基坑開挖對建筑物靠近基坑側樁基水平位移影響結果

隨著深度不斷增加，四種方案應用下樁基水平位移均呈現出逐漸增加的趨勢。進一步分析得出，方案三與方案四基礎水平位移相差較小，這表明，增大混凝土粒徑對地基水平位移的影響大于對地基沉降的影響，但總體上仍很小。對比分析了兩種方案一、二支撐的水平距離變化后，發現兩種方案中的水平間距變化對地基的水平位移有很大的影響。

2.3 加固方案優化

為達到提升基坑穩定性的目的，強化抵抗變形的能力，降低基坑開挖時對周圍僅有建筑結構的影響的目的。結合上述分析，對加固方案進行進一步優化。在原有圍護墻厚度的基礎上增加0.1m；在原有圍護墻插入深度的基礎上增加5m；將第一道支撐與第三道支撐之間的水平間隔距離縮小到2m；增加加固深度為10m，剛度為200MPa 的加固體。按照上述方案優化，基礎沉降和基礎水平位移均能夠得到有效控制。除此之外，根據實際情況，還可采取加大基礎底面積法、灌漿加固等加固方案。

3 結束語

隨著城市化和現代化進程的加快，地下空間的開發和利用成為一種重要的解決方案。基坑開挖對鄰近建筑的影響主要是由于土體開挖和支撐過程中產生的土體應力釋放和擾動。此外，相鄰基坑之間也可能會產生相互影響。這些因素會使鄰近建筑物表面結構產生裂縫。嚴重的情況下，還會出現建筑主體結構的傾斜、沉降等變形現象，這些變形可能會對建筑物的安全性產生影響，甚至會導致建筑物的損壞和無法使用。因此，本文圍繞“基坑開挖引起的鄰近建筑物變形”這一主題展開了研究。分析基坑開挖過程中，周邊建筑物、地表的累計沉降情況，以此為依據，提出對應的加固方案，以此種方式，為規范鄰近建筑物的基坑開挖施工作業提供全面的技術指導與幫助。