浅析地基开挖对既有建筑物桩基影响

陈越楠

摘 要：近年来城市发展加快，建设用地需求加大，对土地的需求日益突出。如何解决城市建设用地的供应和需求之间的矛盾，是我们要面对的一个棘手的问题。实践表明，在国内外，特别是人口密集，土地资源相对紧张的城市圈，地表空间日趋饱和的条件下，合理有秩序的城市地下空间开发，走可持续的发展道路城市，是为了解决城市建设用地的需求矛盾与走可持续发展道路之间的一种有效手段。

关键词：地基；建筑；隧道

自进入21世纪后，城市地下空间开发项目与隧道开挖工程进入了一个前所未有的重要发展时期。世界各大城市已经开发和利用地下空间的各种用途，例如地铁、车库、高层建筑地下室、地下商场和医院、地下仓库，地下人防工程和各种民用工业设施，因此深基坑工程的大量增加。特别是在中国，无论在规模和数量上均超过工程技术水平发达的一些国家。地下空间的发展趋势日益增多，同时也显现出大量的工程问题，特别是在施工环境复杂的城市的中心，例如密集的地面建筑物，复杂的地下管线。因此将不可避免地进行交叉施工或邻近条件下作业。新的地下工程设施建设可能引起地表隆起、塌陷、水平位移，很可能影响地面现有建筑工程结构安全和正常使用性能。而且大多数的深基坑工程地理位置都较特殊，建筑密集，变形影响敏感。如果在这些深基坑施工过程不注意，在基坑开挖时变形量过大，会产生附加的挠度及弯矩到现有的建筑物桩基础上，造成建筑物出现裂缝，甚至建筑物倒塌，造成巨大经济损失。

实际上，已经有一大批的学者及工程技术人员进行土体开挖环境效应方面的研究。2001年在英国伦敦，岩土工程界诸多专家学者举办了针对隧道、深基坑开挖等条件对既有建筑结构的响应规律特点、破坏预测方法和控制措施等的学术方面研讨会，说明国际学术界和工程界高度重视该方面的研究现状和学科发展情况。在接下来的十内，国内外的学者和工程技术人员对邻近建筑物在开挖情况下受到的响应规律進行了广泛的研究以及报告，大部分采用数值计算和简化的理论方法对开挖引起的土体应力场的分布规律和位移场的分布规律、地面沉降预测、围护结构应力变形计算、土体变形引起地基的附加内力及位移进行了讨论，揭示出了这些问题的一般规律和特点。

然而，这些研究结果并不能解决工程中所有的问题，近年来在国内外发生了一些因开挖隧道或开挖基坑导致邻近建筑物倒塌工程事故。例如：北京地铁十号线工程滑坡坍塌6人被埋；深圳地铁三号线的建设工地坍塌引起人员伤亡，并造成周围建筑物的顺坏；杭州地铁一号线附近地面出现大面积的沉降和坍塌超过50人被埋，造成邻近建筑物严重损坏，影响了整个工程界。这些工程事故有相当一部分是由于施工现场管理不当，遇到了异常的水文地质或施工人员由于缺乏敬业精神引起的。但不排除对问题缺乏足够的认识，对邻近建筑物的附加响应预测不准而导致工程事故发生。

因此，在深基坑工程的设计与施工过程中，如何有效地限制由于深基坑开挖而引起的土体位移，减小土体变形对临近建筑物桩基的影响，这些已成为岩土工作人员非常关注的一个焦点。

在土木工程施工中，基坑及地下开挖是一直一个传统的主题。且它是一个非常复杂的岩土工程课题，涉及土力学中的强度和稳定性问题，还有变形的问题，还涉及到土体与支护结构作用关系。深基坑开挖时不但要保证基坑本身的安全与稳定，而且还要控制基坑周围地层位移，有效保护周边环境。在比较好的地层，周围地层在基坑开挖的影响下变形小，若控制适当，不影响周围的城市环境，但是在软土层，特别是在软土层的城市建设中，由于地层的复杂性，若进行基坑开挖则会产生较大的变形，将会严重影响接近深基坑周围建筑物、地下管线、道路等市政设施，所以这是一个非常复杂且具有风险的工程项目。

目前，随着工程建设进程加快深基坑工程开挖深度逐渐增大，实际上增大了基坑工程的施工难度及风险。通常基坑工程在城市建筑物和人口居住稠密的地区，基坑开挖导致地层土体移动，移动土体对邻近建筑物桩基础产生附加挠度及弯矩，若位移很大则会导致建筑物或构筑物的破坏。本课题研究，从本质上讲属于开挖卸荷对桩基础的横向和纵向的位移的影响，即被动桩。

基坑开挖对邻近既有建筑的影响包括许多方面，有一些研究较深的并制定了相应的行业标准和法规。但是在基坑开挖对邻近桩基荷载的影响方面的研究相比较还不完善，还没有任何行业标准。很重要的原因是基坑、土体及现有的桩基相互作用的问题有其独特的力学原理及研究难点。

（1）坑开挖引起位移，不仅在地层表面附近会对桩基应力、变形的影响较大，且深层土体位移变化也将直接影响桩基础。现在对基坑工程的深部土体位移计算理论研究相对少；

（2）通常在基坑或隧道开挖前，邻近桩基已经处于较大荷载状态，当开挖附近的土体后发生非均匀地层位移，引起桩端阻力和桩侧摩阻力重新分布，其中一些桩可能在卸荷的状态，与其它一些则可能在继续加荷的状态下。地下管道等基本不能承受大的外荷载，基坑开挖引起的地层位移对管线的内力是可以忽略的。在这一点上，可以认为其处于初始加载阶段，没有卸加载的问题；

（3）桩基础是一种竖直方向的承载构件，桩-土之间的摩擦阻力提供了很大一部分的承载力，若荷载或非均质地层位移较大，桩和土之间会发生明显的滑移现象。但对于地下管线等结构与土的界面则不会发生滑移

（4）桩基础受较大轴向荷载作用下，若地层发生水平位移，可引起桩体明显的弯曲（挠曲），在轴向力的作用下，可产生不可忽视的偏心力矩加重桩身挠度。因此对于竖直方向荷载的被动桩必须考虑横向变形综合效应的影响；

（5）桩表现为群桩的形式，在桩基础的顶部通常具有刚性帽，地层位移的影响下群桩综合效果明显，还涉及桩承台及桩身受荷的协调问题。由于施工方法不同，不同的桩-土界面剪切滑移特性的差异大，在理论分析时相对难处理。

综上所述，目前对基坑、土体和邻近桩基相互作用的力学机制和难点的研究还不够完善。目前所采用的基坑邻近桩基工程施工过程中的地层位移控制标准也缺乏相关理论依据。如：较小安全系数的桩基础（图1所示），当在主动荷载作用的情况下，很大部分的桩侧和桩端土达到塑性状态，这时基坑开挖将发生不均匀地层位移而引起很大的沉降。在较大安全系数的基础（图2所示），当在主动荷载作用的情况下，桩侧和桩端土则处于弹性状态，这时基坑开挖，桩体下部的承载力可有效发挥以平衡基坑底面以上桩段的荷载减少量，桩体沉降相对会小得多。

基坑开挖对附近荷载桩基的影响是比较复杂的，在以前的研究中，基坑开挖引起的土体水平和竖直向位移，独立分析其对桩基础产生的影响或忽略桩顶的既有荷载。但在桩基础的受荷载的情况下，桩顶的荷载将产生偏心的力矩，将引起更大的水平弯曲（挠曲）。总之对于不同情况的桩基工程，应考虑桩基础与初始荷载状态，桩-土界面的实际承载性能及侧向和竖向变形的综合效应，建立一个科学分析预测的研究方法，针对不同的桩基分析，以便建立符合实际应用的地层位移控制标准，在设计和施工中做出更正确的决策和技术应变措施。

参考文献：

[1] 黄茂松，任青，王卫东，陈峥. 深层开挖条件下抗拔桩极限承载力分析[J]. 岩土工程学报. 2007（11） .

[2] 郑刚，张立明，刁钰. 开挖条件下坑底工程桩工作性状及沉降计算分析[J]. 岩土力学. 2011（10） .