基坑开挖对邻近建筑影响的对比分析

常志凯 唐毅 黄世斌 王家全

摘要：以广西某加油站油库和附近楼盘基坑开挖为例，通过ABAOUS有限元软件建立对应三维模型，分别模拟了油库基坑和楼盘基坑的开挖过程，同时考虑基坑一地基一邻近建筑结构的相互作用，分析基坑开挖引起的邻近建筑物变形，根据建筑物地基控制标准评价油库和楼盘基坑开挖分析对邻近建筑物的影响，分析表明：模拟结果与现场勘测中建筑物情况一致，并且基坑阳角处变形及影响范围远远大于阴角;基坑变形对周围的影响呈现出以中心向四周扩散的特点，其最大水平位移处于临边中部;在同一支护深度下，基坑边缘最大水平位移与临边长度呈正相关。

关键词：基坑开挖;邻近建筑物;不均匀沉降;有限元模拟

中图分类号：TU 476.4DOI：10.16375/j.cnki，cn45-1395/t，2020.02.006

0引言

20世纪80年代以来，我国城市化进程逐渐加快，导致土地资源日益紧张，推动着城市建筑逐渐向高空和地下发展，同时也促进了岩土工程的发展，在城市化过程中，许多新建项目周边存在商场、住宅区等建筑物，因而在地基开挖过程中需要保证基坑稳固，同时还需要减小基坑变形对周围已有建筑和道路的影响，由于基坑工程中设计的支护结构多为临时性结构，只考虑基坑稳定性，较少考虑基坑变形对周围建筑的影响，导致实际工程中经常出现由于基坑工程施工导致周边建筑和道路发生开裂的现象。

许多学者在基坑开挖对周围建筑影响方面进行了研究，范凡等提出了一种基坑施工引起紧邻建筑物沉降的简化计算方法;王洪新根据基坑宽度和围护结构插入深度之比，将基坑分为窄基坑、一般宽度基坑和宽基坑，分析表明基坑越深，宽度越小，越要考虑基坑宽度对稳定向的影响;Finno等以地铁站基坑开挖為研究对象，分析了基坑变形影响区域和变形对邻近建筑物的影响;Laefer和Bryson等通过模型试验研究了在刚性支护条件下，基坑开挖对邻近建筑物的影响;丁永春等通过建立三维整体计算模型，动态预测了基坑围护结构和邻近高架桩基的变形形态，并采取相应的变形控制措施，有效保护了邻近建筑的安全;Liyanapathirana等通过有限元模拟，研究了基坑开挖引起的地基变形对邻近桩体的影响;羊科印利用MIDAS/GTS模拟基坑施工的动态施工过程，将模拟结果与监测结果对比，发现数值模拟可以较好地模拟基坑变形情况;徐长节等利用Plaxis研究了桩基础施工与基坑开挖对邻近建筑的影响;吴昌将等通过现场监测，对深大基坑开挖过程中的基坑变形性状和对邻近建筑的影响进行了研究;张仁伟利用ANSYS和FLAC3D对深基坑开挖过程中建筑物变形特征进行分析，总结了地下连续墙埋深和支护结构刚度对地面沉降的影响，并提出了减小建筑物差异沉降的方法。

综上所述，国内外学者对基坑的研究主要集中于单个基坑施工对邻近建筑物变形量及其特征影响，较少考虑在基坑一地基一邻近建筑结构共同相互作用下，不同基坑施工对邻近建筑物变形的影响，本文以广西某加油站旁油库和邻近楼盘基坑开挖为对象，构建基坑一地基一邻近建筑物有限元模型，分别探讨油库和楼盘基坑开挖对邻近建筑物变形的影响，并与现场建筑物变形情况进行对比，最后，通过基坑开挖过程中地表和建筑物沉降变形特征和建筑物地基控制标准，对基坑邻近建筑物安全性进行评价。

1工程概况

广西某加油站营业厅为2层砖混建筑，房屋高8.0m，建筑面积为112.0m²，该房屋周围环境较为复杂，房屋东南侧为加油站油库基坑，油库顶部周长约为40.0m，油库开挖深度约为4.6m，其中油库基坑距离房屋最近处为5.0m，房屋西南侧为楼盘基坑，该基坑顶部的周长约为165.0m（底边约为132.4m），深度约为8.0m，营业厅建筑距离楼盘基坑最近处约为4.9m，针对现场情况，基坑采用钻孔灌注桩+土层锚杆支护的支护方式，围护桩直径φ800mm，平面图如图1所示。

2沉降变形控制标准

在基坑施工过程中，除了要保证基坑自身稳定性以外，还要保证基坑变形及施工扰动不会影响周围建筑物的正常使用要求，

根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）条文说明，工业与民用建筑地基土为中、低压缩性土时，相邻柱基的沉降差不能大于0.002x相邻柱基的中心距离（mm），因此，建议基坑开挖时加油站建筑物基础不均匀沉降控制在7mm以内。

基坑开挖深度为8m，根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）及《建筑地基基础工程施工质量验收标准》（GB 50202-2018），本楼盘基坑结构安全等级为二级，重要性系数为1.0.围护结构墙体最大位移监控值为8mm，地面最大沉降监控值为6mm。

3数值模拟计算

3.1模型参数

为了能够真实模拟基坑开挖对加油站建筑物的影响，根据相对位置关系及平面尺寸建立三维有限元模型，实际工程中楼盘基坑开挖深度为8.0m，油库开挖深度为4.6m，考虑基坑开挖影响范围为开挖深度的2-5倍，模型中地基尺寸为长×宽×高=118mx80mx40m，邻近房屋为长×宽×高=28mx4mx8m，按照实际工况分别进行油库和楼盘基坑开挖模拟，有限元数值模拟按照如下原则建立：

1）基坑内外土体均采用C3D8R实体单元，其本构模型采用摩尔一库伦模型;

2）基坑支护排桩的模拟利用刚度等效原理等效为地下连续墙，并采用壳单元;

3）建筑物结构采用线单元，对其赋予相应的截面尺寸和相关材料属性，建筑物与土体采用嵌入的方式与土体连接。

根据现场勘测，基坑场地内上部土层主要以杂填土为主，对模型赋予上述相应参数，土体参数如表1所示，建筑物结构参数如表2所示，所建立的有限元模型见图2.建筑物沉降测量点布置图如图3所示，油库及楼盘基坑开挖平面图及尺寸如图4所示。

3.2油库基坑开挖分析

结合油库基坑开挖的实际情况，在模拟中将基坑开挖过程划分为5个步骤进行，具体步骤如表3所示，基坑开挖不仅会使基坑本身产生变形，也会引起周围土体变形以及邻近建筑物沉降，由图5（a）和（b）油库基坑开挖后的水平位移云图可知，建筑物位于油库基坑开挖影响范围内，这与白海峰等学者研究得到的基坑开挖地表沉降主要影响范围一致;并且基坑x、y向最大水平位移接近，其最大水平位移为2.24mm，同时呈现出基坑临边中部水平位移最大，向两角逐渐减小的特点，从基坑变形影响范围的角度进一步分析可知，油库基坑位于建筑物偏右位置，在油库基坑一地基一临近建筑物的共同作用下，油库基坑上侧的水平位移影响范围远大于下侧：由图5（c）和（d）可知，基坑开挖产生的土压力差，使围护结构产生向基坑内侧的变形;由表4可知，油库开挖后建筑物最大沉降为1.05mm，表明建筑物距离基坑越近，建筑物地基沉降竖向沉降越大，建筑物与基坑间的荷载效应越显著。

根据测量点处建筑物沉降可知，油库开挖后建筑物最大沉降为1.05mm，建筑物最大沉降差为0.97mm，由地基变形控制标准可知，油库开挖使建筑物产生的不均匀沉降并未影响建筑物的正常使用。

3.3楼盘基坑开挖分析

进行楼盘基坑开挖，在模拟中划分為7个步骤进行，具体步骤见表5。

由图6和图7可知，楼盘基坑变形对周围地基的影响呈现出以基坑为圆心，向外均匀扩散的特点，基坑阳角处临边变形影响范围远大于阴角，此时基坑变形对周边建筑的影响程度增加，反映出基坑阳角为变形的敏感区域，并且由楼盘基坑开挖总位移云图可知，建筑物一侧地基变形影响范围远大于其余各支护面，这与上文中油库开挖后地基变形影响范围研究结果一致，在设计中，基坑要尽量减少出现阳角，并且在支护时要加强阳角部位的支护强度以及增加监测点的数量;由图8可知，在同一支护深度下，基坑临边最大水平位移随基坑宽度的增加而增大，并且楼盘开挖导致的基坑临边最大水平位移达到了171.50mm;在基坑围护结构变形方面，围护结构嵌入土体部分并未产生水平位移，最大水平位移出现在坑底以上支护结构的中部，这与吴昌将等学者研究结果一致，说明基坑临边变形时会发生土体沉降并产生向基坑内侧的挤压作用，这容易导致基坑围护结构中部的水平位移过大而发生破坏，因此需要将围护结构中部增加锚索或内支撑提高坑底以上围护结构的支护强度;由表6可知，楼盘基坑的开挖对建筑物沉降影响十分显著，节点1处沉降差为18.88mm，随着建筑物距离基坑开挖边缘距离的增加，基坑一地基一邻近建筑物间的相互作用随之减小，地表沉降也迅速减小，其中测量点1沉降量为18.95mm，测量点9沉降量为3.31mm，这表明基坑一地基一邻近建筑物间的相互作用越强，房屋基础差异沉降程度越明显，根据前述上文沉降变形控制标准可知，楼盘基坑开挖导致邻近建筑物下部地基产生的不均匀沉降量己超过最大变形控制标准，这与实际勘测中油库基坑开挖后邻近房屋墙体未开裂，楼盘基坑开挖后房屋开裂的情况相一致，详见图9。

综合油库和基坑施工过程中的基坑变形和建筑物地基不均匀沉降特征可知，邻近建筑物的不均匀沉降与基坑变形程度密切相关，基坑开挖会导致基坑围护结构和邻近地基变形，同时邻近建筑物会进一步加剧邻近地基的变形，最终导致房屋基础差异沉降过大产生坍塌，因此，在进行基坑施工时应加强对基坑临边以及周围建筑的监测，若监测值接近变形控制标准，立即对建筑物进行跟踪注浆加固处理。

4结论

通过ABAQus有限元分别模拟分析了广西某加油站油库和楼盘基坑开挖对加油站建筑物的影响，分析表明：本文建立的有限元模型与实际工程较为符合，能够对基坑开挖进行合理分析，并得出以下结论：

1）邻近建筑物地基的沉降与基坑临边变形量密切相关，建筑物距离基坑越近，建筑物基础差异沉降越大，并且基坑一地基一邻近建筑物之间的相互作用越强，基础差异沉降程度和影响范围越大;

2）基坑阳角处的水平位移量以及影响范围远远大于阴角，因此，在设计基坑开挖形状时要尽量避免阳角出现，并在施工时加强阳角部位的支护和监测强度;

3）基坑变形对周围的影响呈现出以基坑为圆心，向外均匀扩散的特点，并且基坑临边的最大水平位移出现在临边中部;

4）当支护处于同一支护深度时，基坑边缘最大水平位移与临边长度呈正相关，