深基坑周围建筑物的沉降控制研究

齐维鹏

（中铁十八局集团第四工程有限公司， 天津 300350）

1 引言

施工深基坑的过程会扰动周围土体， 但基坑周围建筑物抵抗差异沉降的能力有限， 若变形超出限制值， 就会导致建筑物出现沉降变形或破坏坍塌等［1］。 因此， 需要对深基坑开挖时周围建筑物的变形情况进行分析探讨。 当前， 已有较多学者对基坑施工与建筑物沉降间的联系进行研究，如国外的Terzaghi 等人研究了基坑施工对周围土体位移的影响规律， Laefer 等人研究了基坑围护结构与周边土体产生变形时对周边建筑物的影响， 国内的王照宇等人对基坑周边地表沉降曲线开展了研究， 郑刚等人通过有限元模拟的方式研究了在不同基坑高度下施工时房屋的变形。 本文在前人的研究基础上， 以某深基坑为研究对象，通过有限元分析的方式， 对深基坑周围建筑物的沉降控制开展研究。 以期为后续类似工程提供参考。

2 项目概况

越城区曲屯1 号地块3 标段项目位于越城中心城区北侧， 解放大道西端， 西侧为曲屯路， 北侧为溢香路， 东边为解放大道。 本工程建筑面积126649.8m2， 地下建筑面积 23093m2， 地上建筑面 积 103556.8m2（ 1#、 2#、 3#、 4#、 5#、 7#、8#、 13#）， 拟建建筑物为 8 幢 26 层的高层建筑物。 全场设一层地下室/局部二层， 拟采用框架-剪力墙结构、 桩基础， 如图1 所示。 基坑西北侧有一五层高的楼房， 该建筑物与基坑围护有14m的距离， 长度为107m， 宽度和高度分别为15m和16m。 楼房所用基础形式为桩基础， 桩顶有-2.7m 的标高以及37m 的长度。

图1 工程示意图

3 有限元分析

3.1 有限元模型

使用板单元对地连墙以及底板进行模拟， 使用梁单元对钢筋混凝土支撑进行模拟， 采用钢支撑对锚杆单元进行模拟， 使用嵌入式桩单元模拟建筑物桩基， 使用实体单元模拟桩承台。 以正四面体单元生成结构和土体单元网格， 使用GOODMAN 单元模拟接触面， 网格划分有0.5 的粗糙度。 模型四个侧面的边界条件均为法向约束， 底面和上表面分别为完全约束和自由。 因本文主要研究基坑开挖与建筑物沉降之间的联系，而基坑右半边与所研究对象存在较远的距离， 施工时对建筑物的影响较小， 因此在模型建立时本文仅选取一半作为分析模型， 以用较小的模型对更大范围对象进行模拟， 使计算效率得以提高。简化三维模型如图2 所示。

图2 简化后三维模型示意图

3.2 合理性验证

通过对比实测数据以对模型可行性进行验证。

由图3 可知， 从墙体水平位移图可以看出，数值模拟结果与实测值接近， 而实测数据中的拐点原因可能是施工质量等所导致。 从建筑物沉降图可以看出， 模拟结果和实测值有着基本一致的规律， 当开挖进行到坑底时， 建筑物沉降保持基本稳定， 说明模型建立具有可行性。

图3 数据对比分析

4 建筑物变形分析及控制措施

在所建立模型的基础上， 对基坑内加固体与建筑物沉降的联系开展研究［2-3］。 此处均布荷载以100Kpa 进行加载， 在基坑内底面往下6m 深度采用满堂加固。 加固体参数如表1 所示， 总体布置如图4 所示。

表1 加固体参数

图4 总体布置图

4.1 加固体刚度

在开挖到基坑坑底时， 建筑物周边地表在未加固工况下有35.51mm 的沉降最大值， 建筑物有29.77mm 的沉降最大值； 而在进行满堂加固的条件下， 建筑物周边地表有13.07mm 的沉降最大值， 相比于未加固的工况约减小了63.1%，建筑物有11.54mm 的沉降最大值， 比未加固情况约减小了61.1%。 表明通过在基坑坑底进行满堂加固能够对建筑物周边地表沉降起到很好的抑制作用， 使建筑物沉降得到有效控制［4］。 基坑坑底加固前后变形图如图5、 图6 所示。

图5 基坑坑底未加固变形图

图6 基坑坑底加固后变形图

为进一步开展研究， 对深度为22.7m 的加固体在不同刚度条件下对建筑物沉降的影响进行研究。

由图7 可知， 建筑物沉降与加固体刚度有较大联系， 建筑物在基坑坑底未加固时有29.77cm的沉降最大值， 建筑物在加固体刚度达300Mpa时有8.88cm 的沉降最大值， 约有70%的减小。表明建筑物沉降可通过提高加固体刚度的方式进行抑制。 当加固体刚度从0 上升至75Mpa 时，建筑物沉降曲线变化趋势较陡， 建筑物沉降曲线在加固体刚度从150Mpa 上升到300Mpa 时变化趋势较平缓， 相比于未加固的工况， 在加固体刚度达75Mpa 时建筑物基础最大沉降值降低了42.1%， 在刚度达150Mpa 建筑物基础最大沉降值降低了61.1%， 在刚度达300Mpa 建筑物基础最大沉降值降低了70.1%， 综上可知， 虽然可以通过提高加固体刚度的方式降低建筑物基础最大沉降值， 但在加固体刚度提升至一定值时， 再通过提高加固体刚度的方式来抑制建筑物最大沉降所起到的效果较差， 在本项目中， 加固体刚度可定为150Mpa， 即能对建筑物基础沉降起到有效的抑制作用， 又在一定程度上节约成本。

图7 建筑物基础在加固体刚度不同时的最大沉降曲线

4.2 加固体宽度

在22.7m 的加固体深度和150Mpa 的加固体刚度的基础上， 探讨建筑物基础最大沉降值与加固体在不同宽度条件下的关系［5］。

由图8 可知， 建筑物基础在b=0， 即未进行加固之前有29.77mm 的沉降最大值， 在加固体宽度b=5m 且是位于远离建筑物一侧时， 建筑物基础有27.69mm 的沉降最大值， 约降低了7%； 在b=5m 且位于靠近建筑物一侧时， 建筑物基础有21.59mm 的沉降最大值， 约降低了27.4%； 但在b=20.3m， 即进行满堂加固时， 建筑物基础有11.53mm 的沉降最大值， 约降低了 61.19%。 说明建筑物基础在越大的加固体宽度下有越小的沉降最大值， 加固靠近建筑物的一侧能够使建筑物基础沉降最大值得到控制。

图8 建筑物基础在加固体宽度不同时的差异沉降曲线

建筑物基础在加固体宽度为5m、 10m 以及20.3m 时分别有 3.73mm、 4.03mm 以及 1.24mm的不均匀沉降值， 在b=0 时有1.51mm 的不均匀沉降值。 相比于未加固的工况， 在b=5m、 10m以及20.3m 时， 建筑物基础的不均匀沉降约是其2.5 倍、 2.7 倍以及 0.8 倍。 结果说明建筑物基础的不均匀沉降可以通过满堂加固进行有效控制，但若不采用满堂加固， 当加固宽度从0m 提高至10m 时， 建筑物的不均匀沉降随着不断增加的加固宽度表现出不断增长的规律， 且比起b=10m的工况结果， 建筑物基础沉降在b=20.3m 约有70%的减小， 表明比起抽条加固， 采用满堂加固更优［6］。 在 10m-20.3m 的宽度范围内， 加固体存在一临界宽度， 建筑物基础的差异沉降在此宽度下最优， 故实际施工时， 设计人员应对其进行计算以确定最优宽度， 确保在对建筑物基础沉降进行控制的同时， 又保证经济性。

4.3 加固体深度

建筑物基础沉降与加固体深度有较大联系，建筑物基础在12m 的加固体深度下有7.64cm 的沉降最大值， 比起未加固工况约降低了74.2%。说明建筑物基础沉降可通过加深加固体深度的方式进行控制。 不同加固体深度下建筑物基础最大沉降曲线如图9 所示。

图9 不同加固体深度下建筑物基础最大沉降曲线

建筑物基础在 3m、 6m、 9m 以及 12m 的加固体深度下分别有18.16mm、 11.54mm、 9.03mm以及7.64mm 的沉降最大值， 比起未加固工况，分别降低了约38%、 61%、 70%以及74.2%。 说明加固体深度增加时建筑物基础最大沉降值有所减小， 但在5.5m 的深度之后， 建筑物基础沉降最大值与加固体深度的联系较小。

5 结语

周边建筑物在开挖基坑时难以避免会有沉降出现， 通过上述分析可知， 建筑物沉降与基坑开挖存在一定联系。 综上分析可知， 在150Mpa 以上的加固体刚度或5.5m 以上的深度时， 继续增加加固体刚度或深度对建筑物基础沉降的影响较小， 且相比于抽条加固， 采用满堂加固更具优势。 因此， 针对类似工程可通过加固基坑被动区土体的方式对基坑周边建筑物变形进行控制， 加固时可考虑使用150Mpa 刚度以及5.5m 深度进行满堂加固。