基坑开挖对临近建筑沉降的影响分析

2024-04-08江西理工大学土木与测绘工程学院江西赣州341000

安徽建筑 2024年3期

周渊（江西理工大学土木与测绘工程学院，江西赣州 341000）

0 引言

随着现代化进程的不断推进，基坑有向规模更大、深度更深、周边环境更复杂方向发展的趋势，有学者将这一现象归为“大、深、紧”[1]。现如今的基坑工程大多位于建筑物密集段，与周边建筑物的距离日渐减小的同时尺寸规模却在逐渐扩大，基坑周边建筑物的安全问题不容小觑[2]。基坑开挖施工会对周围土体造成扰动，破坏地层的完整性，处理不慎可能会引起地面沉降塌陷以及临近建筑物的不均匀沉降，甚至倾斜破坏，对市民的正常生活造成不良影响，严重的情况下还会造成巨大的经济损失及人员伤亡。

为了更好地把握基坑开挖对临近建筑沉降的影响，选取影响建筑沉降的因素，基于这些影响因素在基坑开挖过程中对建筑沉降值的相关程度，确定主要影响因素，对基坑开挖深度和临近建筑的层数这两个主要影响因素进行进一步分析，探究其对临近建筑沉降的影响程度，研究成果将为其他实际工程提供参考，并且可以在基坑开挖工程开始前提前预判该工程的安全性，并为此做出合理的预防措施，对减少工程事故发生、确保基坑临近建筑的安全具有重要的参考价值。

1 临近建筑沉降影响因素灰色关联度分析

灰色系统理论是在1982 年由邓聚龙首创，一经诞生，立即受到国内外学术界和广大实际工作者的积极关注。邓氏灰色关联度理论是通过比较数据序列的曲线几何形状的接近程度来判断其联系紧密程度。通过对影响因素的数据分析，计算出各因素与目标值之间的关联性，通过关联性排序找出主要影响因素[3]。

对于不同土层的土体物理参数差异较大，造成基坑开挖的变形规律各不相同，故本文将2～3 倍基坑开挖深度范围内的土层进行加权[4]处理来体现差异。共选取了24 个基坑分析样本，其中x0为临近建筑的最大沉降量mm，7个影响因素分别为x1（临近建筑与基坑的距离m）、x2（基坑开挖深度m）、x3（支护结构插入比）、x4（土体重度γ）、x5（土体黏聚力c）、x6（土体内摩擦角φ)、x7（临近建筑的层数）。各项详细数据如表1所示。

表1 基坑开挖对临近建筑沉降的各影响因素值

运用邓氏灰色关联度方法，计算7个影响因素与临近建筑沉降的关联度，各关联度从大到小的排序如表2所示。

表2 各影响因素关联系数排序

由表2 可知，在7 个因素中，基坑开挖深度、临近建筑的层数、土体重度γ 和土体内摩擦角φ是引起临近建筑沉降的主要影响因素。

由于土体重度γ 和土体内摩擦角φ为土体的物理力学属性，很难通过人为进行改变，故以下通过对基坑开挖深度和临近建筑的层数改变，来探讨主要影响因素对建筑沉降的影响及规律。

2 有限元模拟

该基坑[5]开挖深度12～14m，实际开挖了8m，工程南侧15m 外有六层居民楼小区。施工场地较狭窄，开挖施工、弃土堆放等对周围环境及建筑物影响较大。

工程总体采用“土钉墙＋桩锚”支护结构形式，具体情况如图1 所示。基坑上部采用1：0.3 放坡开挖至2.2m，并设置了一排土钉墙支护，土钉成孔孔径为130mm，俯角为15°，间距为1.5m。下部设有C30 混凝土900mm×600mm 的冠梁及桩长15.8m，直径800mm 的护坡桩，桩间采用主筋为直径15.2mm 的1860 级预应力高压旋喷锚索支护，预应力为200kN。桩后为水泥搅拌帷幕桩，距护坡桩心距800mm。该工程属于黄河冲积平原，根据钻探揭露及室内土工试验，土体主要分为7 层，工程场区内勘探揭示有埋深10m 类型为孔隙潜水的地下水，根据该地区区域资料，地下水年变幅为2～3m，在施工中采用“止水帷幕+井点降水+明沟”的排水措施，支护结构采用“土钉墙+桩锚”。

图1 南侧基坑剖面图

随着施工的推进，在施工完第二排锚索时，建筑物前端地表已产生细微裂缝。裂缝灌浆后，在施工第三排锚索时位移发生较大变化，暂停施工，此时开挖深度为8m。

该工程基坑安全等级为二级，环境保护等级为二级。根据工程经验，基坑影响宽度范围为基坑开挖宽度的3～5倍，影响深度为开挖深度的2～4 倍。为简化计算，将模型取半建立，故将模型计算范围取为65m×30m，土体参数采用摩尔-库伦本构模型作为计算准则。该工程基坑围护结构采用止水帷幕插入基坑底部隔水层，在每层施工开挖前，地下水位已降至影响范围以外，故模型模拟过程中无需再考虑地下水影响。

对于复杂多变的实际施工环境，无法完全模拟出所有的影响因素，因此需要进行一些必要的基本假设。

①假定土体为均质的各向同性材料，地层和地面简化为水平层状分布。

②不考虑地下水在地下连续墙的渗流，且降水前，土体已经完成自身固结沉降。

③忽略基坑分层开挖所需的时间，并简化开挖过程为一次性整体挖除，不考虑施工过程对土体的扰动。

④模型仅考虑基坑开挖对居民楼小区沉降的影响，小区简化为条形基础，层数简化为每层取均布荷载15kPa，共取90kPa。

具体数值模拟的物理力学参数如表3、表4所示。

表3 土层物理力学参数

表4 材料物理力学参数

最终基坑开挖深度为8m，故结合实际支护结构形式，本文拟定的具体模拟步骤如下。

①工况一，开挖2.2m 至冠梁顶位置，施加土钉墙，继续开挖0.8m 至锚索工作平面。

②工况二，施加第一道锚索，继续开挖2.5m至第二道锚索工作平面。

③工况三，施加第二道锚索，开挖2.5m至基坑底部。

3 结果分析

图2、图3为基坑开挖前后土体的竖向位移云图，可知，在基坑边产生了较大的沉降，近基坑侧建筑沉降值为2.3mm，实测沉降为5.2mm，产生误差的原因可能有以下三个，第一，原文未给出支护参数数据，本文数据取自规范。第二，在基坑开挖宽度未知时模型取值为30m，该基坑第一次开挖时无任何支护保护，造成第一次开挖土体隆起过大。第三，未考虑弃土堆放的影响。

图2 开挖前土体竖向位移云图

图3 开挖后土体竖向位移云图

3.1 基坑开挖深度对沉降的影响

图4为开挖深度分别为2.2m、3.0m、5.5m 和8.0m 时，建筑平面上各测点的沉降变化。由图可知，开挖深度在3.0m 内时，建筑沉降量及两侧沉降差较小，分别为2.3mm 和2.9mm，然而随着基坑开挖深度的加深，沉降曲线越陡，倾斜程度越大，沉降差分别为13.9mm和35.8m，且远基坑侧出现轻微回弹，最大沉降值出现在远基坑侧附近。故对于3 倍开挖深度范围内的建筑已经开始出现较大的沉降差了，需要重点进行监测和保护。

图4 不同开挖深度下建筑的沉降

3.2 临近建筑层数对沉降的影响

通过提取基坑开挖8.0m 后，临近建筑各测点的沉降值来分析层数的改变对临近建筑沉降的影响，如图5 所示。由图可知，当建筑层数为3 层以内时，建筑两侧的沉降差较小，分别为8.6mm、8.7mm 和9.4mm。当层数大于3 层时，随着建筑周围土体所受荷载的增大，土层遭到破坏，沉降差也越来越大，两侧沉降差分别为14.3mm、24.4mm 和35.0mm，沉降曲线均呈明显的“勺型”，且远基坑侧沉降回弹更大，最大沉降值仍出现在远基坑侧附近。