随着城市建设的大规模发展, 建筑规模逐渐向高空和地下发展, 深基坑的开挖逐渐受到人们的重视。城市深基坑工程往往处于建筑物、道路和地下管线等设施的密集区, 施工场地狭小, 深基坑工程的开挖必将改变周围土体原有的应力场, 导致支护结构向基坑内侧产生位移, 较大的水平位移最终导致基坑周围地表发生沉降, 并对周围建筑物产生影响。

临近建筑物的存在是基坑工程所面临最普遍的问题^[1]。有研究表明, 深基坑开挖对于浅基础建筑物影响较明显, 特别是一些砖砌体房屋在严重情况下会开裂、倾斜, 影响其正常使用^[2]。而对于桩基础的高层建筑, 由于其自重大并将上部荷载直接传递至深层土体, 故对桩基础建筑物的影响考虑较少。另一方面, 建筑物的存在也对深基坑的变形带来影响。

国内外相关学者已经对深基坑工程围护结构的变形与内力及其对临近建筑物影响问题进行了研究。王翠等^[3]研究了深基坑开挖对临近桥桩的影响机制及控制措施, 马威等^[4]采用数值模拟方法研究了深基坑开挖对临近建筑物的影响, 李志伟^[1]研究了临近建筑物对软土地基深基坑变形的影响。

为了解基坑开挖与临近建筑物之间的相互影响, 本文将深基坑、支护结构及周边建筑物置于一个系统中, 充分考虑了基坑变形与临近建筑物变形的相互耦合关系^[1], 运用有限差分FLAC^3D软件对基坑开挖全过程进行数值模拟, 研究深基坑开挖对临近建筑物的相互影响效应, 提出了控制建筑物沉降的措施, 为相似工程研究分析提供可行的研究方法^[5]。

该基坑为某地下商城的部分区域, 附近地面交通流量大, 地下管线和周边建筑物较密集, 基坑东侧为1条正在使用的市政公路, 南侧有1栋4层砖混结构居民楼, 基础为条形基础, 基础地面埋深1.5m, 且距离基坑较近, 对地层位移比较敏感。该基坑标准段宽23.4m, 开挖深度为15.5m, 采用明挖顺作法施工。基坑围护结构采用1 000mm@1 200mm的钻孔灌注桩和内撑体系, 桩间采用钢筋网加喷射混凝土找平, 桩顶设置钢筋混凝土冠梁。灌注桩长度约为22m, 嵌入深度为6m, 其中第1道支撑为800mm×1 000mm钢筋混凝土支撑, 水平间距9m, 冠梁作为第1道钢筋混凝土支撑, 第2, 3道钢支撑采用609×16钢管并施加预紧力, 水平间距3m, 在角部使用斜撑。

根据地质勘察报告, 该基坑所处区域的地表层主要为第四系的冲洪积物, 弱可塑状粉质黏土及粉土, 中密到密实粉细砂互层, 基岩为泥岩, 粉砂泥质结构, 裂隙发育。地下水位位于地表以下9.5~10.5m。为简化起见, 将土体模型进行概化分为5层, 主要土层物理力学参数如表1所示。

本文的数值分析中选取周边典型的浅基础建筑物进行建模分析。本文选取基坑开挖最大宽度为24m, 开挖深度为16m, 模型尺寸为180m×95m×36m (长×宽×深) , 如图1所示。模型侧面边界采用法向约束, 底面边界采用固定约束, 围护桩按照抗弯刚度相等的原则等价为一定厚度 (t=0.8m) 的地下连续墙进行内力分析。围护桩和土体采用实体单元模拟, 钢筋混凝土支撑和钢支撑采用梁单元模拟, 钢筋混凝土支撑的弹性模量E=30GPa, 泊松比v=0.17, 钢支撑的弹性模量E=200GPa, 泊松比v=0.3。本文将临近的居民楼简化为由柱和梁组成的4层4跨框架, 层高3m, 每跨6m, 建筑物距基坑边缘5.5m。为简化分析, 建筑物只考虑自重, 假设基础地面位于地表, 基础底面与土体共用节点, 协调上部结构、基础及土体变形^[4]。本文将临近建筑物简化为荷载施加在基础对应的地表上^[6], 每层荷载按20k Pa考虑, 则居民楼总荷载为80k Pa。土体采用Mohr-Coulomb本构模型, 土体按照表1进行参数设置。在基坑开挖前已经进行了基坑降水处理, 因此不考虑地下水对基坑围护结构变形的影响。

结合基坑开挖的具体施工工序, 本文对施工过程的模拟分为7个工况 (见表2) 。

图2为桩体水平位移模拟值和实测值对比。由图2可知当基坑开挖至基底时, 围护桩水平位移模拟值和实测值吻合较好, 表明模拟值能够很好地反映实测值的变化。临近建筑物一侧围护桩的最大水平位移模拟值为28.1mm, 实测值为26mm, 两者接近, 且都位于13m处。有研究指出^[7], 对于具有多道内支撑的基坑, 每个工况下, 围护结构的最大变形位置一般位于开挖面附近, 因此, 基坑开挖完成时桩体最大变形位置亦位于开挖面附近。桩底水平位移模拟值为10mm, 小于实测值15mm, 分析原因为:实际施工时, 由于降水和施工扰动导致坑底土体产生塑性破坏, 土体强度降低。远离建筑物一侧的桩体位移实测值和模拟值相差较大, 但可控。原因为影响桩体位移的因素很多, 数值模拟只是在理想的环境下进行的, 未考虑施工机械、时空效应等的影响。

在坑外临近建筑物的影响下, 临近建筑物一侧的围护桩水平位移模拟值和实测值明显大于远离建筑物一侧的桩体位移。同时, 在对撑的推挤作用下, 远离建筑物的围护桩顶部向基坑外侧移动, 致使地表隆起。

图3为基坑开挖完成后地表沉降位移。由图3可知, 基坑开挖改变附近土体位移场的范围主要发生在基坑外侧2倍开挖深度范围内。由于坑外地表沉降量随远离基坑的距离增加而显著降低, 导致结构发生整体倾斜。建筑物基础距基坑最近的位置地表沉降最大, 模拟值为15.2mm, 相应位置处建筑物实测沉降值为13.5mm, 相差不大。建筑物基础两侧的最终沉降差值为13mm, 建筑物长度为24m, 对应倾斜率为0.5‰, 而实测建筑物的倾斜率为0.4‰, 相差不大且都在允许范围内, 表明数值模拟结果符合工程实际, 数值模拟方法能够用于基坑工程的动态设计。分析建筑物基础沉降的实测数据, 可知条形基础沉降曲线呈直线变化, 表明刚性基础对上部结构的不均匀沉降有一定抑制作用。由图3可知, 远离建筑物一侧地表沉降模拟曲线与实测曲线变化趋势一致, 两者最大值相差3mm, 都约位于0.5倍坑深处, 与Hsieh^[1]的研究结论一致。

对比分析基坑两侧的地表沉降曲线可知, 由于临近建筑物的影响, 临近建筑物一侧地表沉降模拟值和实测值明显大于未有建筑物的地表沉降值, 且两者地表沉降最大的位置有所差别, 相比之下, 临近建筑物侧的地表沉降最大的位置更接近围护桩体。综上可知, 虽然建筑物的存在致使坑外地表沉降增大, 但减小了沉降的分布范围。

文献[3]指出:假设基坑施工过程中降水不影响周围地下水的变化, 可得基坑周围土体的位移完全由围护桩的变形引起, 因此, 可以采用不同的工程措施来控制围护桩变形, 进而研究基坑开挖对临近建筑物基础沉降的影响。

本文从改变钢支撑的刚度、围护桩的刚度2方面来研究基坑开挖对临近建筑物基础及围护桩体变形规律的影响。

围护桩刚度的影响主要取决于等价的地下连续墙厚度。因此将墙体厚度分别取0.8, 1, 1.2m进行计算, 绘制地表沉降值及桩体水平位移值与地下连续墙厚度变化的关系曲线, 如图4所示。由图4可知, 围护墙墙厚的增加不仅对减小桩体水平位移作用明显, 也一定程度上控制了坑外地表沉降。当围护墙厚度从0.8m增加到1.2m时, 其最大水平位移值减小了30%, 此时地表沉降最大值也减小了23%。因此, 适当提高围护结构刚度可以减小其水平位移, 但刚度到达一定程度时, 继续增大其刚度对减小围护结构水平位移的作用很小^[8], 亦对减小建筑物基础沉降的作用小, 同时会增加成本。

将本例中的第2道和第3道钢支撑的刚度分别取为2EA, 4EA进行模拟计算, 并与初始模型结果进行对比, 绘制地表沉降值及桩体水平位移值与支撑刚度变化的关系曲线, 如图5所示。由图5可知, 各刚度条件下所对应的桩体水平位移最大值分别为28.1, 26, 25mm, 对应的地表沉降最大值为15.5, 14.2, 13.4mm。可知, 随着支撑刚度的增加, 桩体水平位移和地表沉降均有所减小, 但减小幅度不大。支撑刚度增大一定程度后, 此时, 建筑物基础的沉降主要由围护结构刚度和桩体嵌入深度等控制。因此, 试图通过增大内支撑刚度的措施来控制基坑变形和地表沉降的方法作用不明显。

为了解地表沉降与桩体位移之间的关系, 结合基坑开挖几个关键施工过程, 绘制地表沉降最大值与桩体水平位移最大值的关系曲线, 如图6所示。由图6可知, 整条曲线大致可以用y=kx来拟合, 考虑施工因素的不确定性和地质条件复杂性, 提出了经验系数k=0.55。对比实测数据, 基坑开挖在各工况下的桩体最大水平位移值和地表最大沉降值, 如表3所示, 可知该公式符合工程实际, 进一步验证了公式的实用性。换句话说, 在与该区域地质条件等相近的区域内, 在用弹性地基梁法或有限元法求得围护结构最大水平位移值的前提下, 可以预估坑外地表沉降最大值, 对实际施工有一定的指导作用。

1) 研究了深基坑开挖对临近建筑物的影响。基坑开挖卸荷导致土体应力重分布, 致使基坑周围土体产生水平和竖向位移, 进而使基坑临近建筑物基础发生不均匀沉降, 建筑物产生倾斜。另一方面, 周围建筑物的存在也增大临近一侧建筑物支护结构的水平位移, 一定程度上减缓了远离建筑物一侧的桩体水平位移向基坑内侧发展趋势。

2) 建筑物的存在增大临近建筑物一侧的地表沉降值, 改变了地表沉降最大值的位置, 减小了基坑开挖引起地表沉降的范围。

3) 分析了支护结构刚度、支撑刚度对减小支护结构水平位移及周围地表沉降的作用效果。数值模拟结果表明, 增大支护结构刚度明显改善了减小桩体水平位移和地表沉降, 是一种行之有效的措施, 增大支撑刚度不是显著的影响因素, 总体来说增加支护刚度能够在一定程度上减小建筑物的沉降。

4) 基坑围护结构水平位移最大值与坑外地表沉降最大值之间的关系曲线大致可以用y=kx进行拟合, 在基坑进行设计时, 可以根据此公式来预测周边建筑物的沉降值, 确定最佳支护方案, 以期在基坑开挖时做好防范措施。