朱 純 任亞坤 譚 鑫，3 徐培軍 周 康

（1.長沙市公共工程建設(shè)中心，湖南長沙 410023；2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙 410082；3.建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖南大學(xué))，湖南長沙 410082）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，城市中心用地日趨緊張，越來越多的深基坑工程位于既有建筑物周邊。基坑開挖卸載會改變周圍土體的應(yīng)力場和位移場，進(jìn)而導(dǎo)致既有建筑基礎(chǔ)產(chǎn)生差異沉降，引起建筑上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力。若建筑物的傾斜超過規(guī)范允許值，則其正常使用將受到嚴(yán)重影響[1-3]。淺基礎(chǔ)建筑物由于整體剛度低，抵抗變形能力較差，受深基坑開挖影響尤為嚴(yán)重[4-6]。許多研究者針對近鄰建筑物基坑開挖對地層變形特征的影響進(jìn)行過研究。韓健勇等[2]通過實(shí)測得出了鄰近建筑物深基坑開挖圍護(hù)樁的變形特征，并分析了建筑基礎(chǔ)埋深和圍護(hù)樁距離對基坑變形的影響。張治國等[3]基于Winkler 地基模型，將框架結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)簡化，得出了鄰近建筑物深基坑開挖坑外地表沉降解析解，研究了基坑開挖對建筑物沉降和內(nèi)力的影響。高 波等[7]探討了隔離樁和錨桿靜壓樁組合加固措施的保護(hù)作用。呂文龍[8]、劉念武等[9]基于實(shí)測資料，研究了基坑開挖對周邊建筑物變形的影響和建筑物沉降的時間效應(yīng)和空間效應(yīng)。信磊磊等[10]、梅 楨等[11]基于實(shí)際工程背景，采用數(shù)值模型研究了兩側(cè)基坑開挖順序?qū)ㄖ锏挠绊憽?/p>

但是目前研究較少考慮雙側(cè)非對稱基坑開挖對鄰近既有建筑物的影響。既有建筑物雙側(cè)非對稱基坑的不同開挖方式會導(dǎo)致既有建筑物兩側(cè)土體產(chǎn)生更為復(fù)雜的加卸載應(yīng)力路徑。相同設(shè)計參數(shù)下不同的開挖步驟對既有建筑的影響也大為不同。因此，本文依托某既有淺基礎(chǔ)建筑物兩側(cè)非對稱基坑工程，研究了不同開挖順序?qū)Φ貙幼冃翁卣骱蛯扔薪ㄖ镒冃渭皟?nèi)力的影響，明確了最優(yōu)施工方案。

1 工程概況

依托工程位于湖南省長沙市主城區(qū)，場地近鄰既有建筑物為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。建筑物平面形狀為長條矩形，建筑基礎(chǔ)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，埋置深度2～3 m。既有建筑南北側(cè)擬建三層地下室的人防工程項目，基坑開挖深度約為15～16 m。場地內(nèi)的第四系地層自上而下依次為：素填土、雜填土、粉質(zhì)黏土、圓礫、殘積粉質(zhì)黏土，下伏基巖為中元古界冷家溪群板巖。通過地質(zhì)勘察獲得了場地地層空間分布情況、特征綜述和室內(nèi)土工試驗(yàn)與原位測試指標(biāo)等結(jié)果，地質(zhì)鉆孔揭示的場地典型地層及室內(nèi)試驗(yàn)獲得的基本力學(xué)參數(shù)見圖1。根據(jù)擬建地下室的特征及巖土勘察結(jié)果，該基坑安全等級為一級?；娱_挖深度較深，且鄰近重要建筑物，基坑設(shè)計采用支護(hù)樁+預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合支護(hù)。北側(cè)基坑緊鄰既有建筑物，擬采用直徑為1.5 m 樁間距2.0 m 的C30 鋼筋混凝土支護(hù)樁；南側(cè)基坑采用直徑1.2 m 樁。鋼筋混凝土支護(hù)樁間均設(shè)置素混凝土咬合樁。

圖1 基坑與既有建筑概況圖

如圖1所示，兩側(cè)基坑支護(hù)樁上均設(shè)置五排預(yù)應(yīng)力錨索，最小預(yù)應(yīng)力鎖定值設(shè)為370 kN 以上。既有淺基礎(chǔ)建筑物對地層變形較為敏感，且近鄰南北兩側(cè)的非對稱基坑開挖可能對既有建筑產(chǎn)生不利影響。在工程項目施工過程前應(yīng)當(dāng)制定完善、可靠的施工技術(shù)方案，盡可能減少對近鄰建筑物的影響。

2 數(shù)值模型建立

2.1 數(shù)值模型

采用有限差分法程序FLAC，利用實(shí)體和結(jié)構(gòu)單元建立地基-基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)相互作用數(shù)值模型。參考依托工程的地層條件，將基坑與既有淺基礎(chǔ)建筑簡化為平面應(yīng)變問題（見圖2）?；觾?nèi)水平邊界取在其開挖中心線處，計算模型尺寸為120 m×35 m。模型側(cè)邊及底部均為簡支約束，地表為自由邊界。

圖2 數(shù)值模型

淺基礎(chǔ)既有建筑根據(jù)實(shí)際監(jiān)測尺寸采用Beam結(jié)構(gòu)單元建立框架結(jié)構(gòu)。框架結(jié)構(gòu)柱下獨(dú)立基礎(chǔ)以及基坑圍護(hù)樁則采用彈性實(shí)體單元進(jìn)行模擬。預(yù)應(yīng)力錨索采用Cable 結(jié)構(gòu)單元模擬，在施工過程的模擬階段考慮了預(yù)應(yīng)力錨索的張拉效應(yīng)，錨索設(shè)計參數(shù)見圖1?？蚣芙Y(jié)構(gòu)和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)材料變形參數(shù)按照原設(shè)計成果進(jìn)行簡化換算（見表1）。

表1 結(jié)構(gòu)模型參數(shù)

2.2 材料參數(shù)

根據(jù)地勘報告提供的巖土基本力學(xué)參數(shù)，并結(jié)合相關(guān)研究[12]提供的經(jīng)驗(yàn)取值方法，采取摩爾-庫侖模型模擬地層土體，各地層采用的模型參數(shù)見表2。

表2 土體本構(gòu)模型及基本力學(xué)參數(shù)

2.3 施工模擬及比選方案

根據(jù)既有建筑物南北兩側(cè)擬建人防工程深基坑開挖與支護(hù)實(shí)際情況，擬采用3 種施工方案考慮不同開挖順序進(jìn)行數(shù)值模擬研究。圖3所示流程圖為考慮不同開挖方式的三種施工過程數(shù)值模擬的具體計算步驟。首先需要進(jìn)行天然地層的自重地應(yīng)力場平衡，然后利用Beam 結(jié)構(gòu)單元生成既有建筑框架結(jié)構(gòu)，賦予結(jié)構(gòu)自重后再次平衡模型并進(jìn)行位移清零。根據(jù)不同的開挖方案對兩側(cè)基坑分別進(jìn)行開挖和支護(hù)：施工方案1 是先開挖遠(yuǎn)（南）側(cè)基坑至坑底，再開挖近（北）側(cè)基坑；施工方案2 是先開挖近（北）側(cè)至坑底，再開挖遠(yuǎn)（南）側(cè)基坑，施工方案3 是兩側(cè)基坑同時開挖。開挖和預(yù)應(yīng)力錨索錨拉交替進(jìn)行直至開挖至設(shè)計標(biāo)高。計算全過程記錄3 種不同方案地表沉降和圍護(hù)樁體變形特征，并進(jìn)行對比分析確定最優(yōu)開挖方案。

圖3 不同施工方案數(shù)值模擬過程

3 數(shù)值模擬結(jié)果

圖4分別顯示了各方案地層在兩側(cè)基坑均開挖完成后的位移場。在目前設(shè)計支護(hù)參數(shù)下各方案均能保證基坑安全，但不同方案引起的地層變形響應(yīng)不同，施工方法存在可優(yōu)化空間。水平位移最大值均出現(xiàn)在基坑支護(hù)樁體處，遠(yuǎn)側(cè)基坑支護(hù)樁最大水平變形出現(xiàn)在樁體中部，而近側(cè)基坑出現(xiàn)在樁體頂部?；觾?nèi)地層豎向位移主要表現(xiàn)為開挖引起的回彈，而坑外地層的豎向位移分布則明顯受到既有建筑物獨(dú)立基礎(chǔ)位置的影響。在鄰近建筑物柱下獨(dú)立基礎(chǔ)附近產(chǎn)生的豎向位移均較大，并且不同基礎(chǔ)沉降值并不一樣，出現(xiàn)了差異沉降?？拷h(yuǎn)側(cè)基坑方向的獨(dú)立基礎(chǔ)附近地層產(chǎn)生的豎向位移最大，建筑物出現(xiàn)了向遠(yuǎn)側(cè)基坑方向傾斜的變形趨勢。綜合對比坑外地層的變形情況，采用方案2 先挖近側(cè)后挖遠(yuǎn)側(cè)基坑的非對稱開挖方法對地層變形控制最為不利。

圖4 地層位移場結(jié)果

圖5為不同施工方案下最終圍護(hù)樁樁體水平位移隨埋深的分布曲線。遠(yuǎn)側(cè)基坑開挖后樁體水平變形呈鼓肚子形態(tài)，其水平位移最大值產(chǎn)生在圍護(hù)樁入土處附近；方案2 最大水平位移超過20 mm，其余兩種均控制在17 mm 以內(nèi)。近側(cè)基坑開挖后樁體水平變形呈上大下小的形態(tài)，最大水平位移均出現(xiàn)在樁頂處，方案2 位移最大，達(dá)到45 mm；其余兩種方案均控制在35 mm 之內(nèi)。模型三種方案計算的樁體最大水平位移處于0.1% ～ 0.3%基坑開挖深度內(nèi)，與文獻(xiàn)[2]統(tǒng)計的實(shí)測分布值相符。綜合模型計算得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移大小而言，方案3 對于限制樁體水平位移的效果最好，其次是方案1，方案2 將產(chǎn)生較大的樁體水平位移。

圖5 圍護(hù)樁水平位移分布

Ou、Hsieh 等[13]和Schuster 等[14]通過大量實(shí)測數(shù)據(jù)總結(jié)了基坑開挖造成的地表沉降，并提出了類似凹槽形的地表沉降經(jīng)驗(yàn)曲線。但經(jīng)驗(yàn)曲線無法考慮既有建筑物的影響。圖6顯示了不同方案下最終地表沉降的分布曲線。基坑開挖完成后，方案1 中地表沉降最大值為18 mm；方案2 地表沉降最大值為26 mm；方案3 地表沉降最大值為20 mm。對于坑外地表沉降的控制而言方案1 最優(yōu)，方案2 最差。圖6顯示既有建筑物的存在明顯改變了地表沉降曲線的形態(tài)，在靠近既有建筑獨(dú)立基礎(chǔ)位置的地表沉降均有所增加。尤其在靠近遠(yuǎn)側(cè)基坑的獨(dú)立基礎(chǔ)位置處沉降增加更為明顯，形成了更深的沉降槽。由于既有建筑物基礎(chǔ)埋深較淺，因此受到基坑開挖誘發(fā)地表沉降的影響比較大。尤其是淺層獨(dú)立基礎(chǔ)，不同基礎(chǔ)間會產(chǎn)生一定差異沉降。差異沉降導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)傾斜，引起其建筑重心發(fā)生變化，從而導(dǎo)致不同位置的獨(dú)立基礎(chǔ)產(chǎn)生一定的荷載重分布。荷載增大的獨(dú)立基礎(chǔ)下產(chǎn)生更大的基底附加壓力，并進(jìn)一步誘發(fā)附加沉降，從而加深了獨(dú)立基礎(chǔ)處的地表沉降槽。參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007-2011）[15]可確定各類建筑物傾斜容許變形值。根據(jù)建筑形式高度等條件得到本工程既有建筑最大容許基礎(chǔ)傾斜率為0.003，而本文模型計算基礎(chǔ)傾斜率最大出現(xiàn)在方案2 中，僅為0.001，因此近鄰建筑在既有各施工工況下的不均勻沉降均滿足設(shè)計規(guī)范要求。其中方案1 和方案3 產(chǎn)生的基礎(chǔ)傾斜率較小。

圖6 地表沉降分布

基坑開挖完成后圍護(hù)樁體豎向應(yīng)力分布見圖7。由于基坑開挖，一側(cè)土體卸荷，導(dǎo)致坑外土體的土壓力全部作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上。作用在圍護(hù)樁上的壓力隨埋深逐漸增大，因此最大樁體彎矩均出現(xiàn)在基坑坑底上方位置。樁體入土后，可以觀察到受壓區(qū)位置與上方樁體出現(xiàn)差異，因此樁體彎矩在入土處將出現(xiàn)反彎。圖7顯示3 種不同施工方案圍護(hù)樁受力差別不大。

圖7 圍護(hù)樁樁體豎向應(yīng)力分布

基坑開挖完成后建筑物結(jié)構(gòu)柱彎矩分布見圖8?？梢钥闯觯ㄖ飪蓚?cè)底層的結(jié)構(gòu)柱彎矩值和基坑未開挖前相比有了顯著提高，由于基坑開挖造成建筑物基礎(chǔ)不均勻沉降從而引起上部結(jié)構(gòu)傾斜使結(jié)構(gòu)柱內(nèi)力發(fā)生了變化。三種施工方案產(chǎn)生的最大附加彎矩均出現(xiàn)在靠近北側(cè)基坑處的結(jié)構(gòu)柱外側(cè)，這與圖6所示的建筑物傾斜方向是一致的。和未開挖結(jié)構(gòu)柱彎矩對比，方案3 產(chǎn)生的附加彎矩最小，方案2 最大，方案1 居中。

圖8 既有建筑結(jié)構(gòu)柱彎矩分布

綜合分析三種不同施工方案中樁體最大水平位移、坑外最大地表沉降、既有建筑物最大傾斜率、建筑結(jié)構(gòu)最大附加彎矩。先開挖近（北）側(cè)基坑的方案效果在三種方案中最為不利，而先開挖遠(yuǎn)（南）側(cè)基坑的方案與兩側(cè)同時開挖方案的效果類似。考慮到兩側(cè)深大基坑同時開挖需要同時占用大量人力和資源，在實(shí)際工程中難以實(shí)施，故可優(yōu)先選擇方案1。

4 結(jié)論

（1）既有淺基礎(chǔ)建筑物的存在會影響基坑開挖引起的坑外地表沉降曲線，基坑的開挖會引起坑外地表不同區(qū)域產(chǎn)生不同的沉降導(dǎo)致建筑物上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾斜，引起建筑物基礎(chǔ)下的地基附加應(yīng)力重分布，進(jìn)而加劇建筑物基礎(chǔ)差異沉降。因此，在近鄰建筑物基坑開挖對地表沉降預(yù)測計算時有必要考慮建筑物與地基的共同作用。

（2）雙側(cè)基坑同時開挖對控制圍護(hù)樁水平位移效果最好，首先開挖遠(yuǎn)側(cè)基坑再開挖近側(cè)基坑對坑外地表沉降和建筑物傾斜影響最小。因此合理制定基坑開挖順序能有效減小對地層和既有建筑物的影響。在考慮施工條件、基坑開挖對地層及建筑物變形影響等因素的情況下，應(yīng)優(yōu)先施工遠(yuǎn)側(cè)基坑，后施工近側(cè)基坑。