基坑开挖对周边建筑结构影响及破坏机理分析

摘要：近二十多年来，我国高层建筑发展很快，地下空间的充分利用，促进了基坑的发展。但深基坑工程目前仍然是岩土工程领域的热点和难点问题之一。在现阶段的基坑工程领域，仍是通过半理论半经验的方法，因此基坑事故时有发生，不仅会使基坑的稳定性受到影响，经济受损失，而且还会影响周边临近建筑物的安全，可能使与基坑相邻的周边建筑物或地下设施开裂，倾斜甚至倒塌，并发生人员伤亡，从而制约了深基坑工程的发展。

关键词：基坑开挖、周边建筑、影响、变形、框架结构

中图分类号： TV551 文献标识码： A

一、前言

近年来，随着深基坑工程的普遍应用，在实践中获得了大量珍贵的数据和经验，基坑的支护技术从理论到实践都有了很大的发展，比如一种新的基坑开挖支护技术―逆作法。适用于较深基坑及对周边变形有严格要求的基坑。但是由于现场地质条件复杂，天气条件难以预测，基坑支护失效屡有发生。支护措施一旦破坏，处理起来既费时又费力，不仅造成了重大的经济损失，而且周围环境造还会受到不同程度的不良影响，因此在设计阶段就要做好充分的准备工作，在城市建筑密集的建筑中开挖基坑，对基坑的稳定性有很大要求，要求其变形必须控制在严格的范围内，否则就可能会影响周围的建筑物或者地下管线。因此，我们必须研究基坑开挖过程中支护结构、周围岩土体的变形，周围建筑所受到的影响之间的关系。基坑出现的事故一般有：支护结构变形过大导致周围的地下管线的的破坏，基坑周围土移过大塌方或者滑坡，与基坑相邻的周边建筑因沉降的不均匀等原因导致建筑物的倾斜或者开裂甚至倒塌等。

二、基坑开挖对邻近建筑物内力变化分析

基坑开挖将引起坑周土移，邻近框架结构的柱下独立基础受土移的影响也产生相应变形，由于框架结构是很柔的多次超静定结构，对不均匀沉降比较敏感，比较小的不均匀沉降可能在结构内产生较大的内力变化。框架柱基础的不均匀沉降将在原结构内产生附加应力，导致结构内力重分布，因此基坑开挖引起邻近框架结构的内力变化是我们所要重点关注的。

1、基坑开挖引起的框架差异变形

对建筑物影响最为不利的不是绝对位移量的大小，而是位移差和沉降差。这里笔者主要探讨基坑开挖引起的邻近框架结构的沉降差和差异水平位移对框架结构内力的影响，找出其内力变化规律或者发展趋势，从而用来指导建筑结构设计和深基坑施工。同建筑物距离、不同支护方式下框架结构右边柱柱脚和左边柱柱脚的差异水平位移和差异沉降量如下表1所示。

表1 不同距离、不同支护方式下框架结构差异变形

2、基坑开挖对建筑物框架结构内力的影响

通过前面分析了解到深基坑开挖过程中相邻框架结构的变形发展规律，并定量得到了深基坑开挖至底后邻近框架结构的柱基差异变形。然而对于差异变形引起框架结构的内力变化规律还不清楚，故本节将重点分析深基坑开挖引起的邻近框架结构的内力变化规律。文中深基坑支护方式选取悬臂桩支护和桩锚联合支护这两种不同支护方式，每种支护方式下又分为建筑物距离基坑 10m、15m等两种情况。

（1）悬臂桩支护

相邻框架结构距离基坑10 米时，差异变形(包括基础不均匀沉降和差异水平位移)作用下的框架结构内力图如下图1所示。

图1 距离基坑10米框架结构变形图和内力

相邻框架结构距离基坑15米时，差异变形(包括基础不均匀沉降和差异水平位移)作用下的框架结构内力图如下图2所示。

图2 距离基坑15米框架结构变形图和内力

从上图分析可知，悬臂桩支护下，基坑开挖引起的相邻框架结构内力变化有如下规律：1)深基坑未开始时框架结构的弯矩图是左右对称的，且底层柱弯矩较小。开挖后，除底下两层外的各层梁、柱弯矩数值虽然有所变化，但弯矩图形状与未开挖前基本一致。而底下两层框架柱的弯矩变化很大，特别是框架结构底层边柱以及与边柱相连接的第一层楼面梁的端弯矩显著增大且弯矩反号。这是因为作有限元分析时框架结构梁柱节点为刚接，梁柱转角相同使得节点弯矩要平衡，而底层柱受水平位移的影响弯矩较大，故一层柱顶、二层柱底和一层楼面梁的弯矩都较大；2)剪力的变化同弯矩的变化规律，底层柱及二层柱的剪力变化较大；3)基坑开挖引起的框架结构的差异水平位移，使得框架结构第一、二层楼面梁的轴力显著增大，特别值得注意的是框架结构第一层楼面梁出现了较大的轴向拉力，这对抗拉能力较弱的混凝土结构是极为不利的。

三、基坑开挖对周边建筑结构破坏机理分析

在深基坑开挖过程中，周围建筑结构发生沉降、倾斜、开裂等破坏，不同的破坏类型存在不同的破坏机理，为进一步分析其破坏规律，本文对三种病害的机理进行分析。

1、沉降机理

在基坑开挖过程中，建筑结构自重对土产生附加应力作用。如图3所示，由于建筑旁的土体的自重应力将会产生主动土压力，在背离基础部位形成水平作用力，使得土基承载性能降低。再者，开挖基坑之后，原有地下水位线降低，基底内部土体的饱和度降低，静水压力作用会随之降低，土体的有效自重应力增大，可能引起下滑危险。地下水位下降后，由于孔隙率增大，基础对土基的压力作用没有改变，类似于排水固结试验原理，从而引起地表沉降。随着开挖深度的增加，地下水位逐渐降低，在此情况下，静水压力作用会逐渐减少，作用于土的直接应力会增大，从而使得地基沉降固结，固结前期沉降变化幅度和变化速度都相对较大，后期愈见缓慢，如果开挖深度基本恒定，沉降量增加到一定幅度后边界处于微小状态甚至停止沉降。

图3 开挖后土体受力与地下水位变化

2、倾斜机理

建筑结构发生倾斜是由于不均匀沉降引起的，在未开挖基坑的时候，随着开挖深度的变化，沉降量逐渐增大，距开挖基坑不同距离位置测点的沉降量各不相同。由于用于分析的建筑物基础测点位置距离开挖基坑边界尺寸不同，因此受到基坑开挖引起的影响程度不一样。基础沉降与距基坑开挖边界尺寸之间的关系如图4所示。

图4 开挖过程中基础沉降与水平位移

从图4可知，随着开挖深度的增加，开挖基坑坡面发生水平位移呈现先增大后减小的趋势，距离基坑边缘距离发生变化时，沉降量不同，0～10m 开挖深度时，其沉降量相对较小，开挖深度越大，沉降越大。

3、开裂机理

房屋建筑结构墙面甚至梁体发生开裂，是由于地基的不均匀沉降引起的。几个测点的高程变化使得建筑结构内部的应力重新分布。如图5所示，结构框架发生变形，局部下降幅度较大。在横向同样会产生应力分量，墙体内部发生拉伸剪切作用最终导致裂缝产生。

图5 应力重分布引起墙面开裂

建筑结构内部的应力重分布主要是由基础承载性能变化引起的，结构自身重力在内部形成大小不一、方向各异的作用力，导致墙面各处出现不同方向和长度的裂缝。

四、结束语

深基坑开挖采用了保护技术措施，有效地控制了深基坑的开挖变形，降低了对周边建筑的影响，确保了施工安全和环境安全。 根据该工程实例，结合以往其他大型基坑施工经验，笔者认为：

（1）邻近建筑的深基坑采用地下连续墙围护是一项较为适宜的措施，有效地减小了围护施工期间对周围土体的扰动，保护了周边建筑的结构安全。

（2）结合施工筹划与交通疏解，将长大基坑通过封堵墙分隔成较短基坑，可以有效控制基坑变形，减小地面沉降和周边建筑变形。

（3）坑内土体加固可以提高基坑内被动区土体强度，减小坑底回弹，保证施工安全性。

（4）软土地区基坑内降水能使土体保持干燥，便于施工；水位的降低也能使土体的有效应力增加、强度提高，有利于基坑的稳定。降水深度宜低于坑底约1m，当基坑需降低承压水头时，应遵循“按需降水”的原则，尽量减少降水量和降水时间，防止对环境产生过大的影响。

通过对建筑物进行专业监测和评估，判定其对变形的承受能力，确定了保护标准；通过信息化施工，对施工全过程进行监测及数据分析，可以为制订和实施周边建筑保护措施提供科学的依据。

参考文献：

[1] 魏飞：《浅析房屋建筑结构施工中常见问题》，《科技风》，2010年21期

[2] 陈志敏 欧阳康淼：《地铁站基坑开挖对相邻建筑物影响性分析》，《兰州交通大学学报》，2009年04期

[3] 李卫超 王伟 王瑞祥 杨敏：《上海基坑开挖引起地面沉降估算经验系数探讨》，《岩土工程学报》，2010年S2期

[4] 徐中华 王建华 王卫东：《软土地区采用灌注桩围护的深基坑变形性状研究》，《岩土力学》，2009年05期