基坑工程对邻近既有浅基础建筑物的影响分析.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology1978第 54 卷第 16 期 2023 年 8 月Vol.54 No.16 Aug.2023基坑工程对邻近既有浅基础建筑物的影响分析赵 彤（中铁十八局集团第二工程有限公司，064000，河北唐山）摘要：为了深入了解基坑降水、开挖、上部结构施工全过程引起邻近浅基础建筑的变形特性，以某高层住宅小区地下室基坑工程对邻近既有 3 层条形+筏形浅基础结构的影响为研究对象，分别从抽排降水、基坑开挖、上部结构施工角度分析对邻近既有建筑物变形影响。研究发现：随着基坑开挖深度加深，建筑物水平、竖向变形不断增加，且水平、竖向变形变化曲率基本一致，但水平位移呈现整体向基坑一侧变形的趋势，竖向位移呈现两端大中间小的马鞍形沉降形状；上部结构施工补偿了基坑土方开挖卸荷造成的土体应力释放，建筑物水平位移和竖向位移略有回弹，研究成果可为类似工程建设提供一定借鉴。关键词：基坑工程；浅基础；MIDAS；变形中图分类号：TU 473 文献标志码：B 文章编号：1000-4726(2023)16-1978-05ANALYSIS OF INFLUENCE OF FOUNDATION PIT ENGINEERING ON ADJACENT SHALLOW FOUNDATION BUILDINGSZHAO Tong(China Railway 18th Bureau Group No.2 Engineering Co.,Ltd.,064000,Tangshan,Hebei,China)Abstract:In order to deeply understand the deformation characteristics of adjacent shallow foundation buildings caused by the whole process of foundation pit dewatering,excavation and superstructure construction,this paper studied the influence of foundation pit engineering in the basement of a high-rise residential district on the adjacent shallow foundation structure with 3-story strip and raft,and superstructure construction.According to the research,as the excavation depth of the foundation pit deepens,the horizontal and vertical deformation of the building increases continuously,and the curvature of the horizontal and vertical deformation changes are basically the same,but the horizontal displacement shows a trend towards the side of the foundation pit as a whole,and the vertical displacement shows a saddle-shaped settlement shape with large ends and small middle.The superstructure construction compensates the soil stress release caused by the excavation and unloading of the foundation pit earthwork,and slightly rebounds the horizontal and vertical displacement of the building.The research results can provide some reference for similar engineering construction.Keywords:foundation pit engineering;shallow foundation;MIDAS;deformation近年来，随着城市开发建设进程的加快，土地开发建设过程中基本配有对地下室的需求。尽管地下室基坑支护施工工期短，属于临时性结构，但基坑土方开挖过程的卸荷作用可能对邻近既有建筑物产生变形影响，轻则可能引发建筑物出现裂缝，重则可能引发建筑物倒塌。基坑工程对邻近设施的影响基本遵循如下规律：（1）基坑开挖导致围护结构两侧土体压力的不平衡，进而造成围护结构变形；（2）围护结构变形导致邻近土体位移场变化；（3）在土体位移场作用下，邻近设施产生附加变形及附加内力1。国内外学者在基坑工程对相邻桩基础建筑物的影响方面已取得了相关成果，POULOS 等2采用三维有限元法分析了桩基与基坑间距、桩基刚度、桩基竖向荷载和约束条件等因素对桩身附加弯矩、位移的影响，并进行了影响因素评价分析；张爱军等3提出两阶段分析法，推导基坑开挖对邻近桩基侧向响应影响的数学解析解矩阵表达式；涂芬芬4采用结合数值和实测，研究了基坑开挖对邻近建筑物变形、倾斜和沉降影响。但目前研究中的既有建筑物大部分为桩基基础，自身抗变形能力较强。虽然基坑工程对既有建筑物为浅基础的影响也有一些研究，如张治国等5和王卫东等6分析了深基坑开挖对邻近浅基础沉降的影响规律，但相对较少，且多侧重于基坑开挖过程对邻近建筑物的变形分析，针对基坑降水土方开挖回筑全过程的研究收稿日期：20230702作者简介：赵彤（1992），女，辽宁阜新人，e-mail:1012987430 .2023 年 8 月1979赵彤：基坑工程对邻近既有浅基础建筑物的影响分析分析很少。本项目以某高层住宅小区地下室基坑工程对邻近既有 3 层条形+筏形浅基础结构的影响为研究对象，从抽排降水、基坑开挖、上部结构施工角度分析基坑工程对邻近浅基础既有建筑物变形影响，本研究可为类似工程建设提供一定借鉴。1 工程概况本项目为某高层住宅小区，共 9 栋住宅，占地面积约为 3.7 万 m2，设 12 层地下室。基坑西侧为既有建筑物，其与基坑边线最小水平距离约为 9.8 m，如图 1 所示。基坑开挖面积约为 2.9 万 m2，开挖深度约为 5.7810.08 m，既有建筑物正投影范围内基坑深度约为 6.03 m，采用 9001 100 钻孔灌注桩+三轴搅拌桩围护形式。9.80一层地下室区域浅基础建筑物一层地下室区域二层地下室区域支护结构外边线 地下室轮廓线图 1 基坑与既有建筑物平面关系既有建筑物为 3 层框架结构，基础为条形+筏形浅基础，如图 2 所示，基础持力层为 21 粉质粘土，承载力特征值为 f=140 kPa。2C2B2A条形基础筏形浅基础图 2 建筑物基础平面根据地质勘察资料，拟建场地属于阶地，地层揭露显示 22 粉质粘土为软塑，易受扰动，基坑由上至下依次为 11 杂填土、12 素填土、21 粉质粘土、22 粉质粘土、31 粉质粘土、32 粉质粘土混砂、4粉质粘土混卵砾石、51 强风化泥质粉砂岩、52 中等风化泥质粉砂岩。建筑物基础、基坑底分别位于21粉质粘土、22 粉质粘土，各土层的物理力学参数见表 1。表 1 土层物理力学参数土层名称堆积密度/（kN/m3）粘聚力/（kN/m2）摩擦角/（）渗透系数/（cm/s）11 杂填土19.010.016.05.0E0312 素填土18.814.013.05.0E0521 粉质粘土19.121.113.47.0E0722 粉质粘土18.815.014.05.0E0631 粉质粘土19.025165E0632 粉质粘土混砂19.126.016.85E044 粉质粘土混卵砾石20.021.019.05E0351 强风化泥质粉砂岩21.535.022.05E0652 中等风化泥质粉砂岩23.5100.030.01E026承压水主要赋存于 32 粉质粘土混砂和 4 粉质粘土混卵砾石中，上部 22 粉质粘土、31 粉质粘土以及下部基岩为隔水层。承压水富水性较强，以上部潜水垂向越流补给、地表水系的侧向径流补给为主要来源，以侧向径流形式为主要排泄方式。根据抗突涌验算，基坑水头需下降 5.58.0 m。2 基坑降水影响分析2.1 计算模型本工程基坑开挖期间控制水位至基坑开挖面下1 m，基坑理论安全水位控制要求见表 2。表 2 基坑理论安全水位控制要求部位开挖标高/m控制水位标高/m水头降深/m一层底板区域4.8703.4005.5一层塔楼区4.2703.4005.5二层底板区域2.4201.4207.48二层塔楼区1.8200.8208.08基坑除西侧存在敏感建筑物外，其余方位无建筑物。既有建筑物采用浅基础，坑外承压水水头变化易引发地层沉降，继而造成建筑物变形。本项目从安全和经济角度出发，近建筑物侧采用三轴搅拌桩止水帷幕，增加地下水绕流路径，其余地方未设置止水帷幕，从而基坑内降承压水期间，建筑物范围内承压水变化较小，既避免了全封闭基坑的经济浪费，也确保了基坑抽降承压水期间的安全，并通过 Visual MODFLOW 加以验证。降水分析几何模型如图 3 所建 筑 技 术第 54 卷第 16 期1980示。降水井及止水帷幕布置如图 4 所示。待建基坑降水井既有建筑物止水帷幕图 3 降水分析几何模型降水井止水帷幕图 4 降水井及止水帷幕布置示意Visual MODFLOW 软件主要是依据水文地质概念建立与之相适应的三维地下水运动非稳定流数学模型的7，采用有限差分法对模型进行离散，从而计算、预测降水引起的地下水位的时空分布。2.2 成果分析根据计算，基坑内地下水位降低至坑底以下 1 m时，坑外排水也随之发生变化。近建筑物侧由于设置了三轴搅拌桩止水帷幕隔断，对地下水位有明显的阻滞作用，该范围水位变化远小于其余未设置上水帷幕的位置，有效增加了降水绕流路径，降低了坑内抽排对坑外水位影响。建筑物处地下水水位最大降幅不超过 0.21 m，而未设置止水帷幕的水头降低约 1.0 m，说明增设止水帷幕措施可较好地保护既有建筑物周边地下水水位变化，不需要对基坑进行全封闭，避免了不必要的经济浪费。3 基坑施工对邻近既有建筑物影响三维分析3.1 分析模型本项目利用 Midas GTS 软件建立数值模型，模型尺寸为 400 m（长）300 m（宽）40 m（深），模型如图5、图6所示。支护桩采用壳单元模拟，冠梁、支撑和立柱采用梁单元模拟，9001 100 围护桩根据等刚度换算为 0.71 m 墙。既有建筑物基坑图 5 模型几何图既有建筑物基坑图 6 建筑物与基坑剖面关系采用土体弹塑性 MohrCoulomb 本构模型对土体进行钝化来模拟基坑开挖。模型四周约束其水平位移，模型底部边界约束其 X、Y、Z 方向的位移，地表为自由边界，土体参数见表 1，结构材料参数见表 3。表 3 结构材料参数项目名称材料弹性模量 E/GPa泊松比密度/（kg/m3）围护结构C 30 300.22 500建筑物板、柱C 35 31.50.22 500为了真实反映基坑施工过程对邻近既有建筑物的影响，模拟步骤与实际开挖步骤一致，先撑后挖，随挖随撑。施工步骤见表 4。根据 CJJ/T 2022013城市轨道交通结构安全保护技术规范综合确定基坑影响等级为一级，建筑物层高 15.12 m，其中设备夹层3.1 m、一层 3.4 m、二层 3.85 m、三层 5.07 m，建筑物变形控制标准见表 5。3.2 分析结果根据模拟分析可知，围护结构施工期间，既有建筑物产生的最大水平位移为 0.21 mm，发生在顶部；既有建筑物产生的最大竖向位移为 0.08 mm，发生在底部。相比之下，围护结构施工对建筑物水平位移的影响比竖向位移更大，围护结构桩基成孔期间，土体以侧向位移为主。根据模拟分析可知，基坑土方施工2023 年 8 月1981赵彤：基坑工程对邻近既有浅基础建筑物的影响分析表 4 施工步骤步骤施工内容1重力场初始化（地应力平衡）2既有建筑物（位移置零）3围护结构施工4开挖第 1 层土方5开挖第 2 层土方6开挖第 3 层土方7开挖第 4 层土方8施工基础筏板和上部结构表 5 建筑物变形控制标准项目变形控制值结构沉降/mm10结构上浮/mm5结构水平位移/mm5整体倾斜4期间，既有建筑物产生的最大水平位移为0.73 mm，发生在顶部；既有建筑物产生的最大竖向位移为0.41 mm，发生在底部。土方施工对建筑物水平位移和竖向位移的影响相当，对水平位移的影响略大一些。同时，水平位移呈现整体性，向基坑一侧变形；竖向位移呈现两端大中间小，沉降形状为马鞍形。图 7 为土方开挖从第 1 层到第 4 层各阶段既有建筑物变形曲线。从图 7 可知，随着开挖深度增加，建筑物变形水平、竖向变形不断增加，水平、竖向变形增加曲率分别为 25.9%和 28.1%，水平、竖向变形增加曲率基本一致。所以，土方开挖深度越大，邻近既有建筑物变形越大，降低开挖深度，能有效控制对相邻建筑物的影响。根据模拟分析可知，上部结构施工期间，既有建筑物产生的最大水平位移为 0.51 mm，发生在顶部；既有建筑物产生的最大竖向位移为0.32 mm，发生在底部。上部结构施工导致建筑物水平位移和竖向位移略有回弹，上部结构施工补偿了基坑土方开挖卸荷造成的土体应力释放。由以上分析结果可知，自施工基坑围护结构开始到基坑开挖至坑底，既有建筑竖向和水平位移逐渐发展，变形值依次增大，既有建筑竖向和水平位移最大值分别为 0.41 mm 和 0.73 mm；上部结构施工补偿了基坑土方开挖卸荷造成的土体应力释放，既有建筑竖向和水平位移均有减小，其最终最大竖向和水平位移分别为 0.32 mm 和 0.51 mm。0.80.70.60.50.40.30.20.10水平 竖向第 1 层第 2 层第 3 层第 4 层0.320.320.580.730.410.450.160.23既有建筑物变形数值/mm图 7 土方开挖各阶段既有建筑物变形曲线根据建筑层高计算，项目实施过程中既有建筑最大变形倾斜率为0.06 4，满足安全要求。基坑施工期间，采用人工监测方法对既有建筑竖向位移、水平位移、地下水位等参数进行了监测，监测范围为项目正投影段及两端各外扩 20 m，监测布置在既有建筑 4 个角部。根据实际项目实施期间监测结果（表 6）可知，施工期间既有建筑水平位移最大值为 1.1 mm，累计竖向位移最大值为 0.6 mm，地下水位变化1.2 m。监测结果与midas GTS（水平0.73 mm、竖向 0.41 mm）、Visual MODFLOW（1.0 m）数值模拟结果较为接近，也证明数值模拟能较好地反映基坑施工过程对既有建筑的影响。表 6 既有建筑监测值监测项目监测值（最大）水平位移/mm1.1竖向位移/mm0.6水位观测/m1.24 结论本文以某高层住宅小区地下室基坑工程对邻近既有 3 层条形+筏形浅基础结构的影响为研究对象，分别从抽排降水、基坑开挖、上部结构施工角度分析基坑工程对邻近既有建筑物变形的影响，可以得出以下结论。（1）既有建筑物侧设置一定范围止水帷幕隔断措施可较好地保护周边地下水水位，达到与全封闭措施同样的效果，避免不必要的经济浪费。（2）围护桩成孔引起应力释放，土体以侧向位移为主，该阶段对建筑物水平位移的影响比竖向位移更大。（3）随着开挖深度的加深，建筑物水平、竖向变形不断增加，水平、竖向变形曲率基本一致，既有建筑物变形与基坑深度相关。同时既有建筑物水平位移呈现整体向基坑一侧变形的规律，既有建筑物竖向位移呈现两端大中间小的马鞍形形状。（4）上部结构施工补偿了基坑土方开挖卸荷造成的土体应力释放，因而既有建筑物水平位移和竖向位移略有回弹。建 筑 技 术 Architecture Technology1982第 54 卷第 16 期 2023 年 8 月Vol.54 No.16 Aug.2023参考文献1 刘念武,陈奕天,龚晓南,等软土深开挖致地铁车站基坑及邻近建筑变形特性研究 J.岩土力学,2019,40(4):15151576.2 POULOS H G,CHEN L T.Pile response due to unsupported excavationinduced lateral soil movementJ.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,1997,123(2):9499.3 张爱军,莫海鸿,李爱国,等.基坑开挖对邻近桩基影响的两阶段分析方法 J.岩石力学与工程学报,2013,32(S1):27462750.4 涂芬芬.深基坑开挖对邻近既有建筑变形影响研究 J.土工基础,2022,36(1):58.5 张治国,赵其华,鲁明浩.邻近深基坑开挖的历史保护建筑物沉降实测分析 J.土木工程学报,2015,48(S2):137142.6 王卫东,徐中华.预估深基坑开挖对周边建筑物影响的简化分析方法 J.岩土工程学报,2010,32(S1):3238.7 李涛.基坑工程潜水涌水量研究及双井回灌参数化分析 D.天津:天津大学,2014.基坑开挖影响下邻近长江大桥双曲拱桥的 安全性能评价陈玉良1，李 丹1，杨 明1,2，童立元2，闫 鑫2（1.南京市公共工程建设中心，210019，南京；2.东南大学交通学院，210096，南京）摘要：通过两阶段模拟法对深大基坑开挖影响下的邻近南京长江大桥双曲拱桥进行了分步模拟计算。先通过有限差分软件计算基坑开挖对临近双曲拱桥基础的影响，求解最不利工况下的拱脚变形；再结合混凝土抗拉强度设计值计算4种工况下拱脚允许最大位移值，作为邻近基坑开挖影响下的双曲拱桥安全理论限值。关键词：南京长江大桥；双曲拱桥；深基坑；数值模拟；安全评价中图分类号：TU 744 文献标志码：A 文章编号：10004726(2023)16-1982-04SAFETY PERFORMANCE EVALUATION OF ADJACENT YANGTZE RIVER BRIDGE HYPERBOLIC ARCH BRIDGE UNDER THE INFLUENCE OF FOUNDATION PIT EXCAVATIONCHEN Yu-liang1,LI Dan1,YANG Ming1,2,TONG Li-yuan2,YAN Xin2(1.Nanjing Public Construction Center,210019,Nanjing,China;2.School of Transportation,Southeast University,210096,Nanjing,China)Abstract:The two-stage method was used to simulate the adjacent hyperbolic arch bridge under the influence of deep foundation pit excavation.The influence of foundation pit excavation on adjacent hyperbolic arch bridge foundation was calculated by finite difference software,and the arch foot deformation under the most unfavorable condition was solved.Combined with the design value of concrete tensile strength,the maximum allowable displacement value of arch foot under four working conditions was calculated as the theoretical limit value of safety of hyperbolic arch bridge under the influence of adjacent foundation pit excavation.Keywords:Nanjing Yangtze River Bridge;hyperbolic arch bridge;deep foundation pit;numerical simulation;safety evaluation随着城市的发展，各类基础设施增多，城市环境变得更加复杂，基坑施工近接既有桥梁的情况也日益增多。基坑的开挖卸荷会引起坑外土体的位移和应力发生变化，造成地面沉降和深层土体位移。在基坑开挖等工程活动影响下，邻近既有桥梁基础会发生附加位移，从而导致上部结构内力发生变化，当基础变形过大或结构内力超过材料强度时，桥梁的安全性会受到威胁，甚至发生整体破坏，造成极大的社会影响和经济损失。目前国内外学者关于基坑开挖对邻近桥桩的影响做了诸多研究17。鲁四平8以宁波南站改建工程为依托，对软土地区深基坑开挖影响下的高铁桥梁动、静力学性能和施工运营过程中的安全监测进行了研究。赵奎元9通过对合肥轨道交通 2 号线青阳路站深基坑进行数值模拟，反演了基坑开挖过程，探究了基坑开挖对周围环境和既有高架桥的影响。本文在前人研究的基础上，通过两阶段模拟法对基坑开挖影响下的双曲拱桥建立了安全评价体系，提出了变形收稿日期：20230428作者简介：陈玉良（1966），男，江苏江都人，高级工程师，硕士，e-mail:.