不同围护结构变形形式的基坑开挖对邻近建筑物的影响对比分析

Abstract: For a given excavation depth, the deformation forms of the retaining walls are different owing to various retaining structures and bracing systems. Thus the settlement of the soil and the deformation of the adjacent buildings can be considerably different. The responses of buildings adjacent to excavations with different deformation modes of retaining walls are analyzed. The results show that when the retaining walls exhibit kick-in, convex and composite deformation, for the buildings close to the excavations, sagging deformation occurs and its magnitude depends on the settlement of the soil near the retaining walls. Especially for the kick-in and convex deformation modes of the retaining walls, the sagging deformation is the most significant and the tensile strain on the buildings is severe. In this case, the buildings are in the most adverse situation. For any deformation modes of the retaining walls, when the relative distance between the buildings and the excavations is about (1~1.5) times the excavation depth, the excavations will cause obvious hogging deformation and the tensile strain of the buildings. All the buildings at that location are in most adversity. Key words: excavation; retaining wall; deformation mode; building
0
引
言
在基坑工程施工过程中，其周边环境保护的关键 在于要建立建造过程中对环境影响的控制标准，而基 坑工程建设对周围环境的影响可用其造成周围地层位 移及影响范围内的建（构）筑物、道路、管线、相邻 城市地下工程的位移及由此引起的附加应力来衡量。
故对基坑周边环境的保护，以及确保地下工程建造工 程中的安全，都需要首先确立地层和结构（包括拟建 地下工程结构本身及相邻的其它既有结构）变形、变
2
天然源自文库表沉降
图 2 建筑物尺寸示意图 Fig. 2 Dimension of buildings
如前文所述，在实际工程中，基坑邻近建筑物的 刚度各异，尤其是对于老旧的历史建筑物，很难准确 地评估建筑物的整体刚度，因此，为了更好地反映建 筑物的整体变形性状，本文在建立建筑物精细化模型 的基础上，通过调整建筑物在自重作用下所产生的不 均匀沉降来反算建筑物的墙体刚度。 根据以往学者的研究成果[16]可知，对于黏土地层 中产生下凹挠曲变形的砌体结构，当长高比小于3时， 其容许挠度比为0.4‰；当长高比大于5时，其容许挠 度比为0.67‰～0.71‰。此外，由《建筑地基基础设计 规范》[17]可知，对于中、高压缩性地基中建筑物，其 局部倾斜限值为2‰～3‰。故本文取建筑物的挠度比 为 0.2‰ ，即此时建筑物的不均匀沉降最大值为 4.2 mm，如图3所示，此时挠度比满足上述的限值要求， 同时，建筑物的局部倾斜最大值发生在端部，约为 0.7‰，亦满足规范要求。
ZHENG Gang1, 2, LI Zhi-wei1, 2
(1. MOE Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety, Tianjin 300072, China; 2. Department of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)
摘
要：当基坑开挖深度相同，而围护结构及支撑系统的差异将使得围护结构将发生不同形式的变形，坑外土体的位
移及邻近建筑物的变形也将存在相应差异。针对不同围护结构变形形式对应的基坑邻近建筑物的变形开展精细化分析， 算例结果表明：当围护结构发生踢脚、内凸或复合形式的变形时，紧邻基坑的建筑物将发生显著的下凹挠曲变形，且 下凹挠曲程度随沉降槽的近基坑侧土体沉降值增大而减小，尤其是当围护结构发生踢脚和内凸变形时，建筑物的下凹 挠曲变形最为显著，并产生显著的墙体拉应变，此时邻近的建筑物是最为不利的；而对于任意变形形式的围护结构， 当建筑物距基坑距离约为 1～1.5 倍开挖深度时，均将产生显著的上凸挠曲变形，所引发的建筑物墙体拉应变亦较为显 著，即该位置处的建筑物都将是不利的。 关键词：基坑；围护结构；变形形式；建筑物 中图分类号：TU47 作者简介：郑 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2012)06–0969–09 刚(1967– )，贵州贵阳人，男，博士，教授，博士生导师，从事土力学与岩土工程教学与科研工作。
E-mail: zhenggang1967@yahoo.cn。
Comparative analysis of responses of buildings adjacent to excavations with different deformation modes of retaining walls
-
（4）建筑物参数
第6期
郑
刚，等. 不同围护结构变形形式的基坑开挖对邻近建筑物的影响对比分析
971
根据笔者已进行的研究[13-15]，构造一个坑外建筑 物模型：建筑物外形轮廓为长条形，长22.5 m，宽4.5 m，层数3层，每层高3 m，总高度9 m，2层和3层为标 准层， 门、 窗洞口的尺寸分别为2.0 m×1.5 m， 1.8 m×1.5 m，且门窗开洞面积比例约为20%，具体尺寸如图2所 示。其中，模型中纵墙、横墙、横隔墙及楼板均考虑 为理想弹性材料，不考虑梁、柱的影响，楼板厚度取 0.10 m。弹性模量取30 GPa，泊松比0.2，墙体厚度取 0.24 m，且建筑物采用墙下条形基础。
第 34 卷 2012 年
第6期 .6 月
岩
土
工
程
学
报
Chinese Journal of Geotechnical Engineering
Vol.34 No.6 June 2012
不同围护结构变形形式的基坑开挖对邻近建筑物的 影响对比分析
郑 刚
1，2
，李志伟
1，2
(1. 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072；2. 天津大学土木工程系，天津 300072)
表 1 土层物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical parameters of soils 参数 取值 参数 取值 γ /(kN·m 3) 19.0 E50/(kN·m-2) 6000 c /(kN·m-2) 20.0 Eoed/(kN·m-2) 6000 φ /(°) 25.0 Eur/(kN·m-2) 36000 G0 /(kN·m-2) 100000 γ0.7/(10 6) 200
1
计算模型
采用Plaxis 3D Foundation进行模拟，模型的具体 参数如下： （1）基坑尺寸 基坑开挖深度取12 m，围护结构采用地下连续 墙，厚度0.8 m，深度24 m，1/2基坑开挖宽度为30 m。 （2）围护结构变形形式 根据以往学者的研究成果，本文将围护结构的变 形形式归纳为悬臂式、踢脚式、内凸式及复合式等4 种形式，并通过控制围护结构刚度、插入深度及支撑 刚度等来调整围护结构变形形式， 并得到如图1所示的 4种变形形式。
─────── 基 金 项 目 ： 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 （ 973 计 划 ） 项 目 （2010CB732106） ；天津市科技计划资助项目（11ZCGYSF00800） 收稿日期：2011–06–22
970
岩
土
工
程
学
报
2012 年
位的控制标准。目前，国际上基坑工程及隧道施工的 变形控制主要是根据实际工程和试验，将基坑开挖对 环境造成的变形影响反映为其在坑外土层中引起的沉 降、 不均匀沉降、 水平应变和角应变 （地面沉降曲率） ， 以及在建筑物中造成的拉应变，并与感官视觉、建筑 物功能损坏、建筑物结构损坏等相联系，如 Burland 等均将建筑物的变形与基坑开挖所引发的坑外土层位 移直接联系起来，并由所引发的建筑物变形程度，直 接判定建筑物的破坏等级[1-6]。 与国外基坑变形控制标准不同，中国现有的研究 及规范主要还是基于控制围护结构的变形，并提出基 坑围护结构（排桩、地下连续墙等）的最大水平位移 控制标准来保证对环境影响的控制，且没有完整的建 筑物保护等级的划分标准，现有的一些基坑工程和城 市地下工程施工引起的地面沉降允许值往往由专家们 根据经验规定的。例如：北京地铁施工规定地面任意 点的沉降量均不得超过 30 mm；深圳地铁施工规定地 面任意点的沉降量均不得超过 30～40 mm，地面附加 倾斜不得超过 1/300；上海地铁总公司则按上海软土 层深基坑工程经验资料，根据周围环境要求，提出深 基坑工程的变形控制标准分为 4 个保护等级。显然， 目前国内的基坑变形控制方式存在明显的不足，也缺 乏变形控制的针对性。这是因为在实际基坑工程中， 基坑变形的影响因素十分复杂，基坑围护结构的变形 形式不仅与土体的土质条件有关，还与围护结构的插 入深度、刚度及支撑系统刚度等因素紧密相关，围护 结构的变形可呈现多种变形形态[7-8]， 相应地坑外土体 位移分布也明显不同，故仅仅通过围护结构的水平位 移最大值控制并无法准确地控制周边环境的变形，尤 其是针对一些老旧的历史建筑，常多为砖混结构或砖 木结构，其建造年代久远，建筑设计标准较低，建筑 材料老化严重， 且可能经历了地震等自然灾害的破坏， 显著削弱了结构的整体性，结构的整体刚度较低，对 地基土体的位移耐受能力很差，此时根据邻近建筑物 的变形提出基坑的环境控制标准则显得更有必要。 故本文将针对不同围护结构变形形式下的基坑开 挖所引发的邻近建筑物的变形进行分析，不仅利用三 维有限元软件建立包含基坑及邻近建筑物的整体模 型， 充分考虑基坑变形与建筑物变形的相互耦合关系， 而且考虑了土体的小应变刚度特性，建立建筑物的精 细化模型，实现了基坑与邻近建筑物变形的精细化分 析，从而了解任意围护结构变形形式下，坑外建筑物 的变形状况，并进一步说明采用基坑施工影响范围内 的建筑物变形或应变控制标准的必要性，也为实际工 程中如何控制围护结构变形亦更为合理有效地保护基 坑周边环境提供参考。
图 1 围护结构的变形形式 Fig. 1 Typical profiles of wall deflection
（3）土层参数 为简化起见，土体采用均质土层，厚度取 60 m， 并以天津市区典型土层（粉质黏土）进行模拟，土体 采用考虑土体小应变刚度行为的土体硬化模型，具体 物理力学指标如表 1 所示， 其中 表示土体的重度，c 和 分别为土体的黏聚力和内摩擦角，E50，Eoed 及 Eur 分别表示土体的主偏量加载刚度模量、侧限压缩刚度 模量和卸载/再加载刚度模量。此外，为了考虑土体的 小应变刚度行为， 模型中增加了初始剪切模量 G0 和剪 切应变水平 0.7 ，其中， 0.7 取 G0 衰减至 70%时的应 变水平[9-10]，且各参数的取值依据大量的工程经验及 室内试验等来确定[10-12]。
当建筑物发生如图3所示的不均匀沉降时， 建筑物 的墙体弹性模量为220 MPa，泊松比取0.1，即当建筑 物的墙体刚度取该值时， 建筑物的整体刚度是合理的。 （5）建筑物与基坑相对位置参数 为了对比不同围护结构墙体位移情况下，建筑物 受基坑开挖影响的差异， 取建筑物距基坑距离 D 分别 为 1，3，6，9，12，18，24，30 m。