深基坑开挖引起的建筑物破坏风险评估_边亦海

(8) 弯曲应变 εM = H (2RM ) ；
(9) 侧向拉伸应变 εle = (h1 − h2 ) l ；
(10) 总应变 εt = εM + εle ；
(11) 平均剪切应变 γ avg = γ max 2 ；
( ) (12)
主应变 εp = 0.5εt + ⎡⎢⎣(0.5εt )2 +
0.5γ avg
─────── 基金项目：新世纪优秀人才支持计划资助；上海市科委重大科技攻关 项目（04dz12021）；上海市重点学科资助 收稿日期: 2006–04–24
增刊
边亦海，等. 深基坑开挖引起的建筑物破坏风险评估
1893
及安全性判定方法，对不同的墙体沉降模式，分析了 基坑沉降影响区内墙体的长高比 L/H，弯曲与剪切模 量等的影响，分析了框架沉降的位置、层数、相邻跨、 次梁、楼板刚度等的影响，给出了各种类型建筑物的 容许差异沉降控制标准。国家煤炭工业局制定的《建 筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规 程》[5]给出了矿山开采塌陷引起的建筑物损坏判定等 级以及依据地表的移动变形值给出的砖混结构建筑物 （单体长度小于 20 m）的损坏等级划分依据。
0引 言
深基坑开挖是一项复杂的系统工程，在支护加固 和降水不当的情况下，常会因边缘地面沉降量超出设 计值而危及周围各种构筑物的正常使用。工程事故的 出现不仅带来巨大的经济损失，而且造成不良的社会 影响。因此，研究和讨论深基坑工程施工对周边环境 的影响风险是非常有必要的。深基坑工程施工对周边 环境可能造成的破坏主要包括 3 个方面：一是由于地 面变形而造成地面建筑物的开裂、倾斜，甚至倒塌； 二是造成路面以及其他地面设施的破坏；三是造成地 下管线（给排水管道、煤气管道、电缆管道等）的破 裂等。在这 3 个方面中，又以第一方面的破坏最为明 显，对社会影响也最大。
⎛ ⎜1 − ⎝
2x x0
⎞ ⎟ ⎠
。
(1)
地面最大沉降为
δ vmax
= δ m1 + δ m2
=
δ m1
+
∆δ 2
= 1.6SW x0
− 0.3∆δ
。
(2)
式（1）、（2）中，x0
=
(H
+
D
)
tan
⎛ ⎜⎝
45D
−
φ 2
⎞ ⎟⎠
，δ
m1
=
4SW1 2.5x0
，
δ m2
=
∆δ 2
， ∆δ
=
1 2
(
∆δ
对于开挖引起的建筑物破坏风险评估，国内外学 者做了大量的工作。J. B. Burland[1]在评估伦敦地铁 Jubilee 线延伸段隧道开挖引起的建筑物破坏时，把建 筑物破坏的风险评估分初步评估、二次评估和详细评 估三阶段进行。该方法采用“绿地”假设，不考虑建筑 物的刚度影响，把建筑物假设为简支梁，并假定基础
BIAN Yi-hai, HUANG Hong-wei
(Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract: Assessing the potential damage risk of building damage induced by the ground settlement due to deep excavation is critical in deep excavation projects. Simplified criteria including “angular distortion” and “deflection ratio” have been proposed for this topic. However these methods do not reflect the diversity of building structures or the effects of nearby construction. A new risk damage assessment method was presented. It integrated ground settlement patterns, structure geometry, critical strains of building materials and well-known damage category criteria. Finally a case study about masonry building shows the whole risk assessment procedure. Key words: deep excavation; crack width; risk assessment; masonry building
(2) 当临界应变为 0.05%时，导致的裂缝更加明 显。
(3) 剪应变为 0.1%时能够导致明显裂缝，临界剪 应变大概是临界拉应变的两倍。
本文综合前面研究成果，给出建筑物出现裂缝的 临界应变如表 2 所示。
1894
岩土工程学报
2006 年
表 2 不同结构形式的临界应变
Table 2 Critical strain of different structure styles
随地基移动，通过计算最大拉应变来确定潜在的破坏 种类和风险级别，并通过详细评估，对风险级别较高 的建筑物考虑采取保护措施。
R. J. Finno[2]提出了分层梁模型，假设楼板限制弯 曲变形，承重墙限制剪切变形，通过计算等效剪切刚 度，进而计算最大弯曲应变和剪切应变，并同规范临 界应变值进行比较，判断是否产生裂缝并评定破坏风 险等级。
结构形式
出现裂缝的临界应变εc/%
砖混结构
0.02
框架结构
0.05
3.2 砖混结构裂缝宽度的计算
S. J. Boone[15]在分析这一问题时，假设不考虑建
筑物刚度对地表沉降剖面的影响，并假设建筑物变形
和地面变形保持一致，采用应变叠加方法来计算裂缝
宽度，并根据裂缝宽度评估开挖造成的建筑物破坏。
本文在 Boone 方法的基础上，假设砖混结构长为 （l 地
根据 Peck 教授的理论[7]和上海地区实际情况修正 模式，得到地表沉降曲线，如图 1 所示。
图 1 地表沉降计算曲线
FigFra Baidu bibliotek 1 Calculated curves for ground settlement
地表任意一点沉降为
δ vx
= δ m1
exp
⎛ ⎜ ⎝
−
8x2 x02
⎞ ⎟ ⎠
+ δ m2
中图分类号：TU473
文献标识码：A
文章编号：1000–4548(2006)S0–1892–05
作者简介：边亦海(1976– )，男，浙江诸暨人，博士研究生，主要从事基坑工程风险分析方面的研究。
Risk assessment of building damage induced by deep excavation
表沉降影响范围内长度或沉降曲线内由反弯点划分的
上凸或下凹区长度，由地表沉降曲线决定），楼层高为
H，如图 2 所示。
图 2 砖混结构计算裂缝图
Fig. 2 Calculation of masonry structure’s crack width
砖混结构计算裂缝步骤如下：
(1) 首先确定地表沉降曲线，根据地表沉降曲线
2
⎤1 ⎥⎦
2
；
(13) 张拉裂缝宽度 Ct = max (εt − εc , 0)l ；
( ) (14) 主应变裂缝宽度 Cp = max εp − εc , 0 ld ；
(15) 最大累计裂缝宽度， Cm = max (Ct ,CP ) 。
常用简单的指标如角变位和挠曲度来进行建筑物的破坏评价，这些评价方法不能反映不同上部结构形式和邻近施工的
影响。本文综合地表沉降曲线形式、建筑物结构的几何尺寸、材料的临界应变以及建筑物的破坏评价准则，采用建筑
物的裂缝宽度来评价深基坑开挖引起的建筑物潜在破坏，并以砖混结构为例，给出了整个风险评估过程。 关键词：深基坑；裂缝宽度；风险评估；砖混结构
第 28 卷 增刊 2006 年 11 月
岩 土 工程 学报
Chinese Journal of Geotechnical Engineering
Vol.28 Supp. Nov., 2006
深基坑开挖引起的建筑物破坏风险评估
边亦海，黄宏伟
（同济大学地下建筑与工程系，上海 200092）
摘 要：对于深基坑工程来说，评价开挖引起的地表沉降导致建筑物的潜在破坏风险是非常重要的。在以前的研究中，
J. B. Burland 等人的方法均以应变或角变位为研 究对象，采用的破坏指标，不直观，理解起来比较困 难，物理意义也不是很明确，本文采用直观并且物理 意义明确的裂缝宽度来评价深基坑开挖引起的建筑物 潜在破坏风险，并以砖混结构为例，给出了整个风险 评估过程，最后结合实例进行了分析。
1 基坑开挖引起的地面沉降分析
(1) 对于砖石结构建筑物，可见破坏发生的平均 临界应变值为 0.05%～0.1%。
(2) 对于钢筋混凝土梁，可见裂缝的开始时，拉 应变均较小，范围是 0.03%～0.05%。
S. J. Boone[14]总结了前人的研究工作，得到如下 结论：
(1) 当临界应变为 0.02%～0.03%时，出现毛细裂 缝（小于<1 mm）。
当前国内外在深基坑周围土体移动研究中，所采 用的主要方法有：物理模拟法、数值模拟法、半理论 解析法和经验公式预测法[6]。物理模拟法多用于理论 研究，而较少应用于实际工程。实际工程中，常用经 验公式预测法、半理论解析法和数值模拟法进行坑周 地层移动的预测。经验公式预测法和半理论解析法可 对横向的墙后地表变形进行预测分析，而有限元分析 法，则可对坑周内外地表以下各个土体的水平和垂直 位移进行预测分析。本文将采用实际工程中常用的属 于经验公式法的地层损失法来分析深基坑开挖引起的 地表沉降。
计算端点坡度 g；
(2) 计算倾斜 tilt = ∆S L ；
(3) 端 点 挠 曲 线 斜 率 v′ = tan[tan−1 ( g ) − tan−1 (tilt)] ；
(4) 最大挠度ν max = v′l 4 ；
( ) (5) 弯曲变形ν max(M) =
ν max 1 + 2.88 H 2 l2
，
( ) ν(′M) =
ν′ 1 + 2.88 H 2 l2
；
(6) 剪切变形ν max(V) = ν max −ν max(M) ，
( ) ν(′V) = ν ′ −ν(′M) ， γ max = tan−1 ν(′V) ；
( ) (7)
弯曲半径 RM
=
l
2
sin
⎡ ⎣
tan
−1
ν (′M )
； ⎤ ⎦
3.1 可见裂缝与临界应变之间的关系
泥砌墙体和装饰上的裂缝通常是由拉应变引起 的，但也不全是这个原因。根据 Polshin 和 Tokar[12]， Burland 和 Wroth[13]调查得出拉应变可能是确定裂缝 开始的基础参数。Burland 和 Wroth 通过对英国的泥砌 板和墙体的大规模的测试结果研究，发现对于一个规 定的材料，可见裂缝的开始是伴随着合理解释的平均 拉应变值，这个拉应变值被定义成临界应变，该值对 变形模式不敏感。他们的研究结果如下：
Moorak Son[3]提出了四阶段方法来评估开挖造成 的建造物破坏，该方法假设结构移动同地表自由移动 保持一致，并考虑建筑物开口以及土和结构的相对刚 度的影响，通过计算角变位和水平应变来确定结构的 破坏风险等级。
国内方面，杨国伟[4]对承重墙和框架在基坑开挖 引起的差异沉降下的附加内力分布进行了研究，给出 了在已知地表沉降形态时分析建筑物破坏的一般方法
表 1 BRE 提出的建筑物破坏分类表
Table 1 Classification of building damage by BRE
破坏种类 0 1 2 3 4 5
严重程度 忽视 很轻 轻 中等 严重 很严重
裂缝宽度/mm <0.1
0.1~1.0 1~5 5~15 15~25 >25
3 基于裂缝宽度的建筑物破坏评估
W1
+
∆δ
W2
)
。
2 基于裂缝的建筑物破坏等级划分
Burland[8]在 Jennings 和 Kerrich[9]，Macleod 和 Littlejohm[10]及英国国家煤矿协会[11]工作的基础上，第 一次提到这个分类。之后，伦敦建筑结构工程师协会
（BRE）作了修改后采用了这一个分类方法，提出建 筑物破坏主要与可见裂缝有关，共分为 6 类，见表 1。