基坑開挖對鄰近建筑物天然地基變形影響及控制措施

韓健勇,王慶海,趙明城,崔中全,柏 謙

(1.山東建筑大學土木工程學院,山東 濟南 250101;2.山東建筑大學建筑結構加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室,山東 濟南 250101;3.中建八局第一建設有限公司,山東 濟南 250100;4.濟南中央商務區投資建設集團有限公司,山東 濟南 250014;5.東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110004)

天然地基是指在自然狀態下就能夠滿足基礎全部荷載要求、無需進行人工處理的地基。隨著建筑材料的不斷更新和發展,施工技術的不斷進步,基坑施工鄰近建筑物天然地基的工況也會越來越多。明確砂土地層基坑開挖引起的鄰近建筑物天然地基變形規律和對天然地基變形的有效控制措施,對于保障基坑及周邊建筑群安全和穩定至關重要。

目前,已經有很多學者對基坑開挖引起的建筑物沉降和圍護結構變形展開了研究。韓健勇等[1]基于現場實際監測數據及數值計算結果,對基坑開挖引起的既有建筑物的變形特性和基坑圍護結構進行了研究。鄧旭等[2]結合天津實際深基坑工程,研究了基坑開挖對基坑圍護結構和鄰近結構的影響。范凡等[3]將數值模擬計算與工程經驗相結合,研究了坑外土體豎向位移隨基坑開挖深度的變化規律。陳陽等[4]基于某基坑工程的現場實測數據,對排樁內支撐基坑支護體系中的樁頂水平位移、樁體側向位移以及基坑周邊土體沉降量進行了深入研究。李志[5]基于北京某基坑工程,通過理論設計、模型試驗和數值模擬三者相結合的方式研究了鋼管樁基坑支護的位移、應力、變形及對基坑穩定性的影響,對鋼管樁代替鉆孔灌注樁的可行性進行了研究。晉霞[6]通過模型試驗分別模擬了三種基坑開挖工況,得到了在基坑開挖過程中支護結構的受力變形和周圍建筑基礎沉降之間的相互作用和影響規律。王琳等[7-8]基于數值模擬研究了不同施工方法、施工參數下基坑開挖對周圍環境的影響。E.Khalid[9]通過現場監測分析了基坑開挖對鄰近建筑物沉降的影響。S.Y.Fan[10]通過數值模擬研究了大型基坑開挖對圍護結構水平位移的影響。Y.Tan等[11-12]通過現場監測和數值模擬,研究了大型基坑開挖對基坑圍護結構受力及坑外土體變形的影響。

在基坑與建筑物之間布置隔離樁是一種控制變形的方法。關于隔離樁方面的研究,鄭剛等[13]在工程實測數據的基礎上,采用有限元方法對隔離樁的作用機制進行了參數分析,并研究了隔離樁對土體深層位移及對隧道位移的控制機制。翟杰群等[14]對隔離樁的作用機理和結構形式進行了研究,并給出了隔離樁樁長、隔離樁結構形式等參數對隔離樁控制變形的影響規律。曾曉鑫等[15]采用ABAQUS有限元軟件對不同隔離樁間距下隧道的位移進行了分析。紀新博等[16]針對某采用隔離樁隔離的工程進行了正交有限元法優化研究,得出隔離樁的打設和注漿對變形和內力有一定的控制作用。

上述研究多集中在圍護結構變形和建筑物沉降方面,而對基坑開挖引起的鄰近建筑物下方天然地基的變形研究較少。另外,當前的研究表明,設置隔離樁可以較好地控制開挖引起的地基變形,但對于隔離樁的相關參數研究還不夠全面?；诖?筆者結合某基坑工程,首先進行不同工況下基坑開挖模型試驗,研究基坑開挖對天然地基變形的影響,然后基于室內試驗建立數值模型,分析隔離樁間距和隔離樁埋深等參數對天然地基變形的控制效果。研究表明,基坑開挖會使建筑物天然地基豎向位移超過報警值,設置合適的隔離樁參數可以顯著減少開挖引起的天然地基變形。

1 試 驗

1.1 試驗裝置

試驗原理如圖1所示。

利用位移傳感器監測整個試驗過程中的豎向位移,并通過數據采集儀對數據進行收集。試驗在長×寬×高為900 mm×750 mm×600 mm、厚度為10 mm的模型箱內進行,模型箱材質為有機玻璃,具有較好的透明性。為減少地基材料與模型箱內部側壁的摩擦,在模型箱內部四周貼上0.04 mm的聚乙烯薄膜。

模型箱尺寸如圖2所示。依托基坑工程開挖深度為7.5 m,開挖長度為22.5 m,開挖寬度為9 m,考慮實際工況和室內試驗場地限制,試驗的幾何相似比取30,因此試驗中基坑開挖深度為250 mm,開挖長度為750 mm,開挖寬度為300 mm。模型箱的長度是基坑開挖深度的三倍以上,滿足邊界條件要求。

圖2 模型箱尺寸Fig.2 Model tank size

1.2 模型材料

依托工程原型圍護結構為15根直徑1.5 m、長度9 m、間距1.5 m的C30混凝土灌注樁?；訃o結構主要發揮抗彎作用,根據等效剛度替代法對原型圍護結構進行替換[17],根據相似定理可知模型中圍護結構的抗彎剛度為

(1)

式中:Em為模型彈性模量;Im為模型慣性矩;Ep為原型彈性模量;Ip為原型慣性矩;CL為長度相似比。

根據式(1)得出模型圍護結構的抗彎剛度為4.602×10-5kN·m2,為防止試驗中圍護結構之間漏土,選用薄鋁板代替原型灌注樁,其彈性模量約為68 GPa。根據矩形慣性矩公式和模型箱尺寸求出鋁板長×寬×厚為750 mm×400 mm×0.5 mm,厚度約為0.47 mm,為便于加工,鋁板的厚度選為0.5 mm。

依托工程內支撐原型為直徑609 mm、厚度16 mm、長度9 m、間距3 m的鋼支撐。內支撐主要發揮抗壓作用,根據等效剛度替代法對原型內支撐進行替換,根據相似定理可知模型中圍護結構的抗壓剛度為

(2)

式中:Am為模型截面積;Ap為原型截面積。

根據式(2)得出模型內支撐的抗壓剛度為2.428×102kN,選用PVC管作為相似材料,其彈性模量約為3 GPa。根據圓環面積公式和模型箱尺寸求出PVC管的直徑為16 mm,厚度為2 mm,長度為0.3 m,間距為0.1 m。試驗模型中采用鋼板模擬建筑物基礎,一塊鋼板的附加荷載為4.71 kPa,根據相似原理,實際作用在地基上的附加荷載為141.3 kPa,相當于底面長×寬為7.5 m×4.5 m的10層框架結構作用在地基上。

選取彰武砂作為模型土進行基坑開挖模型試驗,彰武砂屬大林礦系主礦脈的天然風積砂,其粒徑均勻符合試驗要求。通過系列土工試驗得到模型土的力學參數見表1。

表1 模型土力學參數Table 1 Mechanical parameters of model soil

N.K.Ovesen[18]通過試驗得出,當基礎直徑與砂土平均粒徑之比大于30時,土體材料不縮制不會對地基承載特性有較大影響,此時可以選用原型土料進行試驗。模型試驗中與土體接觸的鋼塊最小寬度為150 mm,與模型土平均粒徑比值為746,符合要求。采用砂雨法分層制備性能穩定的人工模型地層,并在試驗前進行標定。模型試驗中落砂高度取1.1 m,由此制備的土層相對密實度約為0.6。

1.3 試驗工況及方案

試驗共分4組工況,建筑物采用4塊長×寬×高為250 mm×150 mm×60 mm的鋼板模擬,通過增加鋼板數量來模擬不同的建筑物附加荷載。在鋼板底部貼上砂紙增加其與模型土的摩擦力,以便更好地模擬實際中砂土與上覆結構的相互作用。

根據《建筑基坑工程監測技術規范》(GB 50497—2009)可知,基坑周邊地表豎向位移監測點宜按監測剖面布置在坑邊中部,且監測剖面與坑邊垂直,建筑物周圍地表豎向位移的報警值為10～60 mm,文中取30 mm。根據相似理論可知,試驗中地表豎向位移的報警值為1 mm。采用量程為50 mm的位移傳感器并結合3 816 N數據采集儀測定建筑物基礎周圍豎向位移,試驗中位移傳感器空間位置分布及試驗裝置見圖3。位移傳感器1和位移傳感器5測定靠近基坑的地表豎向位移,位移傳感器2和位移傳感器6測定基坑與建筑物基礎之間的地表豎向位移,位移傳感器3～4、7～9用來測定建筑物基礎周邊的地表豎向位移。

圖3 位移傳感器布置圖Fig.3 Layout of displacement sensors

每組試驗均分五步開挖,每步開挖深度50 mm,每層開挖土下方放置一張透明薄膜,便于標記和取土。開挖前記錄位移傳感器初始示數,采用取土設備開挖至第一層透明薄膜,待位移傳感器示數穩定后記錄此時位移傳感器示數;繼續開挖至第二層透明薄膜,待位移傳感器示數穩定后記錄此時位移傳感器示數;在開挖第三層土體的同時布置PVC管,將其固定在鋁板和模型箱之間。PVC管位于100 mm標高處,繼續開挖至第五層透明薄膜,試驗結束并記錄位移傳感器數據。

2 結果與分析

提取步驟一(基坑開挖深度0.05 m)、步驟二(基坑開挖深度0.1 m)、步驟三(基坑開挖深度0.15 m)、步驟四(基坑開挖深度0.2 m)和步驟五(基坑開挖深度0.25 m)的位移傳感器數據。相同附加荷載條件下各測點地表豎向位移隨基坑開挖深度變化曲線如圖4所示。

圖4 地表豎向位移隨基坑開挖深度變化曲線Fig.4 Variation of vertical surface displacements with excavation depth

由圖4可知,隨著基坑開挖深度逐漸增加,各位移傳感器的示數逐漸增大。其中位移傳感器1和位移傳感器5的示數變化幅度最大,這是由于這兩個測點靠近基坑開挖區,所受的擾動最大。位移傳感器2和位移傳感器6處于基坑與建筑物基礎之間,在整個基坑開挖過程中,位移傳感器2的示數均大于位移傳感器6的示數,筆者認為這是由于建筑物基礎的存在引起了周圍土體的隆起,進而抵消了一部分基坑開挖引起的豎向位移,且建筑物荷載對基礎四周土體的影響小于對基礎中部土體的影響。位移傳感器3、7、9的變化趨勢基本相同,位移傳感器3的示數最大,位移傳感器7的示數最小。

位移傳感器3～4、7～9測定的是建筑物基礎周圍天然地基的沉降。當放置一塊鋼板時,隨著基坑開挖深度的增加,位移傳感器4和位移傳感器8的示數均未超過報警值?；娱_挖深度大于0.2 m時,位移傳感器3、7、9示數均超過報警值,且位移傳感器3的示數與位移傳感器7相比增大了26.56%,與位移傳感器4相比增大了71.87%。當放置兩塊鋼板時,位移傳感器4和位移傳感器8的示數均未超過報警值,位移傳感器4的示數與位移傳感器8相比增大了19.27%?；娱_挖深度大于0.1 m時,位移傳感器3、7、9示數均超過報警值,位移傳感器3的示數與位移傳感器7相比增大了25.31%,與位移傳感器4相比增大了64.9%。

當放置三塊鋼板時,位移傳感器4的示數在基坑開挖深度為0.25 m時超過報警值,位移傳感器8的示數未超過報警值,位移傳感器4的示數與位移傳感器8相比增大了34.37%?；娱_挖深度大于0.1 m時,位移傳感器3、7、9示數均超過報警值,位移傳感器3的示數與位移傳感器7相比增大了23.52%,與位移傳感器4相比增大了52.94%;位移傳感器7示數與位移傳感器8相比增大了59.61%。當放置四塊鋼板時,位移傳感器4和位移傳感器8均超過報警值,且位移傳感器4的示數與位移傳感器8相比增大了36.86%?；娱_挖深度大于0.1 m時,位移傳感器3、7、9示數均超過報警值,位移傳感器3的示數與位移傳感器7相比增大了44.46%,與位移傳感器4相比增大了62.21%。

選取基坑開挖結束后不同工況下傳感器3、傳感器4、傳感器7與傳感器8的地表豎向位移值進行分析,結果見圖5。由圖可知,當基坑開挖深度為0.25 m時,隨著附加荷載的增加,位移傳感器3處的豎向位移分別超過報警值92%、137%、172%、424%,位移傳感器4處的豎向位移分別超過報警值-48%、-17%、28%、98%,位移傳感器7處的豎向位移分別超過報警值41%、77%、108%、191%,位移傳感器8處的豎向位移分別超過報警值-61%、-33%、-16%、25%。

圖5 不同工況下地表豎向位移值Fig.5 Vertical surface displacements under different cases

綜合分析可知,基坑開挖深度增加會嚴重影響鄰近建筑物天然地基的穩定性。當附加荷載相同時,隨著基坑開挖深度的增加,建筑物基礎靠近基坑一側的地表豎向位移遠大于遠離基坑一側的地表豎向位移。傳感器7與傳感器8的示數相差約為60%,傳感器3與傳感器4的示數相差約為63%,可以得出在建筑物基礎中部和底邊兩個斷面上,靠近與遠離基坑位置處的地表豎向位移的差異基本相同。在建筑物平行基坑長邊斷面上,建筑物基礎端部的地表豎向位移大于建筑物基礎中部的地表豎向位移,相同附加荷載下地表豎向位移的增幅基本相同。隨著附加荷載的增加,建筑物基礎遠離基坑一側的角點處的地表豎向位移增幅約為35%;建筑物基礎靠近基坑一側左下角點處的地表豎向位移和建筑物基礎中部地表的豎向位移增幅先減小后增大。

3 數值模擬

3.1 計算模型建立及驗證

基坑開挖會影響鄰近建筑物天然地基的安全性,筆者依托實際工程構建三維模型,首先分析采用隔離樁的方式對天然地基變形的影響,然后研究樁間距(1 m、2 m、3 m、4 m和5 m)和樁埋深(0 m、2 m、4 m、6 m、8 m和10 m)對天然地基變形的影響及規律。模型尺寸及網格劃分如圖6所示。模型所有側面約束其法向位移,底面固定,地表面為自由面。土體材料與試驗相同,采用實體單元,修正摩爾庫倫本構模擬,圍護結構采用板單元,彈性本構模擬,內支撐采用梁單元,彈性本構模擬。建筑物通過施加141.3 kPa均布荷載模擬。計算模型施工過程與試驗相同,整個模型共有22 569個單元。待數值模型與室內試驗驗證后在模型中添加隔離樁,隔離樁采用梁單元模擬,彈性本構。隔離樁長為9 m,樁徑為600 mm,布置在基坑圍護結構與建筑物的中間位置,距基坑圍護結構的水平位移為75 mm。

圖6 計算模型Fig.6 Calculation model

在數值模型上布置監測點a和監測點b,監測點位置分別與模型試驗中的傳感器7和傳感器8對應。將傳感器7和傳感器8的試驗數據乘以相似比30后,與數值模型監測點的豎向位移進行對比,結果見圖7。由圖可知,豎向位移的數值計算結果與試驗結果整體變化趨勢相同,兩者結果吻合度較高,最終沉降值差距均在5%以內。證明筆者建立的數值模型準確性較好,可用于后續研究。

圖7 試驗值與模擬值對比Fig.7 Comparison between test values and simulated values

3.2 隔離樁對天然地基變形的影響

有無隔離樁情況下基坑開挖引起的建筑物豎向位移變化規律如圖8所示。

圖8 不同基坑開挖深度與建筑物豎向位移關系曲線Fig.8 Vertical displacements of building under different excavation depth

由圖8可知,基坑開挖深度越大,隔離樁控制天然地基變形的效果越顯著。以有隔離樁工況下、基坑開挖深度為7.5 m時的建筑物豎向位移作為基準,對不同開挖深度下的建筑物豎向位移作歸一化處理。隨基坑開挖深度的增加,建筑物豎向位移的增幅分別為0.16%、3.51%、3.95%、6.75%、7.72%。分析可知,當基坑開挖深度小于等于4.5 m時,建筑物的位移增幅不超過5%,此時采用隔離樁的方法對天然地基變形的效果不顯著,因此可選擇不采用隔離樁的方法;當基坑開挖深度大于4.5 m時,采用隔離樁控制變形的方法對天然地基建筑物十分有效。因此,當基坑開挖深度較大時,可通過施作隔離樁的方式對地層變形進行有效控制,從而減小天然地基建筑物的位移。

3.3 樁間距對天然地基變形的影響

隔離樁的樁間距可以在一定程度上控制天然地基的變形,設置隔離樁間距分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m,不同隔離樁間距與建筑物豎向位移之間的關系曲線如圖9所示。

圖9 不同隔離樁間距下建筑物豎向位移值Fig.9 Vertical displacements of building under different isolation pile spacing

由圖9可知,鄰近基坑建筑物豎向位移隨隔離樁間距的變化呈非線性變化關系。采用隔離樁控制措施后,當隔離樁的間距增大時,建筑物豎向位移隨之不斷增大。相較于未采用隔離樁控制措施,鄰近建筑物的豎向位移分別減小了14.99%、14.52%、13.21%、10.99%、10.41%,位移減小幅度隨樁間距的增大而減小。這主要是由于隔離樁樁間土體產生的土拱效應逐漸減弱造成的。當隔離樁間距為4 m時,隔離樁間土體的土拱效應已經明顯減弱;當樁間距進一步加大時,樁側土壓力進一步降低;當樁間距增大到一定值的時候,樁間土拱效應完全消失。當樁間距在1～3 m時,控制天然地基的變形效果較為顯著,土拱效應的產生也比較明顯;但是當樁間距過小時,雖然土拱效應很明顯,由于此時隔離樁布置過于密集,基坑施工的工程量也相應增大,進而增加了施工成本,性價比不高。如何合理選擇隔離樁間距,既能較好地利用土拱效應,又能充分發揮隔離樁的隔離作用,是隔離樁設計中的一個關鍵問題,文中工程建議樁間距取為1.5 m。

3.4 隔離樁埋深對天然地基變形的影響

為研究隔離樁埋深對控制天然地基的變形效果,設置隔離樁樁頂埋深分別為0 m、1 m、2 m、3 m、4 m和5 m,埋入式隔離樁樁長分別為常規隔離樁樁長的100%、88.89%、77.78%、66.67%、55.56%、44.44%。隔離樁埋深與鄰近建筑物的豎向位移間關系曲線如圖10所示。

圖10 不同隔離樁埋深下建筑物豎向位移值Fig.10 Vertical displacements of building under different isolation pile burial depth

由圖10可知,隨著隔離樁埋深的不斷增大,鄰近建筑物豎向位移逐漸增大,布置埋入式隔離樁與布置常規隔離樁相比,建筑物豎向位移分別增加了2.74%、4.75%、4.99%、6.55%、10.83%。分析可知,當隔離樁埋深在3 m以內(此時隔離樁樁長為常規隔離樁的66.67%)時,與常規隔離樁相比,布置埋入式隔離樁的建筑物豎向位移增幅較小,基本在5%以下;當隔離樁埋深在4 m以上時,建筑物豎向位移增幅較大。由此可見,采用常規隔離樁時,樁身在接近地表的部分對控制天然地基的變形影響不太顯著,因此在基坑支護體系中加入埋入式隔離樁,可以取得和采用常規隔離樁相近的效果。在實際工程中,可以在施工要求范圍內采用埋入式隔離樁,減少樁身長度,降低施工成本。

4 結 論

(1)基坑開挖會使鄰近建筑物天然地基部分監測點的變形明顯超過報警值。隨著基坑開挖深度的增加,建筑物基礎靠近基坑一側的地表豎向位移遠大于遠離基坑一側的地表豎向位移。

(2)當基坑開挖深度在4.5 m及以下時,設置隔離樁對控制鄰近建筑物天然地基變形的效果有限?；娱_挖深度越大,設置隔離樁控制天然地基地層變形的效果越顯著。

(3)樁間距取為1.5 m時,既能較好地利用土拱效應,又能充分發揮隔離樁的隔離作用。建議在基坑工程支護體系中加入埋入式隔離樁,可以達到與施作常規隔離樁相近的效果,減少樁身長度,降低施工成本。