基坑一側(cè)建筑物沉降控制標(biāo)準(zhǔn)研究

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院 山東 青島 266033)

基坑一側(cè)建筑物沉降控制標(biāo)準(zhǔn)研究

宋琨于廣明周福強(qiáng)謝焦焦

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院山東青島266033)

在基坑開挖過程中，由于原始地層受到擾動，在基坑側(cè)壁土體自重應(yīng)力的作用下，基坑側(cè)壁會產(chǎn)生向基坑內(nèi)側(cè)移動的趨勢，進(jìn)而會造成地面的沉降和凸起；由于基坑開挖使得坑底出現(xiàn)卸荷現(xiàn)象，坑底也會產(chǎn)生卸荷回彈，出現(xiàn)坑底隆起。在這些變形的作用下，基坑鄰近建筑物的基礎(chǔ)也會受到相應(yīng)的影響，使得建筑物在地表水平和豎直位移的作用下，其內(nèi)部出現(xiàn)一定的附加內(nèi)力，若建筑物內(nèi)部產(chǎn)生的附加內(nèi)力過大，則有可能引起建筑物的損傷破壞。出于對建筑物的保護(hù)，在工程開工之前都要根據(jù)設(shè)計提出對各設(shè)計參數(shù)的控制標(biāo)準(zhǔn)，因此，本章結(jié)合基坑開挖變形的理論基礎(chǔ)，對控制指標(biāo)的選取做出了理論的解釋說明。

基坑開挖；建筑物；控制標(biāo)準(zhǔn)

一、引言

變形控制標(biāo)準(zhǔn)值是基坑鄰近既有建筑物物施工風(fēng)險評估的重要內(nèi)容之一，也是風(fēng)險監(jiān)控工作實(shí)施的前提，是為確保監(jiān)控對象安全而確定的地表沉降最大允許值。在監(jiān)測過程中，一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)超過控制基準(zhǔn)值，監(jiān)測部門應(yīng)該在監(jiān)測報表中醒目地標(biāo)注出，并予以報警，同時與有關(guān)部門共同研究分析，必要時對控制基準(zhǔn)值進(jìn)行調(diào)整[1]。

二、基坑開挖變形機(jī)理

在基坑開挖之前，地層中的土體處于初始平衡狀態(tài)，當(dāng)基坑開挖土體被移走之后，相當(dāng)于支護(hù)結(jié)構(gòu)靠近基坑一側(cè)被卸載，導(dǎo)致土體中水平應(yīng)力發(fā)生變化，而垂直方向基本不受影響，由此來看，基坑開挖引起的地表沉降主要是由土體的水平位移引起的?；娱_挖的變形主要分為：支擋結(jié)構(gòu)水平位移、基坑隆起以及墻后地表及建筑物的不均勻沉降。

1.圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形

基坑的開挖是一個循序漸進(jìn)的過程，基坑開挖的深度也是逐漸增加的，在基坑開挖初期，坑內(nèi)還沒有設(shè)置支撐，此時支護(hù)結(jié)構(gòu)的頂端位移最大，近似呈三角形的分布形式向坑內(nèi)移動，并且隨著開挖深度的逐漸增加，變形量也不斷加大。對于設(shè)置了支撐的柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，維護(hù)結(jié)構(gòu)的中間位置會向基坑內(nèi)部凸起，而頂部由于支撐的存在其變形很小或不產(chǎn)生變形。

2.墻后地表沉降

基坑開挖結(jié)束之后，基坑周邊地表會出現(xiàn)不同程度的沉降變形，墻后地表沉降主要有三角形沉降、凹槽形沉降和梯形沉降。當(dāng)基坑處于軟弱地基中時，且圍擋支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入土層中的深度較淺時，在基坑底部會發(fā)生較大變形，此時在基坑周邊會出現(xiàn)較大變形，在坑邊處出現(xiàn)最大沉降；當(dāng)基坑處于剛性地基中時，或圍擋支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入地層中較深時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)可近似認(rèn)為是坑底處固定，坑邊處簡支的梁結(jié)構(gòu)，此時圍護(hù)結(jié)構(gòu)中間位置將會向坑內(nèi)凸起，地表最大變形出現(xiàn)在距坑邊一定距離處的地方，呈現(xiàn)出拋物線形的變形；當(dāng)發(fā)生上述兩種變形的組合模式時，此時地表出現(xiàn)梯形沉降。

3.坑底土體隆起

基坑開挖后，土體中初始應(yīng)力場和位移場遭到破壞，由于基坑內(nèi)土體被挖走，相當(dāng)于在坑底位置出現(xiàn)卸荷現(xiàn)象，因此坑底會出現(xiàn)一定的回彈。對于開挖較淺的基坑，卸荷后坑底土體會向上隆起變形，隨著開挖深度不斷加大，基坑內(nèi)外土體高差也不斷加大，作用在墻背的土壓力也會隨之增大，這時圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部會發(fā)生“踢腳”現(xiàn)象[1]，進(jìn)而造成坑底土體上浮。基坑底部隆起一般分布是中間高、兩邊低，當(dāng)開挖結(jié)束后，停止隆起。

三、地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

對于不同類型的建筑物，基坑開挖對其變形的影響也會不同，因此會導(dǎo)致不同的破壞形式，如開裂、傾斜、基礎(chǔ)不均勻沉降等，不同的建筑物類型，其對應(yīng)的變形控制值也是不同的所以，在地表下沉的控制中，應(yīng)充分考慮基坑所在土層的地質(zhì)、區(qū)間上方建筑物結(jié)構(gòu)的具體情況來進(jìn)行分析。在《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007-2011)[3]中，對建筑物在其服役期間地基變形的允許值都有明確規(guī)定，根據(jù)建筑物地基變形的允許值，其所允許的最大差異沉降是地面沉降的控制條件。

如圖1所示，本文以拋物線形(凹槽形沉降)為基礎(chǔ)來計算地表允許最大沉降值，其計算如下：

在基坑開挖引起的地表實(shí)際下沉中，其下沉形式近似為一正態(tài)分布曲線(如圖3.2所示)，因此由Peck[4]理論可得地表沉降分布的預(yù)計公式為：

(1)

式中：S(x)——距地表最大沉降距離x處的地表沉降；Smax——地表的最大沉降值；i——沉降槽寬度，取為地面沉降曲線拐點(diǎn)與原點(diǎn)的距離。

圖1 地表沉降曲線

對式(1)求導(dǎo)可得沉降曲線的斜率T，由于最大斜率Tmax發(fā)生在拐點(diǎn)處，因此利用怪點(diǎn)出坐標(biāo)進(jìn)行計算得

(2)

以極限條件下的地表傾斜值小于相應(yīng)建筑物地基允許傾斜值作為限制條件，可得：

(3)

由式(3)可得最大允許地表沉降值，即

(4)

四、結(jié)論

本文結(jié)合基坑開挖引起地表沉降的變形機(jī)理，總結(jié)了基坑開挖引起地表沉降的三種沉降模式，分別為三角形沉降、凹槽形沉降和梯形沉降。并結(jié)合建筑物與沉降槽的相對位置，以及建筑物損害的極限標(biāo)準(zhǔn)，分情況推導(dǎo)了建筑物與沉降槽位于不同相對位置時相應(yīng)的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，為實(shí)際工程中對于基坑鄰近建筑物的保護(hù)提供了寶貴的參考價值。

[1]劉招偉，趙運(yùn)臣.城市地下工程施工監(jiān)測與信息反饋技術(shù)[M].北京市:科學(xué)出版社,2006:342.

[2]廖少明,余炎,陳亮.由基坑擋墻位移推算地層位移場及其影響[J].巖土工程學(xué)報,2005,(07):800-803.

[3]GB50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[4]Peck R.B,Deep excavations and tunneling in soft ground,State of the Art Report.Proc.7th Int.Conf.On Soil Mechanics and Foundation Engineering,Mexico City,1969.225-290.

宋琨(1990.01-)，男，漢族，河北省晉州市，碩士研究生，青島理工大學(xué)，結(jié)構(gòu)工程。