深基坑开挖及降水诱发邻近建筑物变形破坏机理及影响因素

朱大鹏, 谢昌建, 杨阳,3

(1.西南石油大学地球科学与技术学院， 成都 610500； 2.三峡库区地质灾害教育部重点实验室(三峡大学)， 宜昌 443002; 3.中冶集团武汉勘察研究院有限公司陕西分公司， 西安 710000)

基坑开挖和降水会引起坑底回弹、应力重分布以及地面不均匀沉降，从而引发基坑变形、垮塌及邻近建筑倾斜、开裂等现象，坑外桩基建筑物群桩效应、承台效应等将导致基坑开挖、降水引发坑外地表沉降问题变得十分复杂，是土层-地下水-承台-桩相互平衡协调问题[1]。因此，针对深基坑开挖、降水引起的邻近建筑物沉降研究显得尤为重要。

在理论方面，Terzaghi[2]最早详细解释了有效应力原理和一维固结理论；Peck[3]最早提出了基坑开挖稳定性和支撑内力计算的相关理论；吴永红等[4]最早利用boulton曲线及渗漏理论提出基坑降水引起地面沉降估算公式，从理论上为基坑开挖、降水以及围护结构问题提供支撑。杨清源等[5]给出了不完整井降水引发坑外地表沉降公式。陈学根等[6]给出了降水引发桩基均匀沉降地下水位、有效应力增量以及坑外桩基均匀沉降公式。江杰等[7]提出一种考虑降水疏干、渗流力以及止水帷幕作用的计算方法，但未考虑桩基建筑物。

限于理论分析对复杂结构的局限性，常借助有限元法。Mana等[8]建立基坑开挖有限元模型并建立基坑位移、沉降评测方法证实了有限元法的有效性。朱志鹏等[9]基于有限元三维渗流-耦合理论模型分析了深基坑开挖对地表沉降的影响。王超[10]基于有限元法分析了基坑降水的多种因素对临近建筑沉降的影响。施有志等[11]考虑土体小应变刚度影响下的不同基础形式的多层建筑物受基坑开挖的影响变化。

基于广州某深基坑开挖—降水—开挖工程实例，从理论角度分析了同时考虑开挖和降水前后土体自重应力变化、渗流动水压力引起的有效应力变化以及止水帷幕对土体沉降约束作用时坑外土体沉降机理。借助三维渗流有限元模型同时考虑应力场和渗流场，针对土层-地下水-承台-桩相互平衡协调问题，探究建筑开裂原因并分析了多种影响因素，以期对同类工程提供参考。

1 工程概况

1.1 地质与水文条件

图1 基坑剖面图

1.2 开挖、降水及支护、监测方案

工程采用开挖(两次)—降水—开挖(两次)的顺序明挖顺作施工(图1)。工程降排水措施采用坑内井点降水与集水沟排水，降水深度超过基坑底4 m或至中风化岩层面，井点间距约30 m，共布置12个降水井。基坑支护采用“灌注桩+混凝土内撑”的组合支护方案，围护桩为钢筋混凝土灌注桩(800 mm×1 000 mm);腰梁采用工字钢组合腰梁，腰梁与排桩之间采用C35细石混凝土填实；桩间土及冠梁顶喷射100 mm厚C20混凝土并挂Ф6 mm@200 mm×200 mm钢筋网。实际基坑工程开挖深度为-16 m，降水是从-9 m到坑底以下4 m，即-20 m，止水帷幕嵌入深度-25 m。监测布置如图2所示。

图2 基坑监测平面示意图

根据监测结果，基坑开挖时建筑物水平位移、竖直沉降均较小，未超过报警值；降水后降水量大幅超过报警值，坑外不同位置沉降随降水量的增加不断增大且最大值超过极限值。最大累计水位下降量均超过-1 000 mm报警值，地表累计沉降45 mm；新增主控楼累计沉降144.49 mm，在降水阶段建筑物累计沉降49.25 mm。建筑物沉降南侧大于北侧、东侧大于西侧，且沉降差较大，使砖混结构建筑物产生较大的附加剪力，进而引发倾斜、开裂(图3)。因此初步得出开挖只是影响建筑物变形的次要原因，而降水为主要原因。

图3 建筑物破坏图

2 坑周地表沉降机理分析与计算

2.1 坑周地表沉降机理分析

基坑开挖的过程即土体卸荷的过程，坑内外土压力使得围护结构产生侧向变形；基坑持续开挖导致基坑壁两侧土压力差不断增大，继而围护结构发生水平位移。坑外土体产生向坑内的剪应力，土体出现塑性区。当基坑降水时引起周围土层水位下降，根据太沙基有效应力原理，土层有效应力上升，饱和土排水压密。这些附加应力压缩土层空隙引发宏观上的固结。由于距降水井较近位置降水水头差较大，有效应力变化大，因而近基坑侧土层固结更加明显，形成向坑内倾斜的不均匀沉降。同时，基坑降水使井口水位处于低水位，与四周未扰动区域高水头形成水头差。孔隙水在水头差驱使下向低水位(井口)渗流，形成作用于土粒骨架的渗流力，从而引起土体有效应力增加。为防止基坑降水效果不明显，在降水前须预先修建止水帷幕以阻断基坑内外水力联系，防治坑周渗水。止水帷幕以及坑内围护结构与接触到的土层产生摩擦阻力(剪应力)，阻止土体下沉，从而减小了一定范围内的坑外地表沉降。由于该基坑先开挖再降水，邻近桩基变形主要由于地基不均匀沉降导致。建筑坑后地表沉降主要由开挖土层变形和降水土层固结叠加引起。

当坑外有邻近桩基建筑物时，建筑物由于不均匀沉降将向坑内倾斜。建筑结构偏心将造成内部产生附加剪应力，特别是该工程邻近桩基建筑为砖混结构，附加剪应力将对其抗剪能力构成威胁。因而控制不均匀沉降显得尤为重要。一方面，建筑结构偏心将引起桩的水平位移，围护结构进一步向坑内变形，加剧不均匀沉降；另一方面，建筑结构偏心将在坑内方向产生更大的桩身轴向压缩和土层沉降。由于桩的压缩变形相对较小，和四周土体形成负摩阻力，进一步将桩周有效应力增量复杂化。当桩基为群桩时，承台将时问题变得更加复杂，属于应力场-渗流场-承台-桩问题[1]。

2.2 坑周地表沉降计算

基坑开挖引起的沉降S挖采用Peek曲线法[3]，基坑降水引发的沉降S水主要依据分层总和法，即

(1)

式(1)中：Si为每薄层压缩量，mm；Δpi为每薄层平均竖向附加应力，kPa；Ei为每薄层压缩模量，MPa；Hi为每薄层厚度，m。

由土体自重应力增量引起的沉降S自由两部分组成：一部分是降水曲线以上的疏干区由于孔隙水压降低导致的有效应力增量ΔσⅠ，一部分是降水曲线以下的饱和区由于上部孔隙水疏干导致的有效应力增量ΔσⅡ。即

(2)

ΔσⅠ=γw(y0-h0)

(3)

ΔσⅡ=γw[H-f(x)]

(4)

式中：ψs为土的沉降压缩经验系数，取1；γw为水的重度，kN/m3；f(x)不完整井基坑降水曲线；y0为所处地层深度，m；H为相对含水层厚度，m；h0为初始水位，m。

依据Dupuit假设，在修正巴布什金不完整井涌水量计算公式的基础上，杨清源等[5]得到不完整井基坑曲线，江杰等[7]将其修正为

(5)

(6)

(7)

(8)

τ0=ΔσⅠ+ΔσⅡ+fsy[y-f(x0)]

(9)

式中：h为距围护结构x处土层的含水层厚度，m；hw为降水稳定后含水层厚度，m；k为土层渗透系数，m/d；Ha为基坑内不完整井降水有效影响深度，m；R为基坑降水影响半径，m；sw为水位降深，m；rw降水井半径，m；l降水井过滤器长度，m；fsy为垂直渗透力，m；τ0为止水帷幕与土体交界处产生剪应力，kPa；Gs为桩周土剪切模量，MPa。S渗为渗流动水压力引起的有效应力变化导致土体沉降，m；S止为止水帷幕对土体沉降约束作用阻止土体沉降，m。假定止水帷幕符合二次衰减模型，影响范围为一倍降水深度H0，则式(8)中0

2.3 沉降监测值与理论值对比

开挖和降水前后土体自重应力变化、渗流动水压力引起有效应力变化导致土体沉降，止水帷幕对土体沉降约束作用阻止土体沉降，因此总沉降S为

S=S挖+S自+S渗-S止

(10)

同时考虑降水疏干、渗流力以及止水帷幕对土体沉降的影响作用时，沉降最大值以及距基坑的距离与实测值基本一致，能较准确计算地面沉降，修正过后的地表沉降计算形态更接近实测值。建筑周边的地表沉降受建筑物刚度、桩基形式以及时空效应等影响，应力变化十分复杂。因此，须进一步借助数值模拟分析地表沉降及其影响因素。

3 三维渗流有限元数值模型

建立考虑三维渗流和群桩效应的有限元模型，进一步分析深基坑开挖引起邻近桩基建筑的影响作用及影响因素。为消除边界效应，扩大基坑四周范围将整个模型大小设置为160 m×130 m×50 m。建筑物基础为“筏板+桩基础”，建筑物等效荷载为450 kN/m，模拟实际工程条件和施工顺序下的土体及桩基建筑。三维渗流有限元模型如图4所示。

图4 基坑有限元模型

建筑物及桩基网格密度为0.1 m×0.1 m、土层为1 m×1 m，网格节点数共约20万；左、右边界固定向内方向的位移、下边界约束全部位移。土层采用修正的莫尔库伦本构模型，图层参数如表1所示；桩基及建筑物采用线弹性模型，重度为26 kN/m、泊松比为0.3、压缩模量为17.5 GPa。

表1 土层参数

4 实际监测与数值模拟对比分析

为确保数值模拟准确性，对围护结构水平位移(图5)和坑外土体沉降与实际监测进行对比(图6)。围护结构水平位移监测与模拟最大值均位于CX3测点。由图5可知，发生最大沉降模拟值与监测值整体变化规律一致，最大水平位移(约29 mm)及所处围护桩桩身位置(约13 m)基本一致。

图5 围护结构水平位移对比图

由图6可知，坑外土体沉降距基坑15 m(A3测点)处产生最大沉降，模拟值与监测值接近。同时，降水引发的坑外地表沉降值相比开挖四较大，从监测和模拟可知由降水主导沉降。因此，降水是引发建筑物开裂变形的主因。开挖—降水—开挖整个过程中数值模拟与实际工况整体上变化一致，均呈中间大两端小的“抛物线”型，实际工程中基坑周围环境相对复杂，造成实际与有限元的相对误差。

图6 坑外土体沉降对比图

5 不同条件下降水对坑外桩基建筑物的影响

根据上述分析，坑外土体和建筑物沉降由降水主导。因此有必要改变外界条件，探究合理的工程条件以围护坑外建筑稳定。通过控制变量法，从建筑与基坑间距、桩基础刚度、止水帷幕嵌入深度、降水速度与方式等方面分析不同工况下降水对坑外建筑物筏板L1～L6测点(图2)沉降的影响。

5.1 建筑物与基坑间距

建筑物与基坑相距5～30 m每隔5 m进行分析(图7)，降水方式、施工顺序等与实际情况相同。建筑物离基坑越近，沉降越大。建筑物东南角沉降最大，西北角沉降最小。

图7 不同桩基和基坑间距下筏板沉降值

5.2 桩基础刚度

排水固结过程中，建筑物变形受建筑桩基影响和制约，桩基产生附加弯矩和附加应力。桩基的变形和位移主要受桩身刚度影响，因此通过改变桩体弹性模量来控制刚度大小，弹性模量分别设置为6×105、6×106、6×107、6×108MPa(图8)。

图8 不同桩基础刚度下筏板沉降值

在降水过程中改变桩基础刚度对于建筑物竖直沉降能够起到很好的抑制作用。当刚度为6×106MPa(实际工程构件刚度)时，建筑物沉降明显超过了报警值；当刚度达到6×108MPa时建筑物沉降已经可以满足规范要求。随刚度增大，筏板沉降会逐渐减小。在刚度较小时，桩基础在弯曲破坏之前就可能因较大的水平位移导致房屋倾斜、开裂变形，小刚度无法满足要求。但增大刚度会提高水泥或钢筋标号，经济预算上升。

5.3 止水帷幕嵌入深度

水的作用导致坑外土体及桩基建筑产生较大的不均匀沉降，而采用止水帷幕有利于阻止或减少基坑侧壁及基坑底地下水流入基坑。止水帷幕越深，止水效果越好，但同时带来的是工程造价的上升，因此有必要进行合理控制。由于坑外土体和建筑物沉降由降水主导，由降水引起的不均匀沉降占主要因素。因此，必须合理控制降水井降水。

止水帷幕嵌入深度分别为0 (不设置止水帷幕)、10 m(超过地下水位1 m位置)、20 m(实际工程深度)、25 m以及30 m(以下为不透水层)，建筑筏板沉降如图9所示。坑外地下水绕过止水帷幕渗入基坑将增加渗流路径长度，减小土层水头损失使得止水帷幕后土体沉降量降低。由图9可知，止水帷幕嵌入深度越深建筑物沉降越小，但一定深度后趋于稳定，在嵌入深度超过20 m以后减小建筑物变形不明显，在工程施工时可将止水帷幕设置为20 m以内，避免增加预算。

图9 不同止水帷幕深度下筏板沉降值

5.4 降水方式

工程实际中采用一次性降水，为研究降水方式对坑外邻近建筑物的影响，将原有一次性降水改变为分次降水。设置降水速度为0.6 m/d；止水帷幕嵌入深度设置为0、10、20、25、30 m。降水方式：A表示一次性降水11 m；B表示3、4、4 m三次降水，总共11 m。筏板沉降如图10所示。

图10 不同降水方式下筏板沉降值

分次降水使沉降减小了5～15 mm。因此止水帷幕嵌入深度一定时，分次降水能有效减少建筑物沉降，同时止水帷幕越浅其效果越好。据式(7)可知，水力梯度将影响渗流力大小，渗流力大时沉降大，因而分级降水能够有效降低其渗流力引发的沉降。

5.5 降水速度

在需要进行降水的基坑工程中，降水速度对于基坑周围环境的影响少有研究，但是所带来的影响不容忽视。止水帷幕嵌入深度20 m，降水方式为一次性降水，降水速度为0.2、0.6、1.0、1.5 m/d。如图11所示。

图11 不同降水速度下筏板沉降值

当止水帷幕嵌入土体深度和降水方式一定时，改变降水速度对于基坑邻近建筑物的影响相对较小，在变形最大的L6测点处沉降差异值约4 mm。根据有效应力原理，基坑降水速度只会影响建筑物沉降速度而与建筑物沉降总量无关。由于下卧淤泥质土存在一定降水疏干滞后效应，一定时间内固结未稳定，其时间一般较长。因此降水速度较快时建筑物沉降较小，一定时间后趋于稳定。

6 结论

(1) 除坑外地表、建筑物沉降严重超出警戒值外，其余监测符合规范要求。降水量及其诱发的坑外土体沉降远超报警值，坑外建筑物开裂主要由工程降水所致，与基坑开挖及围护桩变形关系较小。

(2)建筑物距离基坑越近桩基础变形越大，在间距大于降水深度时可显著减小建筑变形。桩基刚度越大，其位移越小，弯矩越大。止水帷幕嵌入深度越深，建筑物沉降越小，效果随深度增加而降低。

(3)分次降水能有效减小建筑物沉降，止水帷幕越浅其效果越好。此方式成本较低，控制止水帷幕深度可取得较好的经济效益。

(4)由于下卧淤泥质土存在一定降水疏干滞后效应，短时间内基坑降水速度越快沉降越小，随着进一步固结其沉降量最终一致。