1、第 28卷增刊 岩 土 力 学 Vol.28 Supp. 2007 年 10 月 Rock and Soil Mechanics Oct. 2007 收稿日期： 2007-05-31 作者简介：李进军，男， 1975 年生，博士，主要从事岩土工程数值分析和基坑工程设计方面的研究。 E-mail: 文章编号： 1000 7598（ 2007）增刊 0623 07 基坑工程对邻近建筑物附加变形影响的分析 李进军，王卫东，邸国恩，吴江斌 y !9K Z 200002 K 1 随着软土地区城市建筑密度的增加，基坑工程周围通常存在建筑物，基坑工程的开挖受到更严格的环境制约。在深基坑工程的设计中，必须考
2、虑基坑开挖引起的附加变形满足周边建筑物提出的严格要求，基坑设计的关键从强度控制转变为变形控制。结合上海地区大量基坑工程实践，考虑邻近建筑物条件下基坑开挖的数值模拟分析，总结出适用于基坑围护选型阶段的实用计算分析方法，对方案选型进行指导。分别结合邻近桩基础和浅基础的不同基础形式建筑物的工程实例，对基坑开挖产生的邻近建筑物的附加变形进行计算分析， 并与实际工程实施的监测结果相比较， 验证了计算分析的必要性和可靠性，为类似基坑工程的设计和施工提供了有益的参考。 1 o M #y $ 0$ FM E ms | TU 470 DS M A Analysis of the influence of exc
3、avation engineering on additional deformation of adjacent buildings LI Jin-jun, WANG Wei-dong, DI Guo-en, WU Jiang-bin (East China Architectural Design Institute, Shanghai 200002, China) Abstract: With the increase in building density in the city of soft soil district, there are often buildings arou
4、nd the deep-pit projects. It results in strict environmental constraints on deep excavation. It is mandatory to consider that the additional deformation brought by excavation can meet the strict requirements of the surrounding buildings in the design of deep pit project. So pit design is restricted
5、by deformation control other than strength control. Corresponding calculation and analysis method using FEM is brought forward based on the numerical simulation analysis of the deep excavation adjacent to buildings. Calculations and analyses of the additional deformation brought by excavation to the
6、 surrounding preservation architectures are made towards the different preservation forms between pile foundations and shallow foundations. The calculation and analysis are also compared with the in-site testing results, so the necessity and reliability of calculation and analysis are validated, whi
7、ch provides a useful reference to the design and construction of similar deep excavation projects. Key words: excavation engineering; adjacent building; pile foundation; shallow foundation; additional deformation; numerical analysis 1 引 言 在软土地区城市建设中，常会出现基坑工程的开挖邻近建（构）筑物、地下管线的问题。基坑工程紧邻保护建筑时，受到更严格的环境制约
8、。在基坑工程的设计中必须考虑基坑开挖引起的附加变形能满足周边建筑物提出的严格要求，基坑设计的关键从强度控制转变为变形控制。现行的基坑设计规范1， 2提出了基坑围护体的变形和受力设计计算方法。但尚未规定基坑开挖对周边环境影响的分析方法。实际工程设计中由于仅侧重于围护结构的强度控制，基坑开挖卸荷导致围护体产生较大的变形，对邻近建筑物产生影响3，严重的会导致建筑物倾斜、开裂甚至破坏。 基坑开挖引起的地表沉降的主要原因有几个方面：基坑开挖卸荷导致支护结构水平位移、坑底土体隆起、基坑开挖降水导致及周边地下水位下降产生的土体固结沉降等。上海地区大量基坑工程实岩 土 力 学 2007 年 践表明，基坑围护采
9、用周边止水帷幕插入基坑底部隔水层，将基坑内外的地下水分隔开来，基坑内外无水力联系，基坑潜水疏干降水对周边土体沉降影响较小。基坑周边地表沉降的主要原因是开挖卸荷产生的支护结构变形，可由支护结构变形对周边沉降进行预测。 深基坑开挖周边土体沉降计算分析的研究主要有：工程经验估算方法、有限单元法和反演分析法。最有影响的工程经验估算方法是 1969 年 Peck通过工程实测统计得出的一套与土性及开挖深度有关的地表沉降估算方法，但基于土体损失理论的估算方法需结合地区经验确定计算参数。随着计 算设备的不断发展和土体本构模型的不断完善，数值方法在深基坑工程中得到了广泛的应用。文献 4， 5分别采用有限元方法对
10、邻近建（构）筑物的桩基础影响进行分析，通过模拟与实测值的对比分析验证了计算的合理性。研究表明，数值模拟为分析处理敏感环境条件下软土地区深基坑工程问题提供了可能。 r u 7 # yYs?S !9 Ll9K m 7 H#yFM L9 ZE 根据支护结构变形对周边沉降进行预测。 I ny y s i v L ar8 |SYV E8M 7 3 #yFMb 2 计算分析方法 KZE 7 #yYsT 1o 9 a S ar8 #r8 |b 2.1 y 1 jHHqL 7s= M5 I n | BybK jvl #y L= f y L= Ey ay$ T $ 0$ b j I n 7YS Z_jY |v
11、3 7 Z_ | b9 HHq V H1H H _MH Mb 2 S Hq S Hq y 6B1o5 S |7 H b S K9 $ 7 9 N$ b s5 m S b rHq S V0K “ E 7d r f /1F E S b 3 #y S YK qo 3 pZE 7 - #y I n SYb HB 7 SMB , #y 3 SMb 2.2 | K m E 7V Bd5V &i 1r8 e Eb r81“ E Ks1obr +b L a Mohr-Coulombat B a Drucker-Prager aDuncan-Chang a Hardening Soil b Q r B CyN
12、S Kb_ ?Qr8 y7 a 75sb7T - X Mohr-Coulomb Drucker-Prager V L1 sT9 sF B _M9 T 5T sbt B Hardening Soil r8 G 7s H ? T Vr T i 4bV 16+r8 7 a1b V 1 r8 7 a Table 1 Comparison between different soil models applied to excavation 模型名称 不适用 较适用 适用 各向同性线弹性模型 Mohr-Coulomb 模型 Drucker-Prager 模型 Duncan-Chang 模型 修正剑桥模型
13、（ MCC Model） 硬化模型（ HS Model） 624 增刊 李进军等：基坑工程对邻近建筑物附加变形影响的分析 #y !9Z 7 3H #yYsVZ 4 Ib I nMohr-Coulomb 7 E LT z H Vr Tea a PZLa4r8 100200 kPa L= 7r8) S “ 9v 9vb 考虑土体实际应力状态， 9 sr8 | s0.10.2E 为基础，结合 ?SZEv L YVQs |Sr8 |?S9 TM8MbN$ 7 3 # yFMb 9 T H1 p !9Z !9 !9b 9 sZEsY Z u # $ 0$ Ty L4r V 2b 表 2 土层物理力学参数
14、 Table 2 Mechanical parameters of soils 土层 /kNm3c /kPa /（ ） s0.10.2E /MPa H /m 18 1 22 4 1.88 18.2 23 14.5 3.71 1.5 17.7 9 21.5 3.98 3.8 16.8 11 12.5 2.08 10.1 1a 17.6 22 11 3.18 6.8 1b 18.1 18 17.5 4.01 6.2 3 18.1 9 27.5 5.11 11.6 19.9 41 18 6.37 2.3 1 19.5 6 34.5 9.16 3.7 2 18.7 4 34.5 13.28 11.52
15、 综合本工程基坑规模、基坑开挖深以及对邻近保护建筑和周边环境保护要求等因素的考虑，围护设计采用“两墙合一”地下连续墙作为基坑的围护体，靠近保护建筑侧墙体厚度为 1 000 mm，其余侧墙体厚 800 mm。基坑竖向设置 3 道钢筋混凝土水平支撑系统，支撑呈边桁架加对撑布置，如图 1所示。 3.2 s | # y y K (地 上89层）上海五金机械总公司大楼九建路汉路口江中路福楼（地上 89 层）625岩 土 力 学 2007 年 b 9 I n |B y 9 9 z 43 m 9 z 50 mb | V/ 60 mb Ey $ $r8W !( I n r Tb $M +9 a8 + | Sb
16、 S 9 0K “ 9 H I n # y S Ym 2 I n S mb 图 2 考虑邻近保护建筑影响的初始应力场分布 Fig.2 Initial stress filed considering the building load Vm V A $.T S A “C$/ ! $/r89sVC “V H$/r8 8 s b 3.3 9 T T 7 7 E 7H 3FMbm 3m 4sY 7 8Mm 1 bv 2098M mb m 3 7 M Fig.3 Deformation mesh of model after excavation m 4 798M m Fig.4 Total defo
17、rmation distribution after excavation sTV 7 / :Kv M 26.28 mm9 v LKv M 7.49 mmKv _ 沉降为 17.20 mm，基坑开挖对邻近建筑的影响较小。 3.4 工程实测结果与分析 在实际基坑工程施工中，采用信息化施工，对邻近保护建筑侧地下连续墙身水平变形进行了测斜，同时对邻近保护建筑的地表沉降进行监测。 图 5 为基坑开挖到基底时现场照片。 m 5 7Cv Fig.5 Photo of pit engineering after excavation m 6 7V L /8M wL 7 Kv M28.735.5 mm #v
18、LKvV11.013.0 mmPb 7 E9 T LT1nV 3b 表 3 计算和实测结果对比 Table 3 Comparison between calculation and testing 建筑物最大变形 /mm 方法 围护体最大水平 变形 /mm 水平变形 竖向沉降 数值模拟 26.28 7.49 17.20 工程实测 28.735.5 / 11.013.0 626 增刊 李进军等：基坑工程对邻近建筑物附加变形影响的分析 a b m 6 7V8M Fig.6 Deformation of diaphragm wall during excavation 4 对邻近浅基础建筑物附加变形
19、的影响 4.1 工程概况 兰馨公寓基坑工程位于上海市茂名南路、长乐路， 基坑面积约为 3 500 m2， 主楼挖深约为 10.30 m，地下车库约为 9.90 m。基地的西南侧紧邻市保护建筑兰心大戏院，与围护体的最近距离约为 5.3 m。基坑周边环境平面布置图见图 7。兰心大戏院 m 7 Hm Fig.7 Layout of excavation and surrounding buildings （ Lyceum Theatre）是上海市第一批优秀历史保护建筑，始建于 1930 年，主体为地上 3 层混合结构，采用柱下和墙下条形基础，基础底面埋深约为 0.6 m。 4r nV 4b 表 4
20、土层物理力学参数 Table 4 Mechanical parameters of soils 土层 /kNm3c /kPa /（ ） s0.10.2E /MPa H /m 18 1 22 4 1.97 18.5 27 18.0 4.59 2.0 17.4 12 19 3.33 3.1 16.8 11 12 2.14 6.5 1a 17.3 16 13.5 3.00 4 1b 18.0 15 20 4.00 11.2 19.7 47 20 7.93 3.6 1a 19.2 5 36.5 10.57 6.7 1b 18.8 2 37 12.88 17.3 18.5 22 20.5 5.12 13
21、 邻近兰心大戏院一侧基坑采用 “ 1 000 mm 厚地下连续墙两道支撑”的设计方案。支撑平面布置采用十字正交布置，如图 8 所示。第 1 道支撑采用混凝土支撑，第 2 道采用双拼 2 609 mm16 mm钢管支撑，施工方便，可施加预应力，有利于控制变形。 图 8 邻近保护建筑侧典型剖面图（单位： mm） Fig.8 Layout of excavation and surrounding buildings(unit: mm) 4.2 s mes I n |B y 9 9 z 25 m 9 z 60 mb | V/ 70 mbr8H$L -30-25-20-15-105-30 -20 -1
22、0 0 10 20 30 40/mm/m-5变形 /mm 20 0 20 4030 10 10 30 5地下连续墙深度/m 首层土方开挖 施工第 1 道支撑，开挖第 1 层土施工第 2 道支撑，开挖第 2 层土施工第 3 道支撑，开挖基底 -30-25-20-15-10-50-20 0 20 40 60/mm/m变形 /mm 20 0 20 40 60 510152025地下连续墙深度/m 首层土方开挖 施工第 1 道支撑，开挖第 1 层土施工第 2 道支撑，开挖第 2 层土施工第 3 道支撑，开挖基底 路233132混33兰心大戏院路混南混 3长名茂混 3乐13 3 2 3 3 3 1 1
23、2 627135001000厚地下连续墙自然地坪砼支撑1000X8009900顶板水泥掺量13%水泥土搅拌桩加固砼压顶梁1200X800地下一层砼围檩1200X800钢支撑2X609X16水泥土搅拌桩加固水泥掺量8%（地上3层）兰心大戏院53001 200800 1 200800 9 900 13 500 5 300混凝土支撑 1 000800 钢支撑 260916 1 000 厚地下连续墙 13 % 8 % 岩 土 力 学 2007 年 E sY L EbI n #y S Y 7K m 9 Ub 图 9 有限元网格图 Fig.9 FEM model 4.3 9 T 图 10 和图 11 分别
24、为开挖到基底的总体变形矢量图和水平变形云图。总体变形矢量图表明，靠近基坑侧的建筑物变形趋势较大。开挖到基底后围护体的最大水平位移 17.99 mm， 建筑物产生的最大附加水平变形为 5.80 mm，竖向沉降为 8.62 mm。 图 10 开挖到基底总体变形矢量图 Fig.10 Vector distribution of deformation after excavation 图 11 开挖到基底水平变形云图 Fig.11 Horizontal deformation distribution after excavation 4.4 工程实测结果与分析 m 12 L L /8 MM wL
25、7 8Kv MsY 11.14 17.7 mm# y v$KvV 5.3 mmPb1 9 T LT V 5b a b 图 12 基坑开挖过程中围护体变形 Fig.12 Deformation of diagraph wall during excavation 表 5 计算和实测结果对比 Table 5 Comparison between calculation and testing 建筑物最大变形 /mm 方法 围护体最大水平 变形 /mm 水平变形 竖向沉降 数值模拟 17.99 5.80 8.62 工程实测 11.117.7 / 5.30 5 结 论 本文的计算分析方法已应用于上海地
26、区几十项基坑工程的安全性评估分析中，对围护方案选型阶段对周边环境影响进行预估。工程实践表明，结合工程实践确定的土体参数，采用有限元预测周边建筑物沉降和工程实测接近，数值分析的合理性在实践中得到了较好的验证。但尚需解决下列问题，-2 0-1 8-16-14-12-10-8-6-4-20051015/mm/m首 层 土方 开 挖 施工第 1 道支撑，开挖第 1 层土施工第 2 道支撑，开挖第 2 层土开挖到基底 水平变形 /mm 0 5 10 15 连续墙深度/mm2468101214161820-20-18-16-14-12-10-8-4-200 5 10 15 20/m m/m-6首 层 土方
27、 开 挖 施工第 1 道支撑，开挖第 1 层土施工第 2 道支撑，开挖第 2 层土开挖到基底 水平变形 /mm 0 10 15 20 连续墙深度/mm0246820628 增刊 李进军等：基坑工程对邻近建筑物附加变形影响的分析 进一步的完善计算分析方法： （ 1）土体开挖的卸荷模量的取值是分析的关键。本文初步考虑了土体模量和应力水平的关系，进一步的研究要确定土体模量和土体物理力学指标的关系，建立适合上海软土地区典型土层的土体模量计算参数取值范围。 （ 2） Mohr-Coulomb 土体本构模型由于卸载和加载模量采用同一模量，在得到合理围护体水平变形的同时，往往导致不合理的坑底回弹隆起变形，进
28、一步分析需要考虑土体各项异性。 （ 3）从工程应用角度，邻近建筑物沉降和实测结果较接近，但计算得到的邻近建筑物水平变形较大，和实际工程情况不相符。在进一步的分析中要解决水平变形结果过大的问题。 （ 4）本文计算中未考虑基坑潜水疏干降水对地表沉降的影响，但对于深层承压水降水情况下基坑降水，必须考虑基坑工程深层承压水降水产生的渗流场，周围土体孔隙水压力降低产生土体固结变形。 进一步分析需采用 Biot 固结理论和土体有效应力的流 -固耦合理论分析， 考虑深层承压水降水对基坑变形的影响。 参 考 文 献 1 JGJ 120-99，建筑基坑支护设计规程 S. 2 DBJ 08-61-97，上海市标准基
29、坑工程设计规程 S. 3 王奎，仇乐民，吴冬虎 . 深基坑开挖对邻近建筑物影响规律分析 J. 工程勘察， 2004(6)： 30 31. WANG Kui, QIU Le-min, WU Dong-hu. Analysis of the influence law brought by deep excavation to the surrounding architectureJ. Engineering Reconnaissance, 2004(6): 30 31. 4 沈健，李耀良，王建华 . 深基开挖对邻近高架基础影响的三维数值分析 J. 地下空间与工程学报， 2005， 1（ 6）
30、： 518 521. SHEN Jian, LI Yao-liang, WANG Jian-hua. Three-dimension numerical analysis brought by deep excavation to the surrounding foundation of the elevated roadJ. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2005, 1(6): 518 521. 5 郑刚，颜志雄，雷华阳，等 . 基坑开挖对临近桩基影响的实测及有限元数值模拟分析 J. 岩土工程学报，2007， 2
31、9（ 5） ： 638 643. ZHENG Gang, YAN Zhi-xiong, LEI Hua-yang, et al. Field observation and finite element numerical simulation analysis of effect on adjacent piles due to excavationJ. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007, 29(5): 638 643. 6 华东建筑设计研究院 . 主体工程与支护结构相结合的深基坑工程理论、设计与施工新技术研究理论分析与计算方法分报告 R. 上海： 华东建筑设计研究院，2006.629
