摘要：由于城市用地紧张，基坑开挖通常为建筑物密度大的地区，与基坑开挖部位相毗邻的建筑物的安全稳定性会受到很大的影响。本文以重庆市江津区大什字的建宇商场基坑工程为依托，通过现场监测数据，结合Midas-GTS数值计算，研究基坑开挖过程建筑物基础与地基的受力变形特征。综合分析结果表明：数值模拟与实际测量值大致吻合，很好地反应了现场情况；基坑开挖周围环境最大沉降主要发生在建筑物基础部位，最大水平位移主要发生在基坑挡土排桩后的地表土上；挡土排桩能很好地抑制了建筑物基础沿基坑土体的弧形剪切破坏。
关键词：临近建筑物、位移监测、地基破坏、Midas-GTS
0 引言
随着近年来我国大力加速城市建设，城市中基坑工程的数量急剧增加。而在基坑开挖的地方通常都是人口密度高、建筑物密度大的地方[1]，开挖附近往往有其他的建筑物，导致基坑开挖的场地非常狭小、用地非常紧凑。由于与基坑边缘距离太近，周围建筑物等往往都会受到不同程度的影响。如果设计不当或者施工失误，导致地面沉降或边坡位移过大，那么就会引起邻近建筑物的破坏，轻则开裂，重则人员伤亡、财产损失[2]。
目前关于基坑开挖对临近建筑物的影响研究甚少，还没有统一的分析方法来对基坑开挖中建筑物的变形进行预测，且不同工程现状不一定会有一样的变形机制[3]。所以目前现场监测仍是施工中必不可少的一环结。根据监测结果可以发现可能发生危险的先兆，采取必要的措施避免事故发生，并指导现场施工的进行。
1 工程概况及基坑临近建筑物情况
建宇商场改造工程位于重庆市江津区大什字。拟建工程为建宇商场的改造工程，该大楼最高原为10F/-1F， 1层至顶层高42.75米，总高44.85米，为框架结构，人工挖孔桩基础，经改造后主要为7F/-2F、9F/-2F的多层建筑，采用框架结构，其中地下为双层停车场。具体位置如图1.1
图1 建宇商场基坑概况图
基坑大致呈矩形状，长37.2m宽25.3m，开挖深度达5m，分两步开挖。基坑中大致可分为三层土层，包括回填土层、黏土层和砂土层。基坑周边布置挡土排桩作为其支护手段。排桩边长1m，其中排桩间隔1.2m～1.7m，长边有排桩18个，宽边有排桩11个。
基坑周边多为居民楼，居民楼高6层，其中基坑东南方为施工单位办公楼，距基坑仅有2m，西北方的居民楼距基坑最近只有3m距离。
2 周边建筑物位移监测分析
居民楼位于基坑东北侧方向，设计开挖深度5m左右，因其周边区域有多处民房，需要在基坑开挖过程中进行全方位的基坑变形监测，现对基坑周边区域进行布点如图2.1，从而实现基坑开挖过程中，对周边居民及办公建筑区域的位移沉降监测。介于该区域距离周边建筑物群较近，需当适度加强监测过程的频率，从而确保实时掌握该区域周边构筑物的变形情况[4]。
图2 基坑测点布置图
图中测点1—8为水准仪测点，其中测点1为基点，2—8号点为基坑周边建筑沉降监测点；全站仪测点分布为在居民楼和施工单位办公楼上，其中居民楼从下至上依次为测点C1、C2、C3，施工单位办公楼从下至上依次为C4、C5、C6点[5]。
利用水准仪测得基坑周边地表每日的下沉量，再利用全站仪测得居民楼和施工单位办公楼的位移值。基坑第一步开挖为8月12号至9月10号，第二步开挖为9月12号至10月9号，对这段时间平均两天进行一次监测，得到的数据曲线如图2.2、图2.3所示。
图3 建筑物沉降—时间曲线
图4 建筑物位移—时间曲线
通过图3所示的沉降曲线图可以得知第一步开挖的前半阶段（0～15天）沉降值增长速率较快，此阶段主要施工任务为开挖出土，而后半阶段（15～28天）较为平缓；第二步开挖规律同第一步开挖规律相同，也是先加速沉降后趋于平稳。其中以4、5、6号点位于办公楼一侧，沉降量较大。第一步开挖沉降最终为1.2mm，第二步开挖沉降最终为2.0mm；而基坑的另一测2、7、8号测点沉降量较小。第一步开挖沉降最终为0.5mm，第二步开挖沉降最终为0.8mm。
再观察建筑物上测点的位移图，第一步开挖的前半阶段沉降值增长速率较快，而后半阶段较为平缓；第二步开挖阶段测点位移保持均匀增长。其中居民楼上的C1、C2、C3测点位移值较少，最大为3.3mm，而办公楼上的C4、C5、C6测点位移值较大，最大可达到4.3mm。观察每栋楼的上下测点位移值可以发现随着测点高度增加，测点位移值略微增长，这说明楼房有略微的倾斜。
3、基坑开挖过程中临近建筑物稳定性分析
基坑开挖对周边建筑物影响的过程和机理很难通过理论分析得到准确的结果。数值模拟分析可以一定程度上的还原现场的实际情况并得到精度较高的分析结果。本文利用数值模拟手段验证基坑变形是否符合现场监测结果，并通过分析得到基坑开挖过程对临近建筑物基础的应力与位移影响规律。
3.1 建筑物地基破坏机理
当建筑物荷载急剧增大时，沉降的增长率随荷载的增大而增加。地基土中局部范围内的塑性区，尤其是基础边缘处的剪应力达到土的抗剪强度，土体发生剪切破坏。随着荷载的继续增加，土中塑性区的范围也逐步扩大，直到土中形成连续的滑动面。地基沉降不能稳定后，地基进入了破坏阶段，由于土中塑性区范围的不断扩展，最后在土中形成连续滑动面，土从载荷板四周挤出隆起，基础急剧下沉或向一侧倾斜，地基发生整体剪切破坏[6]。
坑角效应是基坑空间效应的具体体现之一，它对建筑物的地基破坏有显著的影响。基础埋深会明显的影响建筑物变形及破坏[7]。大量的工程实例[8]也表示，基坑周边建筑物的倒塌及地面塌陷破坏大都为其地基基础在基坑开挖扰动过程影响下的结果。所以研究建筑物在基坑开挖中的稳定性可以从其地基基础入手。
3.2 稳定性计算理论模型
本文利用Midas-GTS对建宇商场基坑开挖过程进行分析，采用Mohr-Coulumb模型分别对不同开挖阶段进行数值模拟计算。此模型计算效率较高，适用于一般岩土体包括基坑稳定问题的计算。土体的抗剪强度是影响边坡稳定的要素，当剪切面上的最大剪应力大于或等于土体的破坏极限时，地基基础失稳发生破坏，此处岩土体的屈服准则符合Mohr—Coulomb 屈服准则[9]。Mohr-Coulumb 屈服条件为[10]：
为尽可能真实地反映建宇商场基坑开挖过程对周边建筑物基础稳定性的影响情况，截取现场一段基坑及周围地段作为数值模拟的计算对象。如图3.1所示的基坑，其长25m，宽13m，开挖深度为5m。基坑两侧地段长都为10m，其中基礎形状为5×5m2的矩形，基础埋深为4m。左侧基础距基坑距离为3m，右侧基础距基坑距离为2m，都为对中分布。地层分为三层，具体的力学参数见表1
3.3 基坑开挖数值模拟分析
（1）应力分析
通过施加基坑的自重应力和建筑物基础上的均布荷载，可以得到基坑的三维应力分布情况，并沿基坑长边的垂直方向做剖面，观察剖面应力云图。
由以上的应力云图可以看出基坑应力的分布除了受其自重应力影响外，主要的影响因素为基础上承受的建筑物重量。在基础和地基的界面处存在着明显的应力集中现象，最大水平应力可达到250kPa，这是由基础和地基土体弹性模量差异而导致的；在挡土排桩底部也有小部分应力集中现象。由于建筑物重量的存在，基础承受较大的垂直应力并向地基底部扩展传递。
随着开挖的进行，建筑物基础周围土体的应力分布规律没有明显的变化，水平应力分布大约在260～300kPa，垂直应力分布大约在150～230kPa。基础由于受上部建筑物荷载，垂直应力大约为750 kPa。基础底部至基坑的应力值随开挖加大，但由于挡土排桩的作用，建筑物基础底部至开挖基坑底部并没有明显的圆弧段应力等值线，所以建筑物基础不会出现圆弧形剪切破坏。
（2）位移分析
随着基坑开挖的进行，基坑产生了三维方向上的位移，得到三维模型的位移云图如下图所示。
通过图中位移云图可以发现，开挖过程中基坑底部会出现“底鼓”现象，基坑两侧土体向基坑侧有较大的位移，且随着开挖进行而增大。两侧的位移情况也有所差异，基坑右侧地表土地的位移值明显大于基坑左侧土体位移。挡土排桩上有较大的位移， 第二步开挖结束后基坑右侧中间的挡土排桩上出现最大位移。
第一步开挖时基坑两侧水平位移不相同，由于左侧建筑物基础距基坑较远，所以其位移值较右侧为小，其水平位移为2.4mm；而右侧的位移可以达到3.6mm。而观察位移分布范围可以发现，基坑开挖对其左侧土体影响范围要大于其对右侧土体的影响范围，这是因为基础材料与地基土体相比刚度、强度更大，表现的主要力学性质为弹性，所以基坑开挖后周围土体应力释放的范围波及不到建筑物基础。而左侧基础距基坑距离较长，土体的“缓冲区”也更大，影响范围也会更大。由于基础上承载着建筑物的重量，基坑开挖后，建筑物基础会沿弧线型规律下沉，两侧垂直方向上的最大沉降都在建筑物基础处，最大为0.7mm；由于受到基础的挤压作用和挡土排桩的支挡作用，基坑周围地表土体会有部分上升；基坑底部隆起值大约为3.7mm。
第二步开挖时位移分布的规律与第一步开挖大致相同，但其位移有所增大。观察总位移云图可以发现，右侧位移显著大于左侧位移，其中左侧总位移最大值在挡土排桩后的为5.0mm，而右侧总位移可达到7.5mm。左侧基坑的沉降值为1.0mm，而右侧基坑沉降值达到了1.7mm，基坑右侧土体沉降变化更为剧烈，地表土体容易发生塌陷现象。
3.4数值模拟与现场监测数据结果对比
选取现场中与数值模拟模型中位置相似的两个测点5#和8#，沉降值如表2所示，通过对比它们在两个开挖阶段中的沉降值可以发现，数值模拟结果的沉降值较实际监测值偏小，可能是由于数值模拟中未考虑开挖后土的固结而导致的土体沉降。
由于数值模拟只是模拟了基础的变形，并未有上层建筑的变形情况，所以水平位移测点选取建筑物上离地表最近的C1、C4测点进行比较，如表3所示。通过比较发现数值模拟的水平位移值仍然偏小，可能是由于数值模拟基坑模型只是截取沿基坑长度方向上的一个部分，其未模拟的两侧部分仍会对中间土体进行挤压而向开挖侧产生更大的水平位移。
通过对比现场监测变形与沉降值与数值模拟结果可以发现数值模拟的变形量虽然偏小，但其结果与现场监测变形规律大致相同。
4 结论
通过本文研究，可以总结出以下结论：
（1）通过对基坑周边建筑物的现场监测可以发现：在每一步开挖过程的前半阶段沉降与位移增长速率加快，而后半阶段沉降值增长速率减小，表现为曲线趋于平缓；第一步开挖建筑物的最大水平位移和垂直位移都在靠近基坑的一侧，分比为2mm和4.3mm；通过建筑物上下测点位移值的比较可以发现建筑物发生了略微倾斜。
（2）分析基坑开挖周围建筑物沉降与位移的数值模拟计算结果可以发现：基坑开挖的应力主要集中在基础底部与基坑底部的区域内；而最大沉降主要发生在建筑物基础部位，最大水平位移主要发生在基坑周边尤其是挡土排桩后的地表土地上。由于挡土排桩的支挡作用，建筑物基础不易发生弧形破坏，而在靠近基坑边坡的地表容易发生地表塌陷破坏。
（3）通过对比现场监测变形、沉降值与数值模拟结果可以分析得到：现场监测与数值模拟结果变形规律大致相同。数值模拟得到的沉降值和水平位移值较实测值都偏小，而建筑基础的倾斜在数值模拟中没有体现。总得来说模拟结果能较准确地反应现场实际情况。
（4）基坑支护是基坑施工中必不可少的一环结，建宇商场基坑工程中的挡土排桩埋深8m，比开挖埋深大3m，采用钢筋混凝土结构，能很好地抑制了建筑物基础沿基坑土体的弧形剪切破坏。为了减少基坑边坡附近地表发生塌陷破坏的风险，建议对建筑物周围地基进行地基处理，加固地基，并做好基坑的降排水工作。
参考文献
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