基坑开挖对邻近高层建筑的影响分析及决策
?工程技术?
某基坑开挖对邻近高层建筑的影响分析及决策
宋二祥1
,王连启2
,池跃君
1
(11清华大学土木工程系,北京 100084;21国电房地产有限公司,北京 100031)
摘要:本文介绍了一基坑开挖对邻近高层建筑影响的分析、决策及实施结果,并对分析过程中所用
方法的某些方面,如地基承载力深度修正系数的取值、地基极限荷载的有限元分析等进行了讨论,
对类似工程问题的分析有一定参考价值。关键词:基坑开挖影响;地基承载力;决策中图分类号:T U472文献标识码:A
Abstract :Analysis ,policy decision and result of im plementation for the in fluence of foundation excavation on adjoining highrise building are intro 2
duced herein.Relevant aspects in the analysis process are discussed ,which may be useful for the analysis of similar engineering problems.
K ey w ords :in fluence of foundation excavation ;ground bearing capacity ;policy decision
收稿日期:2000211227;修订日期:2001202220
作者简介:宋二祥(19572),男(汉族),河北博野人,教
授,博士生导师.
1 引言
在土建工程中时常遇到在已有建筑邻近开挖基坑的情况
。基坑的开挖对邻近建筑自然会有不同程度的影响。对此我们首先想到的是,基坑开挖引起,当变形达到一定程度时,会引起邻近建筑的倾斜、开裂甚至更严重的破坏。但从另一角度来看,按地基承载力理论,基坑的开挖还会影响邻近已有建筑的地基承载力,因为基坑的开挖意味着邻近建筑地基周边超载的减小。对此问题自然也不容忽视,特别是当邻近建筑建成的时间还不长的情况下更是如此。
当然,重视基坑开挖的影响,也不能过于保守。基坑工程设计施工的基本原则同样是既要保证安全,又要经济合理。这就要求我们较准确地估计基坑开挖的影响,以确保安全又不造成浪费。由于岩土工程问题的复杂性,这往往需要认真的、多方面的分析。
本文结合北京小关华直宿舍地下车库开挖对邻近高层住宅建筑的影响分析及处理决策,对有关问题进行了讨论,以期对类似工程问题的处理有一定参考价值。
2 工程概况及主要问题
小关华直宿舍工程位于北京北四环南侧,包括3栋25层的高层住宅建筑及与之相邻的地下车库。
图1 高层住宅及车库基坑剖面
图1为该工程的一个剖面图,高层住宅和车库的埋
深接近,约为7m 。地下车库的施工是在相邻高层住宅的结构刚刚完工之后,由于其间距很小,需考虑车库开挖对刚刚建成的高层建筑的影响。
3栋高层住宅楼均为现浇剪力墙结构,地下2层,箱形基础,基底埋深约7m ,基底压力标准值为300kPa 。基础基底基本落在粉砂层(编号②4),其承载力标准值为290kPa ,持力层下有一软弱粘土
层(编号③1),其承载力标准值为220kPa 。地下水位在基底以下。
按规范规定,新旧基础间的高差ΔH 与其水平距离L 之比小于015～110时,可以认为在新基础施工开挖时一般不会对已有建筑造成较明显的影响。这里ΔH ΠL 完全符合上述条件,故可认为不存在什么问题。但按地基承载力理论,在车库基坑开挖后,相邻高层建筑地基的外围超载减小,会降低其承载力。由于车库开挖时邻近高层建筑刚刚封顶,故有必要考虑车库开挖的影响。
设计单位在高层住宅的设计阶段已注意到随后的车库开挖对高层建筑的影响,据《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》(DB J012501292)验算后认为车库开挖之后,甚至包括车库建成之后,高层住宅地基的承载力,主要是软弱下卧层的承载力不能满足。为此曾有采用刚性桩复合地基的方案。
为最终作出决策,建设单位委托清华大学土木系对该问题进行论证,以下简要介绍对此问题的分析过程
、方法以及最终决策和实施情况。3 按规范方法进行承载力验算
按北京规范,地基持力层承载力验算公式为
p ≤f a
(1)f a =f ka +ηb γ(b -3)+ηd γ0(d -115)
(2)
式中 p ———基底压力标准值;f a ———地基承载力
标准值(不同于国家规范);ηb 和ηd ———承载力的深、宽修正系数,其取值决定于承载土层的性质;其余符号之意义见规范。
对软弱下卧层承载力的验算与上类似,只是计算其层顶压力时据实际情况考虑附加压力有一定的扩散角,同时在计算其承载力的标准值时,不考虑宽度修正。
设计单位按上述公式验算后认为软弱下卧层的承载力不能满足。经分析,我们认为有以下3个问题需重新考虑:①荷载取值问题,在车库开挖时是否按满载考虑;②承载力验算时深度修正系数的取值问题;③基坑与已有建筑基础间净间距中覆土重量是否考虑,以及如何考虑的问题。
对上述的第1个问题,考虑到车库开挖时相邻高层建筑尚未投入使用,也未进行装修,实际荷载达不到满载,经论证可按满载的80%考虑。其余两个问题讨论如下。311 深度修正系数的取值问题
该工程中的软弱下卧层为粘性土,北京规范对
粘性土仅给出深度修正系数ηd 的取值范围为110～115,同时又在注释中讲“对饱和土取低值”。因此
设计单位在验算中取较低的值ηd =111。
我们认为,粘性土的承载力应综合考虑其孔隙比e 和液性指数I L 来确定。仅看含水量或是否饱和不能够确定粘性土的软硬及强度。液性指数是土的当前含水量w 相对于土的塑限w p 和液限w 1情况的一个反映,能较科学地反映粘性土的软硬。在国家规范中,对粘性土承载力的深度修正系数给出111和116两个值,具体取值规定由e 和I L 来确定。对这里所考虑的粘性土层,其I L =0125ν0185,e 也小于0185,按国家标准其深度系数将取较大的值116。所以我们认为这里的深度修正系数可取较大的值。
另外从深度修正的实质来看,它是反映基础周围有超载时使地基承载力的提高。基础周围的超载,对几乎处于流动态的土,所提高的承载力也会略大于超载本身,即对很软的土ηd 也会略大于1,1是ηd 的最低极限。按理论公式来看,内摩擦角φ=0度时,深度的修正系数为1,而粘土层③1的内
摩擦角为10°(该土层的厚度约3m ,其上下土层渗
透性均较好),按国家规范针对条形基础提出并考虑了安全储备之后的承载力计算公式,此时的超载影响系数为1173(见国家规范的表51114)。
据上述分析,我们建议对永久承载力验算取深度修正系数ηd =1130,对开挖阶段的验算取114。312 基坑与相邻建筑基础间覆土重量的考虑
这个问题较复杂,定性来看基坑与相邻建筑基础之间的覆土重量应该起到一定的有利作用,但如何定量考虑其影响,是个有难度的问题。这里我们按地基承载力的滑移线理论进行分析。
对软粘土层其内摩擦角较小,滑移线与地面夹角接近45°,由滑移线的形状(见一般土力学教科书)可知,基础附近滑移土体宽度等于基础宽。由此粗略分析,可以把基础与基坑净间距间的覆土折算为略大于地基破坏时影响范围之内的土层。再参照规范的要求,对大于6m 宽的基础按6m 考虑。由此建议分布范围取10m ,即约为影响距离的115倍。
在上述讨论的基础上,着重验算了距车库最近的2#楼的地基承载力。2#楼基础与车库基坑间净间距214m (314m 减1m 肥槽),其中有覆土7m 厚,
可折算为10m宽度上的覆土117m厚,这样承载力满足。同时考虑到车库基坑的开挖仅在高层建筑矩形平面的一侧进行,其余三侧仍为正常埋深情况,
综合考虑这些可认为承载力的安全储备是足够的
。
图2 地基破坏时的增量位移场
4 有限元法计算分析
由于上述分析还是较粗略的,我们又用有限元法分析了地基的极限承载力和正常荷载下的基础沉降。
411 承载力计算
对地基承载力的有限元计算我们有较多的研究,当采用合适的单元及较完善的求解方法时,对均匀地基可以得到与特征线法很接近的结果,由此说明其计算是可靠的。但这两种方法有一共同的问题,就是计算得出的承载力随基础的宽度B线性增大。对此工程,如按其基础实际宽度30m计算,则在周边不开挖的情况下,地基极限承载力为4500kPa,开挖后为1700kPa,显然这是不可能的。原因在于基础尺寸大的情况下,荷载及地基土质的不均匀使地基发生局部破坏,不同于上述的整体破坏。另外基础宽度大时,同样大小的分布荷载会产生大的沉降。
为控制沉降量
,允许承载力必然要远小于理论上的极限承载力。所以规范规定在基础宽度大于6m时按6m考虑。这里我们同样采用这一思想,取基础宽度为6m,同时为简化计算近似用平面模型进行分析,基础以右到无穷远均有超载作用(取超载为18×7=126kPa),基础以左只在214m宽的范围内有超载(参见图2)。计算所得荷载2位移曲线如图3,由图得出极限承载力为520kPa。如对基础埋深范围的覆土实际情况考虑,即同样用有限元模拟,而不是用荷载代替,则计算得出开挖后地基极限承载力为600kPa。实际的极限承载力应在520～600kPa之间。考虑此时高层住宅尚未承受满载,安全系数可大于2。
412 变形计算
图3 车库开挖后地基的荷载2位移关系曲线
沉降计算按基础的实际宽度进行,这里一要注
意模量取值,二是压缩层的厚度应有一大致的估计。
为减小计算量,仍按平面问题进行分析。计算所用有限元网格可参见图4,其中的黑实线为一刚性框架,对其刚度参数给足够大的值,用以模拟刚度很大的箱基。其细部尺寸的差别相信对计算结果不会有多大影响。土层力学性质参数参照地基勘察规范取值,但对粘性土的内聚力c最大取35kPa,小于勘察报告所给值45kPa。对土的模量则考虑取土过程的扰动使试验值偏低,据有关参考资料适当取大一些(115倍)。计算时大体模拟施工的过程,在生成地基、基础的初始应力状态后,在箱形基础上施加竖向荷载,使基底平均压力近似达到300kPa,然后在左侧开挖至7m深度。
图4 满载作用下的永久沉降
图5 车库开挖引起的变形
施加竖向荷载后体系的变形见图4,此时基础的沉降约为10cm,该数值为永久沉降的近似值,建
筑物刚建成后的沉降应较此值小。需注意的是所施加的荷载300kPa是偏大的,因计算沉降时应采用按荷载的长期效应组合求出的荷载准永久值。所以该地基的最大最终沉降估计为7～8cm,是较小的。
在左侧开挖之后,仅由开挖引起的变形见图5,这里建筑物向左侧移动约8mm,基础左侧沉降约112cm,右侧沉降不到1mm,基础的倾斜约0100035,远小于规范规定的01002。
5 结合现场实测作出最终决策
根据上述计算我们认为车库的施工开挖对邻近建筑的影响不大,但为了慎重起见,我们在高层建筑的施工过程中对其基础的沉降进行观测,以根据观测结果进一步对其地基作出评价。
观测给出结构封顶时的沉降最大值仅为2cm左右,表明地基情况较预想的还要好一些。因此决定在基坑开挖过程中不对高层建筑的地基采取什么特殊措施,仅在开挖过程中严禁超挖,并加强观测。
6 实施结果及体会
目前,车库施工已基本完工,车库基坑的开挖对地下结构的影响很小。观测表明开挖前后高层住宅基础沉降的变化约为1cm,确实不大。
通过处理此工程问题我们有以下几点体会:
(1)对工程问题要持慎重态度,但也不要盲目保守,以免造成浪费;
(2)解决工程问题时要注重概念分析,否则难以作出准确的估计;
(3)解决岩土工程问题要注意按规范方法、现场实测及有限元计算综合考虑作出决定;
(4)对有限元方法,要了解其作用及局限性,不可机械地套用,否则难以给出符合实际的结果;
(5)本文方法对类似工程有一定借鉴价值,但有些问题仍待深入研究,如地基承载力的计算,局部超载作用的定量估计方法等还有待深入研究。
(本项目的沉降观测工作由本系工程测量教研室完成,同时得到施工单位的协助,在此表示感谢!)
参考文献
[1] 北京地区建筑地基基础勘察设计规范(DB J012501292),北
京,1993.
[2] 建筑地基基础设计规范(G B J7289),北京:中国建筑工业出
版社,1989.
[3] 宋二祥.结构极限荷载及软化性态的有限元分析.第四届全
国结构工程学术讨论会论文,福建泉州,1995.
海峡两岸城市地下工程与环境保护学术研讨会征文通知
由中国建筑业协会深基础工程分会与台湾财团法人地工技术研究发展基金会联合主办的海峡两岸城市地下工程与环境保护学术研讨会定于2002年4月在上海市举行。
会议将就海峡两岸城市中各类地下工程(含地下建筑、地下交通工程、地下市政设施、地下空间开发利用、建构筑物深基础、深基坑工程以及人防工程等)的勘察设计、施工、检测与监理等方面的主要经验教训与科研成果,以及地下工程施工对环境的影响和保护技术等进行交流和研讨。欢迎全国各地专家学者踊跃投稿。论文集将在会前正式出版,并在海内外发行。
请应征者于2001年8月31日前将论文摘要(中英文,不少于500字)报送本次会议论文编审委员会。论文编审委员会将于9月20日前通知经初审录用论文的作者按统一格式提交论文中文全文及英文摘要。
有关论文事宜联系地址:
310012杭州市莫干山路武林门新村13号
杭州市勘测设计研究院
联系人:周群建、张美珍
传真:0571-******** 电话:0571-******** E2mial:shipcidong@1631net
来信信封上及来电开头均请注明“两岸会议稿件”。
会议组织委员会、学术委员会及论文编审委员会名单详见第一号通知。