基坑开挖对周边建筑结构影响及破坏机理分析

韩杰浩

(太原经济技术开发区管委会，山西太原 030032)

中心城区建筑分布复杂，旧房屋拆除改建修筑高层的建筑时，对地基的要求更高，需要开挖深度更大的基坑才能满足承载力要求。然而，深基坑在开挖过程中，对周围环境的建筑结构会带来许多影响。基坑开挖过程受到许多因素的限制，施工工艺复杂［1］。为此，许多研究学者在深基坑开挖方面做了研究，唐孟雄等［2］通过数值分析按照正态函数推导出基础沉降的参数公式，以此保护地下管道和电缆。开挖工程引起基础沉降问题十分复杂，降水引起渗流作用也会固结土壤使之沉降［3］。此外，基坑开挖也会引起周围建筑或者围墙等发生开裂，有研究指出结构类型、材料特性、施工条件、气候环境对房屋结构产生裂缝都有影响［4，5］。同济大学边亦海等［6］综合了在基坑开挖过程中地表沉降曲线的变形结构尺寸、临界应变等因素，建立计算模型，用裂缝宽度来评价基坑开挖过程引起的建筑物潜在破坏类型和方式。处于深基坑开挖工程周围环境的建筑物，包括房屋、围墙、体育场等设施都会受到一定程度的扰动。然而这种扰动和离基坑之间距离的长短以及基坑开挖深度的关系还需要深入研究。笔者重点针对基坑开挖过程中周围环境中的房屋建筑发生的变化进行调查分析研究。进一步分析各种类型的病害发生的机理，深入分析变形破坏规律，以此为基坑开挖以及支护加固设计提供技术保障。

1 基坑开挖周边环境观测

基坑开挖工程是开发地下空间的一种作业，基坑的开挖有可能会引起周围建筑发生沉降、倾斜以及开裂等病害。

1.1 建筑基础沉降

在深基坑开挖过程中，周围建筑，特别是在此之前就处于上方的房屋建筑基础，在基坑开挖后，一侧失去水平力支撑导致基础发生沉降。随着开挖深度的增加，沉降量也在逐渐变化，沉降检测点布置情况如图1所示。在基坑开挖前，从调查观测房屋以外100 m处选取水准点测量房屋结构基础部位设置的①，②，③，④号测点的高程，其中①号测点距离基坑开挖位置最近，仅有8 m。在整个开挖过程中，距离基坑最近的测点沉降量最大，详细变化情况将于本文2.1节进行详细分析。

图1 沉降观测点位置

1.2 建筑结构倾斜

房屋建筑结构发生倾斜是由于基础部位均匀沉降或者侧向水平位移引起的，如图2中所示，建筑结构发生竖向位移时，基础结构从①，②，③，④位置移动到①′，②′，③′，④′点，根据相互对应点的不同时间的高程差计算结构的倾斜情况。

图2 建筑结构倾斜示意图

1.3 房屋墙面开裂

由于建筑结构基础部位发生不均匀沉降，引起应力重分布，基础的承载力各有差异，导致上部结构拉伸作用，当这种作用力达到一定程度之后，就会引起房屋墙体甚至是梁柱发生开裂。根据工程实际情况，在基坑开挖过程中，对房屋建筑的墙面裂缝进行调查。房屋总共9层，根据现场观察情况，8层和9层均未出现明显裂缝，如图3所示，4层～7层出现不少裂缝，其中裂缝宽度较大、长度较长的明显裂缝如图4所示。

图3 4层～7层明显裂缝

根据图3中所示，6层、7层主要为斜向裂缝，5层的部位主要出现了竖向裂缝，4层部位出现的斜向裂缝和纵向裂缝数量逐渐增多，且裂缝宽度也在增大。如图4所示，1，2，3楼的裂缝比楼层更高的墙面裂缝数量多，宽度大，且大多集中于①号观测点部位。

根据调查结果可知，越是靠近基础部位的楼层裂缝越多，而且裂缝密度较大，这些裂缝都是可以用肉眼直接看到的，初步调查，长达1 m以上的裂缝已经多达12条，大多集中在①号测点位置，越是远离该测点，裂缝数量越少，长度越短，宽度越小。除此之外，仍然存在许多没有显现出来的裂缝，这些裂缝被墙面涂料掩盖，但是仍然对建筑结构造成了很大影响。

图 4 1，2，3 楼裂缝

2 周边环境监测

在中心城区进行基坑开挖时，由于开挖后使得之前的填充材料确实引起支撑作用变化，因此对周边环境建筑物进行定时和定量监控检测十分必要。监测过程中，主要是对建筑结构的基础沉降以及建筑物裂缝进行监测，倾斜情况监测结果是根据基础各个位置发生不均匀沉降计算分析所得。

2.1 沉降观测

如图1所示，在观测建筑结构基础部位的四个棱角部位布置4个固定观测点，首先在开挖深度为0 m的时候，从100 m以外的某一位置埋设基本水准点，将高程引至观测建筑结构的基础位置，记录初始高程，然后开挖基坑，不同开挖深度的时候，对测点高程进行测定，检测时间在达到开挖深度后2天。随着开挖深度的变化，测得沉降观测点高程如表1所示。根据不同开挖深度时各测点高程观测结果，绘制出高程变化曲线，如图5所示。

由高程变化曲线可知，不同测点号的沉降量不同，①号测点的高程变化最为明显，降幅较大，刚刚开始的时候高程降低变化速率相对比较缓慢。当开挖深度达到4 m之后，沉降速度加快，深度达到12 m之后，沉降开始放缓，这是固结作用的影响引起的。从4个测点整体情况看，由于各测点到基坑开挖边缘距离不同，沉降量也不一样，④号测点距离最远，影响最小。

表1 沉降观测结果

图5 结构测点高程随开挖深度变化曲线图

2.2 倾斜监测

本研究中，倾斜度的观测是通过沉降差异进行评价。采用沉降最大、最小两点之间的差距进行计算，计算分析结果如表2所示。

表2 建筑结构倾斜情况分析结果

从计算结果看，随着基坑开挖深度的增加，建筑物的倾斜度逐渐增大，其变化规律和沉降变化相同。

2.3 裂缝观测

在裂缝观测中，在不同开挖深度的情况下裂缝条数通过人工观测，而裂缝宽度则采用裂缝测宽度仪进行检测，以便记录分析开挖过程中裂缝宽度变化的详细情况，如图6所示。

图6 智能裂缝联网观测

通过智能裂缝联网观测仪对裂缝变化情况进行动态观测，以此分析开挖方式、开挖速度以及深度对裂缝生长的影响。

3 破坏机理分析

在深基坑开挖过程中，周围建筑结构发生沉降、倾斜、开裂等破坏，不同的破坏类型存在不同的破坏机理，为进一步分析其破坏规律，本文对三种病害的机理进行分析。

3.1 沉降机理

在基坑开挖过程中，建筑结构自重对土产生附加应力作用。如图7所示，由于建筑旁的土体的自重应力将会产生主动土压力，在背离基础部位形成水平作用力，使得土基承载性能降低。再者，开挖基坑之后，原有地下水位线降低，基底内部土体的饱和度降低，静水压力作用会随之降低，土体的有效自重应力增大，可能引起下滑危险。地下水位下降后，由于孔隙率增大，基础对土基的压力作用没有改变，类似于排水固结试验原理，从而引起地表沉降。随着开挖深度的增加，地下水位逐渐降低，在此情况下，静水压力作用会逐渐减少，作用于土的直接应力会增大，从而使得地基沉降固结，固结前期沉降变化幅度和变化速度都相对较大，后期愈见缓慢，如果开挖深度基本恒定，沉降量增加到一定幅度后边界处于微小状态甚至停止沉降。

图7 开挖后土体受力与地下水位变化

3.2 倾斜机理

建筑结构发生倾斜是由于不均匀沉降引起的，在未开挖基坑的时候，随着开挖深度的变化，沉降量逐渐增大，距开挖基坑不同距离位置测点的沉降量各不相同。由于用于分析的建筑物基础测点位置距离开挖基坑边界尺寸不同，因此受到基坑开挖引起的影响程度不一样。基础沉降与距基坑开挖边界尺寸之间的关系如图8所示。

图8 开挖过程中基础沉降与水平位移

从图8可知，随着开挖深度的增加，开挖基坑坡面发生水平位移呈现先增大后减小的趋势，距离基坑边缘距离发生变化时，沉降量不同，0 m～10 m开挖深度时，其沉降量相对较小，开挖深度越大，沉降越大。基础结构的①，②，③，④号测点中，①号测点距离有8 m左右，沉降最明显。四个基础位置沉降差异引起建筑结构倾斜，倾斜角度根据沉降差计算，也可通过全站仪进行观测。

3.3 开裂机理

房屋建筑结构墙面甚至梁体发生开裂，是由于地基的不均匀沉降引起的。几个测点的高程变化使得建筑结构内部的应力重新分布。如图9所示，结构框架发生变形，局部下降幅度较大。在横向同样会产生应力分量，墙体内部发生拉伸剪切作用最终导致裂缝产生。

图9 应力重分布引起墙面开裂

建筑结构内部的应力重分布主要是由基础承载性能变化引起的，结构自身重力在内部形成大小不一、方向各异的作用力，导致墙面各处出现不同方向和长度的裂缝。

4 结语

通过对山西某中心城区房屋建筑深基坑开挖工程对周围建筑结构的影响，进行调查、监控以及机理进行分析，得到以下几点结论:1)基坑开挖过程中，地下水位变化以及建筑结构附加应力作用引起沉降。2)距离基坑越远，受惊扰越小，开挖深度越大，由于主动土压力作用，造成倾斜与平移影响效果明显。3)建筑结构发生变形引起内部应力重分布，最终造成房屋墙面产生裂缝。

［1］ 潘延平，王美华，鲁智明.中心城区深基坑工程建设周边环境风险控制指南［M］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［2］ 唐孟雄，赵锡宏.深基坑周围地表沉降及变形分析［J］.建筑科学，1996(4):31-35.

［3］ 施成华，彭立敏.基坑开挖及降水引起的地表沉降预测［J］.土木工程学报，2006，39(5):107-111.

［4］ 夏雪萍.砖混结构房屋裂缝原因分析及预防控制［J］.山西建筑，2001，27(5):17-18.

［5］ 尹 霞，陈学军，黄英娣.某区大面积房屋裂缝成因分析［J］.山西建筑，2007，33(28):145-146.

［6］ 边亦海，黄宏伟.深基坑开挖引起的建筑物破坏风险评估［J］.岩土工程学报，2006，28(sup):1892-1896.