预估深基坑开挖对周边建筑物影响的简化分析方法

第32卷 增刊1 岩 土 工 程 学 报 Vol.32 Supp.1

2010年7月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering July 2010

预估深基坑开挖对周边建筑物影响的简化分析方法

王卫东，徐中华

（华东建筑设计研究院地基基础与地下工程设计研究所，上海 200002）

摘 要：提出了预估上海地区深基坑开挖对周边建筑物影响的简化分析方法。首先根据上海地区的大量工程实测数据

提出了地表沉降曲线的预估方法并验证了其合理性；然后提出了预估基坑开挖引起的建筑物附加变形的计算方法；最

后给出了根据角变量来评估基坑开挖对建筑物影响程度的评判标准。具体工程实例给出了应用简化分析方法的详细流

程，验证结果表明该方法能较好地预测基坑开挖对周边建筑物的影响。

关键词：深基坑；地表沉降；建筑物损坏；简化分析方法；环境影响

中图分类号：TU476 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2010)S1–0032–07

作者简介：王卫东(1969– )，男，辽宁辽阳人，博士，教授级高级工程师，主要从事基坑及桩基的设计与研究工作。

E-mail: weidong_wang@https://www.wendangku.net/doc/c29793846.html,。

Simplified analysis method for evaluating excavation-induced damage

of adjacent buildings

WANG Wei-dong, XU Zhong-hua

(Department of Underground Structure & Geotechnical Engineering, East China Architectural Design & Research Institute Co., Ltd.,

Shanghai 200002, China)

Abstract:A simplified analysis method is proposed to evaluate excavation-induced damage of buildings. Firstly, the method of

predicting ground surface settlement profile is proposed based on a large number of monitored data of deep excavations in

Shanghai soft ground. It is proved that this method is suitable for estimating ground surface settlement. Secondly, a calculation

method of additional deformation of adjacent buildings is proposed. Thirdly, the criteria are proposed for evaluating damage of

buildings according to angular distortion. A case history is presented to illustrate the detailed procedures of adopting the

simplified analysis method. It is shown that the results obtained by the simplified analysis method agree with the monitoring

data.

Key words:deep foundation pit; ground settlement; building damage; simplified analysis method; environmental impact

0 引 言

上海地区的基坑规模越来越大，开挖深度越来越深，且市区建筑物密集，使得因基坑开挖造成邻近建筑物受损的事件常有发生。例如位于上海市中心城区的某大楼是上海市第一批优秀历史保护建筑，距离其18 m的深基坑开挖直接导致其沉降超过6 cm，导致这栋建筑物160多处出现碎裂、开裂、渗水、起皮剥落、瓷砖空鼓等，使得这座历史的活见证已岌岌可危。又如上海市徐汇区的某建筑是建于20世纪30年代的砖木结构建筑，为上海市第二批历史保护建筑，受邻近9 m远处深度为11.35 m基坑开挖的影响，出现了明显裂缝，最后楼内人员全部撤离，结构也需要进行加固处理，造成了极大的损失。基坑工程施工对周边建筑物造成的损伤或破坏性影响，不仅会引起重大的经济损失，更将造成严重的社会影响，且其损失是难以挽回的。因此预估基坑开挖对周边建筑物的影响成为工程师必须面临的工作。

预估基坑开挖对周边建筑物的影响主要有两种方法，即有限元方法和简化分析方法。有限元方法一般需考虑基坑与周围建筑物的相互作用，分析时涉及到土体本构模型的选取、计算参数的确定、周边建筑物的存在对土体应力场影响的模拟等，且周边建筑物本身如何模拟及其参数确定也存在较大难度，因此要获得较好的结果难度很大，且不易为工程师所掌握。简化分析方法不考虑基坑与周边建筑物的相互作用，即认为基坑周边的建筑物所在位置的地表沉降值即为该位置建筑物的沉降值，进而用来预估基坑开挖对周边───────

基金项目：上海市科学技术委员会科技攻关重点项目（0820120090）收稿日期：2010–05–06

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建筑物的影响。其预估过程一般可分为3个步骤，即

先确定基坑开挖引起的地表沉降，然后确定基坑周边

建筑物所承受的附加变形，最后根据建筑的损坏准则

判别对建筑物的损坏程度。简化分析方法简单明了，

且是建立在工程经验的基础上，预测结果有一定的可

靠度，易于为工程师掌握。本文根据上海地区深基坑

的工程经验，提出简化分析方法各个预估步骤中的具

体评估方法，最后以工程实例验证方法的适用性。

1 墙后地表沉降曲线预估

简化分析方法的关键是确定基坑开挖引起的地表

沉降曲线，这里先根据上海地区大量板式支护基坑的

地表沉降实测数据，提出预估墙后地表沉降的方法，

并且验证方法的可靠性。

1.1 墙后地表沉降形态

对于板式支护体系，墙后地表沉降形态与围护墙

的变形形态相关，一般可分为三角形和凹槽形两种[1]。

当开挖初期即产生较大的围护体变形，而后续开挖变

形较小或继续造成围护墙类似悬臂式的变形时，则墙

后地表沉降一般为三角形形态（如图1（a）所示），

且最大沉降发生于紧贴围护墙处。当开挖初期产生的

围护体变形和墙后地表沉降均不大，后续开挖时支撑

的作用使得支撑处围护结构的变形增加不大，而开挖

面处的围护结构变形增加较大，即围护结构发生较大

的深层变形，这使得围护墙顶端与地表交界处的地表

沉降不大，地表最大沉降发生于距围护墙后一定距离

处，形成凹槽形沉降形态（如图1（b）所示）。上海

地区板式支护基坑一般在初期开挖时引起的围护结构

变形较小，后续施工也一般是先支撑后开挖，围护结

构变形逐渐向深层发展，因此板式支护基坑的地表沉

降形态主要表现为凹槽形。

(a) 三角形沉降曲线

(b) 凹槽形沉降曲线

图1 墙后地表沉降形态

Fig. 1 Modes of ground surface settlement profile

1.2 上海地区墙后地表沉降曲线统计

图2给出了上海地区14个工程的墙后地表沉降实测数据，其中横坐标为坑外某点距围护墙外侧的距离与基坑开挖深度的比值，纵坐标为坑外地表某点的沉降与最大地表沉降的比值。Hsieh和Ou[1]根据大量的工程案例提出了预估凹槽形沉降曲线的简化方法，如图2中的折线EBCD。根据上海地区地表沉降实测的情况，对Hsieh和Ou（1998）提出的预估曲线作了局部调整，即采用图2中的折线ABCD作为沉降的预估曲线。该沉降预估曲线表明，最大沉降位于墙后0.5

H 处；在距离2H范围内的区域是沉降较大的区域，称为主影响区域；在距基坑2H~4H的范围内沉降较小，称为次影响区域，在4H处沉降衰减至零。因此，知道了基坑的开挖深度及最大地表沉降就可给出墙后任一点的地表沉降值。

图2 上海地区的墙后地表沉降统计分析 Fig. 2 Statistic analysis of ground surface settlement of deep foundation pits in Shanghai

1.3 最大地表沉降的预估

最大地表沉降δvm可根据最大地表沉降与围护结构最大侧移之间的关系确定。图3给出了上海地区最大地表沉降δvm与围护结构最大侧移δhm之间的统计关系，可以看出δvm随着δhm的增大而增大，地表最大沉降δvm基本介于0.4δhm

~2.0δhm，平均值为0.81δhm。一般情况下可考虑最大地表沉降为围护结构最大侧移的0.8倍。因此要确定最大地表沉降尚需确定围护结构的最大侧移δhm。

图3 上海地区最大地表沉降与围护结构最大侧移间的关系 Fig. 3 Relationship between maximum lateral displacement of wall and maximum ground settlement

预测围护结构的最大侧移，可采用弹性地基梁方法、有限元方法，也可以根据上海地区大量各类围护

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结构（板式）的变形实测统计确定。其中弹性地基梁方法在上海地区积累了非常丰富的经验，其预估的围护结构侧移具有相当的可靠度。

文献[2～5]分别对上海地区的逆作法基坑、采用地下连续墙围护的基坑、采用钻孔灌注桩围护的基坑及采用SMW 工法围护基坑的围护结构变形实测数据作了统计分析，如图4～7所示，可作为预估各类围护

图4 逆作法基坑δhm 与H 的关系[2]

Fig. 4 Relationship between δhm and H of deep foundation pits

constructed by top-down method [2]

图5 地下连续墙δhm 与H 的关系[3]

Fig. 5 Relationship between δhm and H of deep foundation pits

retained by diaphragm walls [3]

图6 灌注桩δhm 与H 的关系[4]

Fig. 6 Relationship between δhm and H of deep foundation

pits retained by contiguous bored pile walls [4]

图7 SMW 工法基坑δhm 与H 的关系[5]

Fig. 7 Relationship between δhm and H of deep foundation pits

retained by soil mixing walls (SMW) [5]

形式基坑最大侧移δhm 的参考。

1.4 墙后地表沉降曲线预估流程及验证

（1）墙后地表沉降曲线预估流程

根据前面的论述，地表沉降曲线可根据地表沉降与围护结构侧移的关系来预估，其预估步骤如图8所示。

图8 预估基坑开挖引起的地表沉降曲线步骤

Fig. 8 Flow chart of estimating ground surface settlement caused

by excavation of deep foundation pits

（2）墙后地表沉降曲线预估验证

为了验证图2折线ABCD 是否适合于上海地区的基坑工程地表沉降的预测，收集了上海地区12个基坑工程的有关地表沉降数据及围护结构的变形曲线。根据实测的围护结构最大侧移及地表最大沉降为最大墙体侧移0.8倍的关系来预测墙后地表沉降曲线，并与实测结果对比。相关案例的验证如图9所示，部分数据引用的参考文献列于文献[5]。

图中的对比可以看出，预测的地表沉降曲线基本

上能与上海地区的实测结果相吻合，因此采用该沉降曲线来预测上海地区基坑的墙后地表沉降曲线是合理的。

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图9 上海地区预测的地表沉降与实测地表沉降的对比

Fig. 9 Comparison between estimated ground surface settlement and observed results

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2 预估建筑物由于基坑开挖引起的附

加变形

在确定了基坑开挖引起的地表沉降曲线后，接下来就是预估由于基坑开挖引起的基坑周边建筑物的附加变形。基坑与其周边的建筑物是一个相互作用的系统，在简化分析方法中，并不考虑这种相互作用，即假定建筑物不存在的条件下，预估自由地表（green field）的沉降，并认为建筑物所在位置的自由地表沉降值即为该位置建筑物的沉降值。由于建筑物与基坑共同作用的存在，实际产生的地表沉降与自由地表沉降必然存在一定的差别。一般而言，建筑物具有一定的刚度，即具有一定抵抗变形的能力，其刚度的影响会使得实际的地表沉降略小于自由地表下的沉降；另一方面，建筑物的自重对基坑而言又是一种超载，其作用会导致实际沉降略大于自由地表的沉降。综合这两种因素的影响，考虑建筑物存在的情况下所产生的地表沉降可能与不考虑建筑物存在（自由地表）的情况下产生的沉降相差不大，因此，作为工程应用而言，简化分析方法的这种假设具有其合理性。

基坑开挖引起周边建筑物的有关附加的变形量如图10所示，这些变量包括建筑物某点的附加总沉降ρi、某两点间的差异沉降δij、用来描述沉降曲线坡度的转角θij（定义为第i点和第j点之间的差异沉降δij 与这两点之间的距离L ij的比值）、刚体转动量ω及角变量βij（定义为转角θ与刚体转动量ω的差值）。当建筑物发生刚体转动时并不会引起建筑物构件的扭曲变形，因此建筑物的梁、柱、墙及基础等不会发生开裂破坏。上述变量中，与建筑物构件扭曲或开裂直接相关的参数为角变量β，因此预估基坑开挖引起的建筑物的附加变形主要是确定建筑物的角变量β。

图10 建筑物变形变量定义示意图

Fig. 10 Definition of building distortion

从上述定义可以看出角变量β可表示为

/()/

ij ij ij ij i j ij

w L w L w βθδδδ

=?=?=??，(1) 式中，δi和δj分别为相邻基础处的附加总沉降，可以根据地表沉降曲线直接确定，而L ij为相邻基础的距离。刚体转动量ω的确定较为困难，部分专家认为对于一般条形基础或独立基础的多层砖混结构或框架结构，w较小，分析时可取其值为零，从而直接计算角变量β，且这还是较为保守的估计。

3 判断建筑物的损坏程度

由于影响因素繁多，使得建筑物因沉降而受损的机理非常复杂，也就难以采用理论分析的方法来求得建筑物的容许沉降量。因此，目前关于建筑物容许沉降量的有关标准都是建立在已有建筑物现场沉降及损坏现象观测的基础上。Bjerrum[6]在前人研究的基础上，结合自己的有关观测资料，总结了建筑物损坏与角变量之间的关系如表1所示。后来的一些学者如Burland和Wroth[7]、Boscardin和Cording[8]等也陆续进行了建筑物容许沉降量的研究，但所得到的结果基本与表1所建议的值相差不大。表1适用于坐落于任何土层的钢筋混凝土框架结构和砖混结构，也适合于独立基础或筏板基础的建筑物。

因此根据前面得到的由基坑开挖引起的建筑物的角变量β后，就可以根据表1的角变量与建筑物损坏程度的关系来评估基坑开挖对建筑物的影响程度。如果预估的建筑物损坏程度不可接受，则可以修改设计参数并重新进评估分析。

表1 角变量与建筑损坏程度的关系[6] Table 1 Relationship between angular distortion and damage of buildings [6]

角变量β建筑物损坏程度

1/750 对沉降敏感的机器的操作发生困难

1/600 对具有斜撑的框架结构发生危险

1/500 对不容许裂缝发生的建筑的安全限度

1/300 间隔墙开始发生裂缝

1/300 吊车的操作发生困难

1/250 刚性的高层建筑物开始有明显的倾斜

1/150 间隔墙及砖墙有相当多的裂缝

1/150 可挠性砖墙的安全限度(墙体高宽比L/H>4)

1/150 建筑物产生结构性破坏

4 案例分析

这里以一个具体的工程实例说明采用简化分析方法预估基坑开挖对周边建筑物可能产生的影响。图11为该基坑的平面图及周边环境状况。东侧基坑开挖深度12.2 m，西侧基坑开挖深度14.2 m。基坑周边紧

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邻众多建筑物及地下管线，基坑环境保护要求极高。

建筑A为上海市优秀近代保护建筑，建于1949年，大

楼高8层，为钢筋混凝土框架结构，采用钢筋混凝土箱

基加木桩，承载能力满足要求。大楼在基坑施工前运

行良好，为完好房。建筑B为上海市优秀近代保护建

筑，1934年竣工，七层钢筋混凝土框架结构，原设计

为4层，抗战时期增建二层，解放后又加建一层，建筑

高25.9 m。大楼的基础为梁板式片筏基础，并有3.66～

7.32 m长的木桩。大楼有一定的不均匀沉降，但沉降

稳定。建筑C亦为上海市优秀近代保护建筑，建于1903

年，为4层条基砖混结构，有明显的向东和向北倾斜，

但沉降稳定。

图11 某基坑平面图及周边环境状况

Fig. 11 Plan of a construction site and layout of surrounding buildings

本工程采用全逆作法的设计方案。围护结构采用两墙合一的地下连续墙，靠近建筑A、建筑B一侧墙厚1 m、深31.2 m；靠近建筑C一侧墙厚1 m、深29.2 m；汉口路、四川中路侧墙厚0.8 m、深25.2 m。采用结构梁板作为围护结构水平支撑体系，在局部楼板空缺处另设置临时支撑进行水平力的传递，基坑西侧在-10.700 m标高处增加一道临时混凝土支撑。采用一柱一桩承担施工期间的荷载及同时施工的上部结构荷载。框架柱部位的支承柱结合主体结构的Φ609 mm 钢管混凝土柱，其下为Φ900 mm钻孔灌注桩。在地下室逆作施工完成时，上部结构可同时施工至第三层。

简化分析方法的分析为平面分析方法，因此对建筑物A选取了如图11所示的分析断面进行分析。具体分析步骤如下：

（1）采用规范[9]推荐的平面竖向弹性地基梁方法分析了围护结构的变形，得到邻近建筑物A

侧的地下连续墙的最大侧移为26 m。

（2）根据上海地区的统计关系，取最大地表沉降与围护结构最大侧移的比值为0.8，得到最大地表沉降值为20.8 mm。

（3）采用图2所示的无量刚化地表沉降曲线（折线ABCD），得到地表沉降曲线如图12所示。

（4）假设建筑物的刚体转动量为零，根据图12的地表沉降曲线，得到间隔1、间隔2、间隔3和间隔4承受的最大角变量β分别为1/2100、1/1100、1/1100、1/10600。

（5）考虑建筑A为上海市优秀近代保护建筑，其可容许的角变量估计为βmax＝1/500，可以看出各个间隔承受的最大角变量均小于建筑物容许的角变量βmax，即可保证在基坑开挖阶段建筑物的安全。

图12 预测建筑物承受的沉降曲线

Fig. 12 Estimated settlement of buildings

施工过程中对该建筑物进行了监测，结果表明，该建筑物产生的最大角变量为1/1200，且该最大角变量还包含了基坑开挖前期由于地下连续墙施工和预降水引起的角变量（该两阶段建筑物承受的角变量为1/2900）。监测还表明，该建筑物原有的裂缝并没有进一步发展，建筑物的正常使用未受影响，即基坑施工并未对建筑A产生损坏。这也表明，采用简化分析方法预测的结果与实测结果基本吻合。

5 结 语

建筑物密集的城市区域的基坑工程设计和施工给工程师带来了越来越严峻的挑战，稍有不慎就可能酿成巨大的工程事故，因此合理地预估基坑开挖对周边建筑物的影响程度是工程师面临的重要工作。基坑与周边建筑物是一个相互作用的体系，由于问题的复杂性，要合理地预估基坑开挖对周边建筑物的影响程度往往存在较大的难度。本文提出了预估基坑开挖对周边建筑物影响的简化分析方法及其一般流程，首先根据上海地区的大量工程实测数据提出了地表沉降曲

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线的预估方法并进行了验证；然后提出了预估基坑开挖引起的建筑物附加变形的计算方法；并给出了根据角变量来评估基坑开挖对建筑物影响程度的评判标准；最后以一个具体工程实例给出了利用简化分析方法预估基坑开挖对周边建筑物影响的详细流程，从而为复杂环境条件下的基坑工程设计提供了一种预估基坑开挖对周边建筑物影响的实用分析方法。目前，该方法已被新编制的上海市《基坑工程技术规范》所采用。

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（本文责编黄贤沙）