1 绪论
1.1 研究背景
根据 2017 年土地占用率数据显示，国内 95 个城市建设用地为 31449.8 公顷，交通运输用地占 20.17%，公共管理与公共服务用地占 20.32%，商服用地占 17.11%，工矿仓储用地占 18.48%，住宅用地占 22.86%，其他用地占 1.06%。从以上数据中可看出，国民经济发展加快的同时也促进了城市化的发展进程，住宅和商服用地在城市建设用地中占据了很大的比重，其中还不包括公共管理用地等。除了某些偏远地区外，各省市的建筑用地资源也越来越匮乏，城市建设的增长速度远无法满足人们的生活需求，由此城市格局的发展趋势逐渐发生改变，商住建筑、高层写字楼及地下空间工程实现了跨越式发展，在这种发展趋势的大环境下，基坑工程施工面临很大挑战性，尤其对于城市基坑工程。由于大多数在建项目都位于城市商业区内，所以施工区域周边大多数为写字楼、商场、住宅区、道路等，这些因素必然增大基坑施工难度。虽然基坑工程的大规模发展一方面使得城市的建设发展更加完善，但另一方面又会给周边环境造成一定的不良影响[1]。例如，地层的移动和地表的过度沉降会对路面交通，地下管道，地面建筑物等产生不利影响，甚至造成财产损失和生命安全等严重后果。因此，在城市基坑工程中，不但要确保基坑工程在施工过程中的稳定性，而且还要密切关注基坑施工对周边环境的影响程度，以免周围土体发生沉降过大的现象，给周邻建筑物和基础设施带来不良影响，引发周邻建筑物发生过大倾斜和城市道路及其附属设施出现开裂现象[2]。
当前根据基坑工程设计规范要求，可以将支挡结构和周围土体的应力和变形值计算出。虽然在一定程度上可以反映出基坑的变形状态和地表沉降的影响范围，以此来确保基坑工程顺利开展，但是由于基坑在开挖过程中受地理环境的影响，难以根据经验工程得出基坑变形的通用理论，同时在实际基坑工程中，存在各类因素会影响基坑开挖，如施工条件、周边邻近荷载、地下水位变化、周围建筑基础类型等[3]。因此，基坑施工对周围环境的影响研究应立足于实际工程，更具现实意义。
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1.2 研究意义
基坑开挖引起的周围地层变形是一个时空连续动态发展的过程。基坑周邻建筑物及地下管线等容易受到土体开挖的影响，应采取现场监测的方式，以便于全方位地观测基坑和周边土体区域的动态变化，并采用数值分析的方法来预测基坑及围护结构的变形趋势，及时发现问题，结合实际情况调整支护设计，并拟定合理的调控措施，以此控制基坑变形并确保基坑开挖顺利完工，更好地避免基坑开挖过程 中周边建筑物和构筑物沉降过大的问题出现。在基坑施工对建筑结构的变形研究中，本文利用了基坑坡顶的水平变形以及建筑物沉降的实时监测数据对其进行全面地分析，准确地观测在施工阶段中基坑与坑外建筑结构的动态变化过程，为科学安全地进行基坑开挖提供了参考依据。与此同时，本文还建立了基坑数值模型，分析基坑及建筑物在支护参数及基础上部均布荷载不同情况下的变形特征，研究成果能为类似的实际工程提供一定的参考性（文中对建筑物变形的研究主要体现在建筑物的竖向沉降）。
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2 基坑与建筑物变形的相关理论
2.1 基坑变形理论
2.1.1 支护结构的位移
（1）支护结构的竖向变形
在基坑开挖时，由于基坑开挖面以上的土体被挖除后，致使土体的自重应力不断向外释放，造成坑底土体在竖直方向上发生变形，同时迫使支护结构在竖直方向上也发生变形，当竖向变形过大时，会破坏基坑及支护结构的稳定性[62]。致使支护结构发生竖直方向上位移的因素有很多，在坑内支护结构架设完毕后，建筑荷载、支护构件的重量、墙底余留残渣时等因素都会导致支护结构发生竖向沉降。当支护结构出现沉降差时会引发严重的工程灾害，导致桩顶连梁发生断裂等不安全状况的产生[63]。
（2）支护结构的水平变形
对于深基坑支护结构的早期变形，Peck [5]认为这与基坑工程各施工阶段及支护形式相关。Clough 等[13]根据工程经验，把支护结构变形方式归纳三种：悬臂式，抛物线型以及两者的组合。当基坑内部没有架设支撑时，围护结构的变形是悬臂式的；随着基坑开挖深度增加，将内支撑架设在支护结构的顶部后，则呈抛物线状；当基坑内架设多道内支撑时，则表现为组合形式。吴佩轸等[64]对台北区域多个基坑工程案例进行分析，并将支护结构的变形形式归纳为四种，分别是标准型、旋转型、多折型和悬臂型。龚晓南院士等[65]对国内多个基坑工程案例进行汇总，提出支护结构变形主要有 4 种形式，分别是：a.弓形曲线；b.变形曲线上部分朝正向弯曲，下部分朝反向弯曲；c.前倾型曲线；d.踢脚型曲线。根据上文所述，支护类别、地质条件等对支护结构的变形有密切联系，尽管表现形式复杂多样，但仍可以归纳成两大类：如下图 2-2 所示，a.无内支撑时的“悬臂”形式变形；b.有内支撑时的“内凸”形式变形。
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2.2 基坑施工对坑外建筑物的影响
基坑施工会引起坑外土体出现水平方向位移及竖直方向位移的现象，土体在发生变形同时对坑外建筑结构产生一定的作用，导致建筑结构发生一定程度的变形，并且在建筑不同位置处所发生的变形程度也有所差异，从而促使建筑结构产生一定的附加应力，当建筑结构附加应力过大时，建筑结构将会出现裂缝，裂缝过大时将会引起建筑坍塌现象[75][76]。以下简要阐述基坑外部土体在不同变形条件下对建筑结构的影响。
（1）坑外土体均匀沉降的影响
正常开挖情况下，坑外土体均匀沉降较小时不会影响建筑结构的稳定性，如果出现坑外土体均匀沉降值变大和地下水位较高的状况时，有可能会引起建筑结构内出现积水的状况，造成生活不便，严重时将导致支承基础的土体或岩体强度变低，极大地降低建筑的安全系数。
（2）坑外土体不均匀沉降的影响
地表出现不均匀沉降的现象会引起坑外临近建筑结构的重心位置发生变化，此时在建筑结构内部将产生附加拉应力，当建筑结构允许应力小于附加拉应力时，会引发建筑结构开裂和倾斜的情况，严重时可能会导致其发生损坏。建筑损坏状况和其本身的刚度有密切联系，建筑结构的刚度越小损坏的状况越严重[31]。
（3）坑外土体凹凸的影响
在基坑施工中，坑外土体可能会出现下凹和上凸现象，当土体发生上凸或下凹的变形程度过大时都会对建筑结构产生一定的破坏性。假如坑外地面出现下凹现象，建筑物内部则会产生附加拉应力，当承载力小于拉伸应力时，建筑结构破坏形式表现为“正八字”裂隙；假如坑外地面出现上凸时，建筑结构破坏形式表现为“倒八字”裂隙，当裂缝过大时会引起结构破坏，以至于会造成建筑结构坍塌的情况[31]。
（4）坑外土体水平变形的影响
坑外土体水平变形对建筑结构的作用类型有两种：压缩变形和拉伸变形。在正常情况下，坑外土体的压缩变形对建筑结构的变形影响虽然不大，但是压缩变形会导致在建筑结构的薄弱部位处发生挤压破碎；考虑到混凝土的特点使得建筑结构的抗压强度远大于抗拉强度，所以坑外土体拉伸变形对建筑结构的变形影响较大。在建筑结构位于表面拉伸区域时，由于拉伸应力的作用，导致建筑结构表面出现裂痕。所以，在基坑工程施工中，通常各种坑外地表变形都会对建筑结构产生一定程度的影响。为了避免坑外土体的变形导致建筑结构被破坏，应在坑外地表处布设变形监测点，对坑外土体变形进行针对性地观测，以便于及时调整支护设计，有效保护临近建筑。
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3 某基坑开挖的监测分析.....................................15
3.2 工程水文地质条件...................................16
3.3 水文地质条件................................16
4 某基坑施工三维数值模拟分析.................................... 25
4.1 MIDAS/GTS 软件简介........................ 25
4.2 土体的本构模型..............................25
5 基坑支护参数及建筑物荷载对周邻环境的影响分析..................................43
5.1 模型建立....................................43
5.1.1 计算模型..........................................43
5.1.2 模拟开挖工况..........................44
5 基坑支护参数及建筑物荷载对周邻环境的影响分析
5.1 模型建立
5.1.1 计算模型
本文以上述深基坑工程为原型，简化模型，北侧 AF 段为主要的研究对象。基坑深度为 12.37m，考虑该工程的基坑形状，开挖深度，工程地质条件和周邻建筑物情况，模型尺寸取 104×30m×35m，总网格约 25677 个，包括 27034 个节点。假设模型边界处的位移为零且在数值计算中选择的边界条件是位移边界条件。首先，模型的顶面是自由边界面；约束模型周围的水平位移，垂直方向允许自由变形；模型底部的竖直方向和水平方向的位移为零，也就是说，模型的底面进行了全位移约束。建模完成后如图 5-1 所示。
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6 结论与展望
6.1 结论
本文首先从基坑开挖引起的变形以及对临近建筑结构影响的相关机理入手，其次以西安市某深基坑工程为例，采用施工场地实时监测数据和数值模拟结合方法，分析了基坑在施工过程及改变锚索空间位置后，支护结构、坑外地表、建筑结构基础的变形发展规律；再通过三维单侧模型来研究在改变桩径、桩间距、桩身长、锚索预应力、建筑结构自身荷载几个因素在不同情况下对建筑沉降和围护结构变形的影响进行定量分析，最后采用正交设计的方法来求出影响建筑沉降的主要因素，经过大量的模拟实验得到以下结论：
（1）基坑开挖会引起坑外土体发生竖直沉降，最大沉降点所在的位置与基坑边缘有一定的距离，并且随着基坑开挖深度的增加，地表沉降分布曲线的形状逐渐呈现为抛物线型且基坑开挖的影响范围约为开挖深度的 2～3 倍，同时建筑物基础的沉降值与该点所在位置的地表沉降曲线最大值几乎一致，并且在建筑基础处的地表沉降曲线在其边界处的斜率发生较大变化。与无建筑物处的地表沉降相比较得出，临近房屋建筑处的最大沉降点朝基坑方向移动。由此，在基坑开挖的过程中要密切注意周边地表沉降，避免建筑物倾斜过大而导致基坑失稳；同时根据数值模型结果所反映，越靠近基坑边缘处，建筑物的绝对沉降及差异沉降也越大，为了保护建筑物和基坑开挖的安全，要重点关注坑外建筑物处监测数据的波动性。
（2）以实际工程为例而得出数值计算模型的结果显示，AF 段 1 号围护桩的最大水平变形在桩顶位置处，基坑北侧 AF 段的围护结构水平变形出现较为明显的基坑空间效应，靠近基坑中部位置处的变形大，在坑角位置处的变形小；并且锚索架设的位置对围护结构顶的水平位移影响较大，可以有效地控制桩顶水平变形，同时在架设锚索的位置处，桩体的弯矩出现了拐点，说明锚索可以有效控制桩体负弯矩的增长，提高基坑开挖的安全性。
（3）桩径的变化对建筑物竖向变形的影响较小，但是对桩体的水平位移却有影响，桩径增大的同时可以减小桩体的最大水平位移，但是桩顶的位移也随之变化，随着桩径的增大而逐渐增大；并且在对模拟结果分析时发现，单纯的增加桩径，减小桩间距虽然能减小建物的竖直沉降，但这种方法不经济且不适用。桩身长、锚索预应力都能够有效的减小建筑物竖直沉降。所以在进行基坑支护设计时要根据当地的地质条件，选择更加合理的设计参数。
参考文献（略）