基坑开挖卸荷使得坑底隆起,坑外地表产生沉降,围护结构产生水平侧移,进而使邻近建筑物产生变形。
(1)地表沉降
基坑施工改变了土体应力状态,导致土体沉降和侧向移动,引起坑外地表产生不均匀沉降。当这种差异沉降较大时,其作用在建筑物基础上会使建筑物破坏,最主要的特征是建筑物产生沉降裂缝。对于砌体结构来说,裂缝更加明显,裂缝的出现减小了砌体的截面面积,从而使其承载能力和整体稳定性降低。
按照裂缝的走向,可将其分为水平裂缝、竖直裂缝和斜裂缝。水平裂缝一般出现在窗间墙的上、下对角处,由于沉降单元上部受到阻力,而在水平方向上受到较大的剪力,使得裂缝成对出现在窗间墙上、下位置处。竖向裂缝是由于弯曲受拉形成的。如果建筑物端部沉降较大,则上部受拉,裂缝出现在结构的顶端;反之,裂缝出现在结构底部。斜裂缝是实际工程中最常见的开裂形态,一般出现在门窗洞口等薄弱部位,其产生原因也与弯曲受拉有关。当墙体中部沉降较大时,墙体产生的正弯矩使结构下部受拉,端部受剪,使墙体出现正“八”字形的裂缝。反之,如果结构上部受拉,墙体则产生倒“八”字形斜裂缝。
(2)围护结构变形
常见的围护结构的变形模式可以归纳为以下四种:悬臂式、内凸式、踢脚式和复合式。对于悬臂式支护结构,一般表现为上部位移最大,底部侧移为0;对于踢脚式支护结构,表现为上部位移为0,底部位移最大;对于内凸式支护结构,表现为两端位移为0,挡土墙中部的侧移量最大;复合式支护结构即为内凸式和悬臂式的组合,上部有较小的侧移量,底部位移为0,水平侧移最大值在挡土墙中部位置处。郑刚和李志伟(2012)针对这四种围护结构变形形式对邻近建筑物的变形影响展开了详细的分析,其研究结果表明,在围护墙体最大变形相同的情况下,当围护墙体发生踢脚型和内凸型的变形时,对邻近建筑物最不利。此时建筑物的下凹挠曲变形最为显著,在建筑物墙体产生的拉应变较显著。而对于任意变形形式的围护结构,当建筑物距离基坑1~1.5倍开挖深度时,均将产生显著的上凸挠曲变形,所引起的建筑物墙体拉应变亦较为显著,即对该位置处的建筑物都是不利的。
(3)地下水位变化
大多数基坑开挖都会面临降水问题,基坑降水破坏了原有的土体平衡,致使土体应力场重新分布。地下水位变化会引起地层变形,进而带动邻近建筑物的变形。当地下水位在基础以上变化时,对建筑物的影响不显著。当地下水位在基础以下变化时,则对建筑物不利。水位上升会浸湿和软化基础底部土体,提高土体压缩性,降低地基的承载能力;地下水位下降则会增加土体的有效应力,土体会发生渗流固结和蠕变,导致坑外地层沉降及基坑围护结构变形。若地下水位均匀下降,则建筑物会产生整体沉降;若地下水位不均匀下降或者存在地层差异,则建筑物会产生不均匀沉降,将使建筑物发生倾斜并产生沉降裂缝。(www.xing528.com)
张健和张宇亭(2014)以天津地铁某换乘车站基坑开挖施工为背景,利用有限元方法建立三维数值模型分析了基坑开挖降水对邻近建筑物的影响。结果表明,地下水位变化引起周边建筑物地基的不均匀沉降,造成地面开裂、建筑物与地下管线变形。
2.建筑物变形机理
基坑开挖打破了施工场地土体原始的平衡应力场,当基坑与邻近建筑物变形稳定后,建筑物自身内部应力重新分布,生成新的应力应变状态,有些建筑物可能产生较大的变形甚至局部开裂。在这种情况下,建筑物的容许变形能力将不再是原始的容许变形能力,特别是出现裂缝的建筑物,其容许变形能力将大幅降低;对于历史性建筑而言,由于历史原因,其结构内部可能存在很多薄弱点,对其容许变形能力有较大的影响。基坑开挖致使周边地层和建筑物地基发生差异变形,在既有建筑物上产生附加应力,当附加应力达到容许应力极限值时,建筑物将发生开裂,并最终导致结构破坏。由于建筑物变形存在着明显的三维空间效应,所以基坑开挖不仅使建筑物产生弯曲、剪切及拉压变形,还可能导致其发生扭转变形。
3.建筑物破坏形式分类
Skempton和MacDonald(1956)将基坑开挖引起的建筑物破坏分为三个等级:建筑外观损坏、功能损坏和结构损坏。
(1)建筑外观损坏:通常表现为填充墙和装饰结构的开裂和轻微变形,当石膏墙的裂缝宽度超过0.5 mm、砖混或素混凝土墙体的裂缝宽度超过1 mm时,可以认为是达到了建筑外观损坏的上限。
(2)功能损坏:建筑物的损坏影响了结构的使用及功能,通常表现为门窗由于变形而开关困难,裂缝宽度较大,墙或楼板发生倾斜,地下管线产生弯曲变形,功能损坏不需要进行结构修缮,仅需简单的修复即可恢复结构的全部功能。
(3)结构损坏:建筑物的损坏已经威胁到结构的稳定性和安全性,通常表现为梁、柱、承重墙等承重构件产生较大的裂缝和变形。
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