基坑开挖对历史建筑影响的计算方法

针对基坑开挖引起邻近建筑物的变形问题，目前很多研究都是基于工程实测数据来分析的，不仅要考虑自重作用下建筑物的不均匀沉降，也要关注土体水平位移对建筑物的变形影响，提出其允许变形值，指导工程实践。

针对基坑开挖对邻近建筑物影响的研究主要包括以下几种方法。

1.简支梁法和修正简支梁法

Burland和Wroth（1974）提出了采用简支梁模型模拟建筑物的方法。该方法在了解基坑邻近建筑物的结构形式、材料的极限拉应变、刚度比、长高比等参数后，将建筑物简化为一根简支梁，对其施加荷载，使其产生挠曲变形，建筑物的挠度、长高比与材料的极限拉应变之间的关系可以通过力学推导得出，根据极限拉应变值可以判断建筑物的破坏程度，进而绘制出对应于该类建筑的相应开裂界限曲线。当坑外土体沉降曲线已知时，即可得到建筑物的挠度，并判定建筑物的破坏情况。该方法具有一定的适用性，但是未考虑土体水平位移引起的横向变形影响。

一些学者在简支梁法变形推导的基础上进行了修正，修正简支梁法考虑了土体水平位移的影响，相对于初始简支梁法，其计算结果更加合理。最具代表性的有Boscardin和Cording（1989）以及Kot Heimer和Bryson（2009）提出的方法。其中，Boscardin和Cording（1989）认为剪切拉裂是建筑物的主要破坏形式，选取水平拉应变和角变形作为建筑物破坏的评定参数。但是该方法将坑外地表变形与建筑物变形进行独立分析，具有一定的局限性，可靠性较低。Kot Heimer和Bryson（2009）提出了将建筑物变形与裂缝大小相联系的新的评估方法，并按裂缝大小进行建筑物破坏程度的评估。

2.叠合梁法

Finno等（2005）提出了叠合梁变形分析法，该方法采用板模拟建筑物的楼板，主要承担弯矩，采用夹层来模拟建筑物的柱和墙的共同作用，主要承担剪力。

3.单元应变法和总应变法

Son（2003，2005）在Boscardin和Cording（1989）研究的基础上，提出了类似的破坏等级判定标准，但并非基于上述的简支梁理论，而是直接通过单元应变分析对建筑物的变形进行讨论，并提出了具体的建筑物变形评估分析流程。但该方法存在一定的缺陷：将基坑与建筑物变形进行独立分析，可靠性较低。

Boone（1996）通过对不同地表变形曲线的几何分析，对不同建筑物结构类型的变形特点分析，提出了针对承重墙及框架结构的破坏程度判定方法，即根据计算所得建筑物的总拉应变和主拉应变，计算裂缝宽度，从而最终判定建筑物的破坏等级。

4.可靠度法

Schuster等（2009）采用可靠度理论对建筑物的变形进行评估，在采用Boscardin和Cording（1989）的修正简支梁法求得了建筑物角变形和横向拉应变之后，引入破坏潜力指标对建筑物变形程度进行评估，并通过所得破坏潜力指标，判定建筑物破坏等级。该方法将基坑与建筑物变形进行独立分析，存在一定的缺陷。

5.数值分析法

在对建筑物变形评估时，将基坑与建筑物变形进行独立分析存在以下缺陷：

（1）无法准确评估建筑物的自重及自身刚度对坑外土体位移变化趋势的影响；(www.xing528.com)

（2）没有考虑建筑物在基坑开挖前由于自重作用而产生的初始不均匀沉降或变形及由此而引起的建筑物附加应力；

（3）没有考虑由基坑开挖所引起的不均匀沉降与建筑物自身产生的不均匀沉降之间的叠加效应随建筑物与基坑（尤其是坑外沉降槽）的相对位置关系变化所带来的影响。

采用数值分析方法可将基坑与邻近建筑物进行整体分析，能够充分反映基坑与建筑物的相互作用，基坑开挖诱发的坑外土体位移直接体现为建筑物基础的变形。该方法可合理评估建筑物基础及结构刚度对土体位移产生的影响。目前许多学者采用数值分析方法对邻近建筑物的影响进行了深入研究，马威等（2007）采用ABAQUS数值分析软件模拟了深基坑开挖的全过程，研究邻近基坑的框架结构建筑物在与基坑不同距离、不同方向情况下的沉降和侧移的变化规律。薛莲等（2008）借助有限差分软件FLAC分析了重庆市某深基坑不同开挖工况对邻近建筑物的影响。姬海东和张顶立（2008）采用数值分析方法并结合理论分析，针对厦门某深基坑开挖对地层变形控制、建筑物开裂机制及变形控制进行详细的分析，并提出相应的修复和加固方案。王浩然等（2009）采用基于HS模型的三维有限元软件分析了深基坑开挖对邻近建筑物墙体侧移及墙后地表沉降的影响。陈颖文（2009）借助二维有限元软件PLAXIS分析了邻近建筑物在深基坑不同开挖工况下的变形，坑外土体加固对建筑物变形的影响以及建筑物桩基与地下连续墙的相互作用。姜峥（2011）借助有限元数值模拟软件PLAXIS分析了基坑开挖对紧邻多层浅基础建筑物的沉降变形的影响。张向东等（2011）以阜新发电厂基坑工程为背景，采用大型数值分析软件ADINA研究了锚杆支护形式下基坑开挖引起的邻近建筑物沉降问题。李志伟和郑刚（2012，2013）基于有限元数值分析软件，分别分析了基坑开挖不同围护结构变形模式、坑角效应以及考虑初始不均匀沉降等因素对邻近建筑物变形的影响，并分析了基坑开挖对不同楼层、不同刚度以及任意角度建筑物的变形影响。王凯椿（2014）采用有限元软件MIDAS-GTS针对邻近建筑物的深基坑工程加固前后的开挖过程进行了模拟，重点分析了加固措施对建筑物的变形与沉降的影响。

采用有限元数值方法计算基坑开挖对邻近建筑物的变形影响可操作性较强，计算结果可靠，是目前比较常用的研究和分析方法。本章主要借助大型有限元软件对基坑开挖引起的邻近建筑物变形影响进行分析。有限元模拟工序主要包括：

（1）建立基坑及建筑物模型，划分网格，由于本章主要分析建筑物在邻近基坑施工过程中所受影响，故在划分网格时需要对建筑物网格进行细化；

（2）平衡地应力；

（3）将上一步位移清零，并激活建筑物模型，计算建筑物在自重应力作用下产生的变形；

（4）将上一步位移清零，激活地下连续墙，模拟围护结构施工；

（5）第一步开挖至地表以下2 m，并架设第一道支撑（地表以下1.0 m处）；

（6）第二步开挖至地表以下4 m；

（7）第三步开挖至地表以下8 m，并架设第二道支撑（地表以下5.0 m处）；

（8）第四步开挖至地表以下11 m；

（9）第五步开挖至地表以下15 m，并架设第三道支撑（地表以下12.0 m处），同时激活底板，施工完成。