深基坑工程中土体开挖将使支护结构前后的土体产生不平衡力进而产生压力差，岩土体在此压力差的作用下将发生变形，过大的岩土体变形会对基坑周边环境造成严重的影响。因此，中国对于基坑变形控制和周边环境的保护要求越来越严格。国内深基坑工程设计多数由强度控制转为变形控制，围护结构和既有建构筑物变形成为基坑周边环境保护的重要控制指标。目前，国内基坑设计规范推荐的弹性支点法尚无法准确预测深基坑开挖对周边环境的变形影响，因此，研究深基坑开挖对邻近既有建筑物的变形影响规律十分必要。

20世纪60年代，Peck^[1]针对不同土层、不同围护结构的基坑实测数据进行了大量统计，提出了早期围护结构和坑后土体变形理论。Potts等^[2]利用有限元模拟分析了基坑开挖，发现几何形状、支护结构和支撑所在的位置是影响基坑变形的主要因素。Finno等^[3]对处于软、中等硬度饱和土中的深基坑进行了长期监测，提出了基坑土体周边环境的变形影响规律。万星等^[4]对基坑开挖的墙体变形性状进行探讨，得到了基坑长宽比和围护结构类型及其插入比与侧墙最大变形的关系。以上研究均是探究基坑开挖对基坑变形的影响，当涉及到基坑开挖并有邻近建筑物的影响时，开挖作用下的基坑与建筑物两者之间存在着复杂的相互作用关系，基坑变形规律将变得更为复杂。程斌等^[5]研究了基坑工程开挖对于既有建筑物、既有地铁隧道的影响，提出应加强基坑工程的勘探及初步设计阶段。魏涛^[6]研究表明邻近建筑物桩基础对土体具有一定的约束力，减小了土体向基坑内的位移，同时也减小了基坑周围土体的剪切破坏带。王卫东、徐中华^[7]提出了坑后地表沉降变形形态的预测方法，通过角变量建立了评估基坑开挖影响建筑物变形的判别标准。对于近接建筑物的深基坑变形特性研究大都集中在内支撑式围护结构形式，对于桩锚结构形式研究较少。另外，邻近基坑的浅基础建筑物往往受基坑施工扰动较大，且这类建筑通常建造年代久远，变形控制标准更加严格。所以，对于桩锚结构基坑与邻近建筑物的相互影响规律仍需更加深入的探索和研究。

根据现场实测数据对近接浅基础建筑物深基坑施工对围护结构和邻近建筑物的变形影响进行研究，采用有限元软件建立模型，分析重要参数影响下的基坑和建筑物的变形规律，并基于潜在失稳破坏区对基坑后方土体进行主次影响区域划分，总结两种因素影响下的围护桩体和建筑物变形规律。本文将为实际工程中有效避免围护邻近建筑物破坏以及保护基坑附近环境提供理论支持。

某深基坑工程位于锦州市，南邻华联超市，北侧为锦州地下商城，紧邻主干道和建筑物。基坑开挖深度约15 m，拟建工程为地下3层（图1）。基坑周边部分监测点相对位置如图1所示。场地50 m深度范围内土层主要力学参数见表1。

图1(Fig. 1)

图1 基坑平面图 Fig. 1 Plan of excavation

表1(Tab. 1)

表1 各土层力学参数 Tab. 1 Mechanical parameters of soil layers

表1 各土层力学参数 Tab. 1 Mechanical parameters of soil layers 土层 层厚/m 容重/ (kN·m–3) c/kPa φ/(°) 弹性模量 Es(E0)/MPa 杂填土 1.5 18.0 — 18 — 粉质黏土 4.5 19.3 30 12 5 圆砾 4.5 18.0 0 30 30 全风化砾岩 6.0 23.0 50 25 200 强风化砾岩 23.5 24.0 100 30 500

场地内地下水稳定水位埋深为6.2～6.5 m。采取截水帷幕配合坑内管井井点降水方法进行降水。

基坑与南侧既有建筑物最近距离仅5.5 m。鉴于此，选取基坑南侧断面为研究对象。基坑支护结构采用混凝土排桩结合预应力锚索支护系统，坡面及桩间辅以喷射混凝土支护。基坑支护结构剖面见图2。基坑围护桩采用直径1 m的钢筋混凝土灌注桩，桩间距1.5 m，桩长18.5 m。基坑其余各边围护桩直径0.8 m，桩间距1.3 m，桩长18.5 m。桩顶设置冠梁，围护桩由5排预应力锚索锚固，并由型钢围檩连接成为整体，锚索竖向间距为2.0～3.0 m，水平间距为1.5 m。围护桩后采用旋喷桩作截水帷幕。

图2(Fig. 2)

图2 基坑支护结构剖面图 Fig. 2 Profile of retaining structure of the excavation

选取位于建筑物与基坑中间部分的围护桩体水平位移监测点CX7、CX8和CX9进行研究。基坑开挖至底后的桩体水平位移曲线见图3，其中L1～L5表示锚索施作位置。

图3(Fig. 3)

图3 围护桩体水平位移 Fig. 3 Horizontal deformation of retaining pile

围护结构水平位移呈现出桩锚支护结构典型的“鱼腹状”变形形态，即围护桩中部向坑内凸出，围护桩顶部和底部变形相对较小。同时，桩锚支护结构作为柔性支护体系，对围护桩顶部的侧向约束与内支撑结构形式相比较弱，桩顶水平位移较为显著；在预应力锚索作用位置，围护桩受到锚固约束出现不同程度的内凹变形。

3个测点处的桩体水平位移大小并不相同，CX7和CX8受空间坑角效应影响较小，变形规律一致，围护桩体最大侧移位置位于距地表6 m（0.4H_e）埋深处。分析原因为基坑中下部位于岩层，抗变形能力强，造成围护结构最大侧移位置上移。

基坑内共布置18个围护桩顶水平位移测点（图1），选取位于基坑南侧的监测点ZD8、ZD9和ZD10进行分析，见图4。

图4(Fig. 4)

图4 围护桩顶水平位移曲线 Fig. 4 Horizontal deformation of the pile head of the retaining wall

桩顶水平位移测量从桩顶冠梁施工完毕开始，直至基坑回填完毕。监测时间自当年7月20日至次年5月1日，近300 d。

由于监测数据波动较大，为了防止干扰数据存在，依据滤波原理，将监测数据进行降噪处理（图4）。监测数据显示，桩顶水平变形的增长较为集中，主要发生在基坑开挖后的40 d以内，40 d后桩顶水平位移增长不明显，逐渐趋于稳定。

ZD9的桩顶水平变形较大，测得桩顶水平位移平均值约为10 mm。3个测点均受到坑角效应影响，ZD9位于两个测点之间，受影响较小，故混凝土支撑和冠梁对于围护桩顶变形起到很好的控制作用，但同时增大了坑角效应的影响范围。

基坑南侧既有建筑物属于5层混凝土框架结构，基础埋深2.5 m，为浅基础建筑物。建筑物与基坑净距约5.5 m，预应力锚索下穿建筑物基础，基坑开挖极易引起建筑物的倾斜甚至倒塌。

图5为现有建筑物竖向位移测点JZ1、JZ3和JZ7监测数据的变化曲线。与围护桩顶水平位移相一致，建筑物变形也主要集中在基坑开挖后的40 d内，无明显的变形滞后现象。其中，JZ1和JZ3与基坑围护结构距离均约6 m，沉降最大值分别为8.07 mm（0.05%H_e）和9.17 mm（0.06%H_e）。JZ7与基坑围护结构的距离为13 m，沉降最大值约为5.77 mm（0.04%H_e）。建筑物距离基坑不同位置处出现不同沉降，建筑物产生基坑内方向的倾斜，引入基础的倾斜度衡量建筑物的倾斜程度，公式如下：

图5(Fig. 5)

图5 既有建筑物竖向变形曲线 Fig. 5 Vertical deformation curves of the existing building

式中：i为建筑物基础的倾斜度； ${\Delta H} $ 为基础两端点的沉降量差值，m；L为基础两端点间的距离，m；计算得到建筑物的倾斜度为0.000 33。

对于涉及到大体积卸载的深基坑工程数值模拟问题，土体本构模型的选择是影响基坑变形模拟分析的关键因素。故本文选用不同土体模型的计算结果与实际监测数据进行对比，以选取合理有效的土体模型建模进行下一步探究。计算模型中包括基坑围护结构、截水帷幕、既有建筑物和基坑周边岩土结构，采用可以模拟动态施工过程及土体−结构相互作用的平面应变有限元程序Plaxis进行数值计算。计算模型尺寸为110 m×30 m，为进一步提高计算效率，根据对称性原则，选取模型一半进行模拟分析。基本模型示意图如图6所示。围护桩采用线弹性板单元模拟。采用等效截面抗弯刚度法将围护桩等效为连续墙，等效截面厚度为0.73 m。采用界面单元考虑围护结构与土体间的相互作用，界面强度折减因子R_inter设为0.67^[8]。围护桩后设置咬合旋喷桩，采用实体单元模拟，根据旋喷桩的有效厚度（图7）^[9]，将其简化为厚度为0.6 m的连续墙。考虑截水帷幕的隔水效果，将旋喷桩设置为不透水材料。预应力锚索自由段和锚固段分别采用锚杆单元和格栅单元模拟，按现场监测初始预应力设定锚索预应力。

图6(Fig. 6)

图6 基本模型示意图 Fig. 6 Profile of the basic model

图7(Fig. 7)

图7 旋喷桩有效厚度 Fig. 7 Effective thickness of the jet grout pile wall

模型中建筑物简化为跨度5 m的3跨5层框架结构。建筑物基础采用实体单元模拟，基础埋深2.5 m，厚度为1 m。建筑物楼板和立柱采用线弹性板单元模拟，楼板厚度设为0.25 m；立柱需满足抗弯刚度和轴向刚度的等效，简化后弹性模量E=3.6 GPa，截面厚度取0.6 m。

根据《建筑结构荷载规范》，建筑物荷载取值见表2。基坑围护结构和既有建筑结构其他力学参数见表3。

表2(Tab. 2)

表2 建筑物荷载 Tab. 2 Building load

表2 建筑物荷载 Tab. 2 Building load 建筑物荷载名称 荷载取值/kPa 顶层活荷载 0.50 其他楼层的活荷载 2.25 每层楼板所加荷载 4.90

表3(Tab. 3)

表3 围护结构与建筑结构物理力学参数 Tab. 3 Physical and mechanical parameters of retaining structures and building structures

表3 围护结构与建筑结构物理力学参数 Tab. 3 Physical and mechanical parameters of retaining structures and building structures 结构名称 弹性模量E/MPa 泊松比ν 围护桩 30 000 0.2 旋喷桩 150 0.2 预应力锚索 210 000 0.3 建筑物楼板 30 000 0.2

模型施工过程具体步序见表4。

表4(Tab. 4)

表4 模型计算步 Tab. 4 Calculation steps of the model

表4 模型计算步 Tab. 4 Calculation steps of the model 步序 施工阶段 0 考虑既有建筑物的初始地应力 平衡位移清零 1 施作围护桩和截水帷幕 2 开挖至1层锚索（–3.0 m） 3 施作1层锚索，施加预应力 4 开挖至2层锚索（–5.5 m） 5 施作2层锚索，施加预应力 6 开挖并降水至3层锚索（–8.0 m） 7 施作3层锚索，施加预应力 8 开挖并降水至4层锚索（–10 m） 9 施作4层锚索，施加预应力 10 开挖并降水至5层锚索（–12.5 m） 11 施作5层锚索，施加预应力 12 开挖至底（–15.0 m）

由于基坑开挖涉及到土体卸载和变形问题，土体本构模型选取十分关键。Mohr−Coulomb（MC）模型描述了对岩土行为的一种“1阶”近似，这种模型被推荐用于线弹塑性土工问题的初步分析。对比MC模型，Hardening−Soil（HS）模型可以用来描述模量依赖于应力的情况，可反映土体加卸载过程中的非线性力学特征，考虑了土体的压缩硬化和剪切硬化，模型中引入了屈服盖帽，并通过输入卸载/重加载刚度E_ur考虑了基坑开挖过程中的卸荷影响，在标准排水试验中，竖向应变 $\varepsilon_1 $ 和偏应力q之间为双曲线关系，见图8。基于此，模型中杂填土、粉质黏土和圆砾分别赋予MC模型和HS模型进行计算并将结果与现场实测数据进行对比论证，在验证模型正确性的同时，找到准确描述本文工程问题的本构模型，为后续参数分析提供依据。

图8(Fig. 8)

图8 标准排水三轴试验主加载下双曲型应力–应变关系 Fig. 8 Hyperbolic stress−strain relationship under main load in standard drained triaxial test

依据已有研究^[10-11]中HS模型对土体变形参数的经验取值可知，圆砾取3E_oed ^ref=3E₅₀ ^ref=E_ur ^ref，杂填土和粉质黏土取2E_oed ^ref=2E₅₀ ^ref=E_ur ^ref。通过位移反分析计算确定E₅₀ ^ref，取3E_s（E₀）。在使用两种模型计算过程中，全风化砾岩和强风化砾岩均采用MC模型，其参数见表1。当圆砾、杂填土、粉质黏土采用MC模型时，其弹性模量取值同HS模型中各对应土体的E₅₀ ^ref。

图9为使用HS模型和MC模型模拟建筑物基础土层沉降对比。HS模型和MC模型的基础土层最大沉降值分别为12.0和4.8 mm，距围护桩相同距离时，HS模型中沉降值较MC模型计算结果偏大，与监测值相近，主要是由于MC模型仅包含一个弹性模量，无法考虑土体卸载和重加载过程中模量的显著变化。

图9(Fig. 9)

图9 基础土层沉降值对比 Fig. 9 Comparison of settlement values of basic soil layer

利用HS模型和MC模型计算下的桩体水平位移与CX8桩体水平位移实际监测数据进行对比分析，如图10所示。HS模型围护桩最大水平位移为12.7 mm，MC模型围护桩最大水平位移为5.3 mm，相比较而言，HS模型比MC模型结果更真实。针对本文工程的土体情况而言，根据李纯^[12]、孙谷雨^[13]等对圆砾、粉质黏土的三轴试验研究结果可知，这两种土体的应力–应变关系均与HS模型中的双曲线本构特征相一致，故HS模型更加符合本文工程场地中土体的物理力学特征。

图10(Fig. 10)

图10 桩体水平位移对比 Fig. 10 Comparison of horizontal displacement of pile body

邻近基坑的既有建筑物受到基坑开挖影响将产生沉降和倾斜，建筑物基础与基坑的相对位置不同，则受到的影响程度不同，基础深度处的深层土体变形是影响建筑物变形的直接因素^[14]。

基坑坑后土体沉降往往成为研究关注的重点，而土体总变形和深部影响范围研究较少。欧章煜^[15]认为坑后土体的主要影响区域为潜在失稳破坏区域，结合本文工程特点，主次影响区域分界线如图11所示。丁勇春等^[16]针对上海软土地区基坑开挖对环境的影响进行简化分区：Ⅰ区为主影响区，Ⅱ区为次影响区，Ⅲ区为无影响区。中国现行规范《城市轨道交通工程监测技术规范》^[17]在统计了不同地区大量工程实测资料的基础上，根据基坑开挖对周边环境的扰动程度和扰动范围，将施工影响区域划分为：①区为主要影响区，②区为次要影响区，③区为可能影响区（图11）。

图11(Fig. 11)

图11 坑后土体影响范围 Fig. 11 Influence scope of the soils behind the excavation

丁勇春等^[16]和规范^[17]规定的影响区域反映在地表大致相同，分别为0.75H_e和2.00H_e，0.70H_e和2.00H_e。超过次要影响区域后，周边环境几乎不再受到基坑施工影响。本文根据数值模型计算结果，将0.3倍的土体最大变形的等值线进行简化，得到图11中主次影响区域分界线。土体变形主影响区域水平范围约2.5H_e，略大于欧章煜^[15]和丁勇春^[16]等研究的影响范围（2.00H_e）。欧章煜^[15]和丁勇春^[16]等研究成果均基于内支撑结构基坑，本文研究对象为桩锚结构基坑，土体受到锚索锚固作用，坑后土体的整体性得到提高，故影响范围较大。由图11可以看出，本文工程建筑物位于主影响区域内，受到基坑施工影响显著。对于邻近深基坑的浅基础建筑物，主要影响范围约为2.00H_e。

深基坑施工对建筑物变形的影响主要体现在建筑物沉降和倾斜。建筑物基础埋深H_b=2.5 m时，在基坑围护桩与建筑物中心距离L不同的工况下的建筑变形曲线见图12。图12中7组变形曲线分别对应的是建筑物紧贴基坑围护桩至基坑与建筑物净距45 m的工况。L=7.5 m和L=10.5 m时，建筑物平均沉降值δ_va最大，约8.3 mm。L=16.5 mm时，建筑物倾斜度最大，倾斜度约0.000 25，其δ_va有所减小，约为6.1 mm。随着L的不断增加，建筑物的沉降变形和倾斜度逐渐减小。

图12(Fig. 12)

图12 不同水平间距下建筑物沉降 Fig. 12 Building settlements influenced by various distances

基坑周边既有建筑物的变形与其基础所在土层的变形规律有着密切关系。对于桩锚支护结构而言，坑后地表沉降形态为凹槽型。图13（a）为坑后无建筑物时的地表沉降曲线。为研究建筑物基础的不同位置对建筑物变形的影响，在基本模型基础上进行了30组不同建筑物基础位置的数值模型计算，并将结果进行整理（图13（b）和（c））。

图13(Fig. 13)

图13 建筑基础不同位置时建筑物与地表沉降和倾斜度曲线 Fig. 13 Building settlements and inclinations influenced by various locations of the building foundation

图13中虚线和点划线分别为建筑物平均沉降最大值和倾斜度最大值出现位置，对应L值分别为8.5 m（约0.6H_e）和17.0 m（约1.1H_e）。可以发现，δ_va最大值位置与地表沉降最大值位置吻合，倾斜度最大值位置约位于地表沉降曲线反弯点处。并且，当距离大于点划线位置（L>1.1H_e）时，建筑物沉降和倾斜度均逐渐减小；当L>2.5H_e（约37.5 m）时，建筑物受基坑开挖影响可忽略不计，与本文提出主影响区域一致。建筑物变形在深度方向上变化规律较为简单，随着建筑物基础埋深H_b的增加，建筑物沉降和倾斜度均逐渐减小。

按照建筑物层数H分别建立H=5、10、15、20和25这5个模型，探究不同基底附加应力的影响。图14和15分别为不同建筑层高时，围护桩体水平位移和建筑物沉降曲线。

图14(Fig. 14)

图14 不同建筑层高时围护桩体水平位移 Fig. 14 Horizontal pile wall deformations influenced by various building heights

图15(Fig. 15)

图15 不同建筑层高时建筑物沉降 Fig. 15 Building settlements influenced by various building heights

由图15可知，基底附加应力对基坑围护结构和建筑物自身变形的影响显著。建筑物由5层增加至25层时，围护结构最大侧移量由12.9 mm增至49.8 mm，每增高一层围护结构最大侧移量增加1.4～2.0 mm，层数越高侧移增加量越多。近接浅基础建筑物基底附加应力呈一定角度向地基传递，对围护桩后水平应力增加范围有限，围护结构变形增加主要体现在基坑中上部。随着建筑物基底附加应力的增加，建筑物沉降值和倾斜度均不断增加，平均每增高一层建筑物，沉降值和倾斜度分别增加约0.9 mm和0.7×10^–4。当H=25时，基坑围护结构后方土体出现潜在滑动面，对建筑物和基坑的稳定性造成威胁。

以锦州市某桩锚支护结构深基坑为工程背景，结合现场实测数据和已有相关文献数据，分析了桩锚支护结构基坑的变形性状。采用有限元方法研究了关键参数影响下，围护结构和邻近建筑物的变形规律，得到了如下结论：

1）针对上部砂层、下部岩层的土体情况，围护桩体最大侧移位置位于距地表6 m（0.4H_e）埋深处。分析原因为基坑中下部位于岩层，抗变形能力强，造成围护结构最大水平侧移位置上移。如遇此类情况需加强对围护桩中上部抗变形设计。

2）基坑开挖对于建筑物变形和桩顶水平位移作用时间相近，砂土地层中基坑变形无明显的变形滞后现象。

3）土体变形主影响区域水平范围约2.5H_e，建筑物平均沉降值δ_va最大值位置与地表沉降最大值位置吻合，倾斜度最大值位置约位于地表沉降曲线反弯点处。当L>1.1H_e时，建筑物沉降和倾斜度均逐渐减小；当L>2.5H_e时，建筑物受基坑开挖影响可忽略不计。

4）随着建筑物基底附加应力的增大，围护结构变形增加主要体现在基坑中上部，建筑物沉降值和倾斜度均不断增加，平均每增高一层建筑物沉降值和倾斜度分别增加约0.9 mm和0.7×10^–4。