基坑挖掘对周围建筑物的影响分析
原作者：张庆
译者：王超
摘要：
为了分析基坑开挖对周围建筑物的影响，本文研究了开挖工程周围的地面变形，分析了建筑物内部力量变化机制和建筑基础与地面协调性; 对开挖后周边建筑物及附属设施的基础沉降，地面倾斜，曲面曲率，扭转等因素进行了研究。建立了建筑物基础与地面的交互理论模型，利用模型可以通过选择合理的基础沉降方程或使用测量的沉降数据来计算由基坑开挖引起的周围建筑物的内力和变形的变化。因此，本文为工程师提供了一种理论计算方法来计算开挖工程对周边建筑物的影响。
简介：
随着城市扩张，城市化进程加快，造成建设用地不安全，生活空间拥挤，生态破坏，环境恶化等问题。为了使上述问题得到解决，许多城市地下和地下空间建设综合协调发展，以解决空间城市的缺乏。利用地下空间需要深层开挖，深层开挖，对周围环境造成不利影响，如土体结构破坏，建筑物变形大，沉降不均匀
[1]。原因是深基坑开挖将破坏周围土体质量应力场，迫使土应力场平衡再次发生，导致土体围绕变形和位移。因此，如何客观分析深基坑开挖过程中的附加应力变化，以及由此造成的地面，建筑物和管道的变形，研究具有非常重要的意义
[2]。
Clough 和Schmidt 指出，地面沉降分布与围护结构顶部的壁变形值有关[3]。挡土墙变形小，然后从围墙远处出现最大表面沉降，如果墙体保持结构变形较大，则围墙边界出现最大沉降。谢和欧通过十九坑监测数据统计研究也得出了三角形沉降分布曲线（图1（a ））和沟槽形状沉降分布曲线（图1（b ））[4,5]。
图1深基坑周围地表沉降图
基坑开挖法造成的地表沉降分为三角分布和凹槽形状分布两种。三角分布适用于砂土基坑，基坑悬臂结构保持结构和嵌入软土层中的保留结构。槽形分布适用于硬质粘土土坑基坑，基坑保留结构多重，顶部小坑变形。
开挖后地基与地基协调分析
基坑开挖造成周围地面变形，使建筑物地面变形，由于建筑物比地面刚度更刚硬，建筑物变形和地面变形不协调，不协调状态体现在两个方面：
地面变形大于基础变形，地面卸载出现卸载区，卸载区出现在最大沉降面附近的建筑物中，由于建筑物的一侧向另一侧卸载，应力传递，水槽小建筑物侧面应力增加，出现装载区域，由于卸载区域的地面应力减小，使得地面部分的弹性，从而导致卸载区域小于建筑物的地面沉降物，而是在装载区域由于地面应力增加，使地面变形，从而造成装载区域大于地面沉降的建筑物沉降，随着基坑开挖，卸载过程，反复改造，使建筑物地基，基础，上部结构处于不断的相互作用，当建筑物变形大于极限变形时结构将被损坏[1]。
地基水平变形在水平应力基础上的作用是一定的，而不仅仅是基础与地面之间的摩擦力，当摩擦，基础和地面滑移过大时，应力不再是向上的传递[1,6]。 建筑物变形和地面反作用力分布规律
根据建筑物变形破坏和表面变形尺寸，结构刚度，基础土的性质，建筑物表面位置等引起的测量数据量，建筑物变形和地面反作用力分布规律特征如下。
（1）建筑物变形引起的建筑物变形大小与建筑物刚度，地面变形量，地面特性等有关。一般来说，建筑基础刚度和建筑地基较弱，调整能力较强，建筑物变形和地面变形差异较大[1]。
（2）建筑基础，地面变形不协调曲率变形。建筑物的所有载荷都通过地基转移到地面，如果地面在建筑物荷载作用范围内的变形，建筑物的基础，地面，上部结构的协同作业条件将受到影响，地面曲率变形动力学对建筑物的发展影响是一种动态过程，这种对基础和地面的影响是最直接的。在地表沉降影响的基坑开挖中，外缘始终呈正曲率变形，在正曲率变形条件下，建筑基础与地面接触端不密集，甚至悬挂。原始密集状态下地基一端的建筑基础变得更加松散，将原有接触状态的基础建成一个紧凑的状态，随着地表沉降的发展，建筑基础和紧密接触的基础进一步发展作为基础和地面分离，地面的沉没完全或部分失去了载荷的支撑，部分相应的基础呈现悬挂状态，随着地面沉降范围的扩大，建筑基础悬挂长度不断增加，在一定程度上，建筑物将在基线周围的一条直线旋转，另一端的建筑物地面接触原来的紧凑状态也会变成与国家接触，甚至悬挂状态，建筑处于倾斜状态[5,6,7]。
对建筑物对地面变化的影响
基于昆明大量工程勘察，发现了基坑开挖围绕周边建筑效应的一些基本规律如下。
建筑物将受到地面沉降的影响。当地下沉时，通常不会产生额外的压力来损坏建筑物。但是，当地面沉降较大时，浅水台潜水上升，会使建筑物长时间使用水，或在潮湿的环境中，从而影响建筑物的使用[7]。
建筑物将受到地面倾斜的影响。地面倾斜会导致建筑倾斜，建筑倾斜，重量产生偏心的附加倾覆力矩，内部承载结构将产生额外的应力，地面反作用力将重新分配，特别是对于高层建筑和结构，这种效应更多严重。另外地面倾斜可能导致高速公路，铁路，管道，上下水位变化，也可能使机器设备倾斜并破坏其正常工作，必须提示敷料[8,9]。
建筑物将受到地面曲率的影响。地面曲率变形对所述地面的倾斜变化程度。曲率变形使地平面变成弯曲的形状，建筑物的载荷和地面土体反作用力要求初始破坏状态。在曲率的影响下，建筑物地面反作用力得到分布，使结构受到垂直面的额外弯矩和剪切力。如果附加应力超过材料的极限强度，建筑物会破裂和破坏
[8]。
建筑物将受到地面水平变形影响，特别是拉伸变形。用于抗拉强度的一般建筑材料远远低于抗压强度，地面张力建筑会破裂，建筑节点容易拉开，当压缩变
形较大时，建筑物的损坏更严重，可使地板起伏部件破碎，门窗开口被挤压入菱形，砖砌裂缝，纵墙水平折叠[9,10]。
建筑物将受到扭转的影响。建筑物扭转变形由两个横向壁面倾斜值不同，导致沿建筑物纵向中心线的表面产生扭转变形。
地面沉降的理论分析对建筑物的影响
分析了基坑开挖后对周围建筑物的影响的两种主要方法，分为有限元法和简化分析法。有限元法一般是基于基坑与周边建筑物的相互作用模型，但周边建筑物如何模拟，如何确定参数和地面参数如何选择难度较大，因此得到较好的有限元结果是困难的。在本文中，提出了一种简化的方法，根据建筑物的应力和变形特征，结合基坑开挖后的表面变形规律，建立了地表沉降区地面，建筑基础和上层建筑的机械模型，揭示了地面变形对坑洞开挖过程中的建筑物法律的影响。
随着移动式挖掘深度的下沉曲线的增加，位于不同位置的沉降曲线中的建筑物，运动和变形受到不同的影响，同时运动和变形应力也在不同的建筑位置变化。目前，理论上直接计算了基坑开挖对周围建筑物的影响并没有好的方法，本文通过建立地面沉降和建筑物两个相互独立和相互关联的坐标系（见图2），研究了建筑基础，地面和上层结构相互作用问题[1,10]
基坑坑壁下沉变形曲线如图2所示，任意点表面沉降值为。ѡ1（x ）
图2建筑物和地面沉降坐标系
坑前建筑物的基础压力是基坑开挖前的分布。
q = rh（1）
r ：建筑密度
h ：建筑高度。
该建筑被认为是弹性地基梁，地面反应（p （s ））与建筑物进入地面成正比。
P (s) = k[ w (s) - w 1(x+ s)]
K ：地面反应的模量;
w (s)：正在建造沉降。
弯矩曲线微分方程为公式
d2w (s)EI =M(s) M （s ）:建筑物任何部分的弯矩;
E: 建筑物的弹性模量
I ：建筑的线刚度
建筑物的载荷等于建筑物的重力应力消除地面反作用力 q −p s =q − k[ w (s) - w 1(x+ s)]
弯矩与剪切力之间的关系为公式
dM s =Q(s) dQ s =[q−p s ]ds
dQ(s) ds=q − k[ w (s) - w 1(x+ s)]
综合上述公式得：
EI d4w (s)
ds=q − k[ w (s) - w 1(x+ s)]
临界条件：
S=0 S=l; d2w (s)
ds上述公式从以下两个方面使用：
通过选择合理的地面变形方程得到建筑物的偏转曲线方程，并根据偏转曲线方程求解地面附加力，建筑物的附加内力和附加变形。
另外，可以通过基坑挖掘后的测量沉降数据直接计算地面附加力的数值解，附加内力和建筑物的附加变形。
通过选择合理的地基变形方程或使用测量的沉降数据，解决理论的内力和变形或数值解决了基坑开挖对建筑物的影响。
结论
在本文中，分析了基坑开挖后建筑基础与地面协调协同效应，研究了基坑开挖对变形和地面反作用力建设的影响机理。
分析了本文基坑开挖对建筑物影响的规律性，发现地基沉降，倾斜，曲率，扭转等因素可能导致建筑物裂缝，倾斜，甚至崩溃。同时，道路，管道等可能会对基坑开挖影响范围产生破坏。
提出了对建筑物的挖掘影响的理论计算方法，可以计算地面附加力，附加内力和建筑物的附加变形。
基坑挖掘对周围建筑物的影响分析
原作者：张庆
译者：王超
摘要：
为了分析基坑开挖对周围建筑物的影响，本文研究了开挖工程周围的地面变形，分析了建筑物内部力量变化机制和建筑基础与地面协调性; 对开挖后周边建筑物及附属设施的基础沉降，地面倾斜，曲面曲率，扭转等因素进行了研究。建立了建筑物基础与地面的交互理论模型，利用模型可以通过选择合理的基础沉降方程或使用测量的沉降数据来计算由基坑开挖引起的周围建筑物的内力和变形的变化。因此，本文为工程师提供了一种理论计算方法来计算开挖工程对周边建筑物的影响。
简介：
随着城市扩张，城市化进程加快，造成建设用地不安全，生活空间拥挤，生态破坏，环境恶化等问题。为了使上述问题得到解决，许多城市地下和地下空间建设综合协调发展，以解决空间城市的缺乏。利用地下空间需要深层开挖，深层开挖，对周围环境造成不利影响，如土体结构破坏，建筑物变形大，沉降不均匀
[1]。原因是深基坑开挖将破坏周围土体质量应力场，迫使土应力场平衡再次发生，导致土体围绕变形和位移。因此，如何客观分析深基坑开挖过程中的附加应力变化，以及由此造成的地面，建筑物和管道的变形，研究具有非常重要的意义
[2]。
Clough 和Schmidt 指出，地面沉降分布与围护结构顶部的壁变形值有关[3]。挡土墙变形小，然后从围墙远处出现最大表面沉降，如果墙体保持结构变形较大，则围墙边界出现最大沉降。谢和欧通过十九坑监测数据统计研究也得出了三角形沉降分布曲线（图1（a ））和沟槽形状沉降分布曲线（图1（b ））[4,5]。
图1深基坑周围地表沉降图
基坑开挖法造成的地表沉降分为三角分布和凹槽形状分布两种。三角分布适用于砂土基坑，基坑悬臂结构保持结构和嵌入软土层中的保留结构。槽形分布适用于硬质粘土土坑基坑，基坑保留结构多重，顶部小坑变形。
开挖后地基与地基协调分析
基坑开挖造成周围地面变形，使建筑物地面变形，由于建筑物比地面刚度更刚硬，建筑物变形和地面变形不协调，不协调状态体现在两个方面：
地面变形大于基础变形，地面卸载出现卸载区，卸载区出现在最大沉降面附近的建筑物中，由于建筑物的一侧向另一侧卸载，应力传递，水槽小建筑物侧面应力增加，出现装载区域，由于卸载区域的地面应力减小，使得地面部分的弹性，从而导致卸载区域小于建筑物的地面沉降物，而是在装载区域由于地面应力增加，使地面变形，从而造成装载区域大于地面沉降的建筑物沉降，随着基坑开挖，卸载过程，反复改造，使建筑物地基，基础，上部结构处于不断的相互作用，当建筑物变形大于极限变形时结构将被损坏[1]。
地基水平变形在水平应力基础上的作用是一定的，而不仅仅是基础与地面之间的摩擦力，当摩擦，基础和地面滑移过大时，应力不再是向上的传递[1,6]。 建筑物变形和地面反作用力分布规律
根据建筑物变形破坏和表面变形尺寸，结构刚度，基础土的性质，建筑物表面位置等引起的测量数据量，建筑物变形和地面反作用力分布规律特征如下。
（1）建筑物变形引起的建筑物变形大小与建筑物刚度，地面变形量，地面特性等有关。一般来说，建筑基础刚度和建筑地基较弱，调整能力较强，建筑物变形和地面变形差异较大[1]。
（2）建筑基础，地面变形不协调曲率变形。建筑物的所有载荷都通过地基转移到地面，如果地面在建筑物荷载作用范围内的变形，建筑物的基础，地面，上部结构的协同作业条件将受到影响，地面曲率变形动力学对建筑物的发展影响是一种动态过程，这种对基础和地面的影响是最直接的。在地表沉降影响的基坑开挖中，外缘始终呈正曲率变形，在正曲率变形条件下，建筑基础与地面接触端不密集，甚至悬挂。原始密集状态下地基一端的建筑基础变得更加松散，将原有接触状态的基础建成一个紧凑的状态，随着地表沉降的发展，建筑基础和紧密接触的基础进一步发展作为基础和地面分离，地面的沉没完全或部分失去了载荷的支撑，部分相应的基础呈现悬挂状态，随着地面沉降范围的扩大，建筑基础悬挂长度不断增加，在一定程度上，建筑物将在基线周围的一条直线旋转，另一端的建筑物地面接触原来的紧凑状态也会变成与国家接触，甚至悬挂状态，建筑处于倾斜状态[5,6,7]。
对建筑物对地面变化的影响
基于昆明大量工程勘察，发现了基坑开挖围绕周边建筑效应的一些基本规律如下。
建筑物将受到地面沉降的影响。当地下沉时，通常不会产生额外的压力来损坏建筑物。但是，当地面沉降较大时，浅水台潜水上升，会使建筑物长时间使用水，或在潮湿的环境中，从而影响建筑物的使用[7]。
建筑物将受到地面倾斜的影响。地面倾斜会导致建筑倾斜，建筑倾斜，重量产生偏心的附加倾覆力矩，内部承载结构将产生额外的应力，地面反作用力将重新分配，特别是对于高层建筑和结构，这种效应更多严重。另外地面倾斜可能导致高速公路，铁路，管道，上下水位变化，也可能使机器设备倾斜并破坏其正常工作，必须提示敷料[8,9]。
建筑物将受到地面曲率的影响。地面曲率变形对所述地面的倾斜变化程度。曲率变形使地平面变成弯曲的形状，建筑物的载荷和地面土体反作用力要求初始破坏状态。在曲率的影响下，建筑物地面反作用力得到分布，使结构受到垂直面的额外弯矩和剪切力。如果附加应力超过材料的极限强度，建筑物会破裂和破坏
[8]。
建筑物将受到地面水平变形影响，特别是拉伸变形。用于抗拉强度的一般建筑材料远远低于抗压强度，地面张力建筑会破裂，建筑节点容易拉开，当压缩变
形较大时，建筑物的损坏更严重，可使地板起伏部件破碎，门窗开口被挤压入菱形，砖砌裂缝，纵墙水平折叠[9,10]。
建筑物将受到扭转的影响。建筑物扭转变形由两个横向壁面倾斜值不同，导致沿建筑物纵向中心线的表面产生扭转变形。
地面沉降的理论分析对建筑物的影响
分析了基坑开挖后对周围建筑物的影响的两种主要方法，分为有限元法和简化分析法。有限元法一般是基于基坑与周边建筑物的相互作用模型，但周边建筑物如何模拟，如何确定参数和地面参数如何选择难度较大，因此得到较好的有限元结果是困难的。在本文中，提出了一种简化的方法，根据建筑物的应力和变形特征，结合基坑开挖后的表面变形规律，建立了地表沉降区地面，建筑基础和上层建筑的机械模型，揭示了地面变形对坑洞开挖过程中的建筑物法律的影响。
随着移动式挖掘深度的下沉曲线的增加，位于不同位置的沉降曲线中的建筑物，运动和变形受到不同的影响，同时运动和变形应力也在不同的建筑位置变化。目前，理论上直接计算了基坑开挖对周围建筑物的影响并没有好的方法，本文通过建立地面沉降和建筑物两个相互独立和相互关联的坐标系（见图2），研究了建筑基础，地面和上层结构相互作用问题[1,10]
基坑坑壁下沉变形曲线如图2所示，任意点表面沉降值为。ѡ1（x ）
图2建筑物和地面沉降坐标系
坑前建筑物的基础压力是基坑开挖前的分布。
q = rh（1）
r ：建筑密度
h ：建筑高度。
该建筑被认为是弹性地基梁，地面反应（p （s ））与建筑物进入地面成正比。
P (s) = k[ w (s) - w 1(x+ s)]
K ：地面反应的模量;
w (s)：正在建造沉降。
弯矩曲线微分方程为公式
d2w (s)EI =M(s) M （s ）:建筑物任何部分的弯矩;
E: 建筑物的弹性模量
I ：建筑的线刚度
建筑物的载荷等于建筑物的重力应力消除地面反作用力 q −p s =q − k[ w (s) - w 1(x+ s)]
弯矩与剪切力之间的关系为公式
dM s =Q(s) dQ s =[q−p s ]ds
dQ(s) ds=q − k[ w (s) - w 1(x+ s)]
综合上述公式得：
EI d4w (s)
ds=q − k[ w (s) - w 1(x+ s)]
临界条件：
S=0 S=l; d2w (s)
ds上述公式从以下两个方面使用：
通过选择合理的地面变形方程得到建筑物的偏转曲线方程，并根据偏转曲线方程求解地面附加力，建筑物的附加内力和附加变形。
另外，可以通过基坑挖掘后的测量沉降数据直接计算地面附加力的数值解，附加内力和建筑物的附加变形。
通过选择合理的地基变形方程或使用测量的沉降数据，解决理论的内力和变形或数值解决了基坑开挖对建筑物的影响。
结论
在本文中，分析了基坑开挖后建筑基础与地面协调协同效应，研究了基坑开挖对变形和地面反作用力建设的影响机理。
分析了本文基坑开挖对建筑物影响的规律性，发现地基沉降，倾斜，曲率，扭转等因素可能导致建筑物裂缝，倾斜，甚至崩溃。同时，道路，管道等可能会对基坑开挖影响范围产生破坏。
提出了对建筑物的挖掘影响的理论计算方法，可以计算地面附加力，附加内力和建筑物的附加变形。