地下开挖导致邻近建筑物的损害评价方法综述

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　　摘要：近年来随着城市地下工程建设的迅猛发展，地下工程开挖导致的临近建(构)筑物变形、损害评价及其控制对策已成为当前地下岩土工程的研究热点。本文总结了自上世纪50年代以来的国、内外在该领域的研究方法及其相关成果：基于现场观测的经验法、深梁理论模型和数值模拟分析评价方法；在工程实践中采用以上三种方法的综合分析评价法已广泛应用。
　　关键词：开挖；沉降；损害；建筑物
　　
　　地下开挖引起地层的扰动，使开挖周围土体的应力、应变场发生变化，导致土体产生固结和沉降，进而扩展到附近建筑物地基，并由地基传递到建筑物基础，再往上传递到结构，引起结构的次生内力和变形，严重的会造成结构倾斜甚至倒塌。对临近地下开挖的建筑物来说，如何评价其所受的影响并采取有效的保护措施一直是古建筑保护单位和城建承包商所关心的问题。
　　国外学者在该方面的研究较为系统和详尽，早先的研究文章可从20世纪50年代起，至今已经有了一些初步的成果和评价标准。过去对沉降损害的研究工作一般可分为三大基本类：第一种为经验法，该法基于历史案例研究损害与易量测或易定义的参数之间的经验关系；第二种方法基于结构原理，获得所选结构尺寸及材料参数的容许极限沉降，并将推导出的极限值与历史实际案例相对比；第三种方法可总结为数值计算与案例统计损害标准相结合。
　　
　　1、基于现场观测的经验法
　　
　　Breth和chambosse对临近开挖隧道的建筑物反应进行了观测，这些建筑物既包括混凝土框架又包括砖承重墙结构。作者认为，建筑物的反应应当考虑开挖的过程，而不仅仅是最后的沉降；当开挖不是正向面对建筑物时，在评价建筑的损害时应当考虑扭转产生的剪应变；由于应力集中,建筑物的开裂部位经常发生于地表沉降曲线和建筑沉降曲线的交界处；一般地下室的损害小于上部结构的损害是因为地下室结构刚度相对于上部结构要大。
　　Kerisel在研究古建筑物对地表沉降的影响时，建议采用曲率半径来评价建筑物的损害程度，但由于建筑物的桥接或平化使得难以实际应用。一般来说，建筑物在受到开挖影响前已经存在裂缝，在开挖时损害更易沿着原来的易损部位或破坏界面扩展如：门窗、墙体交界处、墙体与楼板的交界处。
　　O’Rourke等人对隧道暗挖、明挖导致的建筑物的损害进行了研究，作者认为角变形和水平应变是两个合适的参数来评价建筑物的损害：地面沉降的高梯度使得L/H值小于或接近1，这样建筑物一般容易发生剪切变形；角变形容易定义，并可以与以前的资料进行对比。
　　Attewell报道了一则由排水隧道下穿厂房造成损害的工程实例，隧道直径4.25m，厂房建于三十年代，砖填充钢框架结构。柱间距3.7m，墙高5m。产生的结构损害与结构单元和隧道的相对位置有关，观察到两种裂缝类型：一是受上凸和下凹弯曲作用产生的拉应变产生的裂缝；二是由于柱间的差异沉降导致的对角拉伸应变而产生的裂缝。作者通过调查还发现，结构的变形不仅与刚度有关。而且还与开裂强度有关。许多学者对不同结构形式建筑物的临界拉应变、临界拉应变与角变形的对应关系进行了研究。
　　Burland和Haneoek对伦敦临近的一深18m的地下停车库的建筑物的反应进行了研究，该停车库周围的建筑都是具有重要价值的历史建筑，包括：西斯敏教堂、国会大厦和大本钟。这些建筑的基础采用毛石混凝土或石灰浆砌筑的碎石形式，最大沉降是20mm，最大水平位移为12mm，受影响的地表范围大约是开挖深度的3倍。
　　Cording等人调查研究了华盛顿和纽约两地砖承重建筑物的损害与变形关系。对于墙体与开挖垂直的情况总结了裂缝和脱落发生部位的规律：一是倾斜裂缝和脱落广泛发生于窗口附近的灰缝处，这种破坏与剪切和拉伸变形有关；屋顶部位易出现竖向或接近竖向能贯穿砖和灰缝的裂缝，这种破坏与上凸弯曲有关；建筑物底部出现的竖向或接近竖向的裂缝，这种裂缝主要与土体的水平应变有关。
　　Bjemlm在skempton和MacDonald工作的基础上提出一张与角变形有关的损害标准。
　　Rankin提出了评价建筑物损害的坡度、沉降标准如表1所示，该标准可用于设计阶段考虑建筑物受地表自由位移时的损害程度评价。
　　
　　2、基于深梁理论的分析模型
　　
　　Burland和Wroth、Burland和Broms等人把限值拉应变的概念和弹性深梁理论相结合来研究建筑物变形和初始开裂的关系。把建筑物简化为弹性深梁可以较好地说明建筑物初始开裂的机理。他们研究了在给定临界拉应变时相对挠度和临界拉应变的关系，及E/G(纵向刚度和剪切刚度的比值)对这种关系的影响。深梁理论对于帮助我们理解发生初始开裂时的允许沉降值很有意义，但是，它并不能描述开裂后结构的反应，因而具有局限性。另外，由于在门窗洞口附近容易产生应变集中,这就会使深梁模型不能较好的代表实际情况。
　　Boscardin和Cording对上述深梁模型所得到的应变在考虑水平应变的基础上进行了改进：建立了限制拉应变与角变形、水平应变之间的关系，得到E/G＝2.6和L/H＝1的条件下的损害评价图。
　　Geddes指出Boseardin和Cording方法夸大了建筑物的水平应变，因为在建筑物与土间的界面上会产生剪切变形或者水平滑移，导致二者并不相等。
　　Burland采用挠曲率和水平应变来评价建筑物损害程度，该法基于E/G＝2.6、L/H＝1、两端简支中心加载的深梁模型，临界拉应变采用了Boscardin和cording提出的应变界限值并给出了损害评价标准。
　　Boone提出了另一评价建筑物损害的方法，该方法通过计算开挖过程中累积裂缝宽度来评价损害程度，参照Burland(1995)提出的损害程度评价标准表有关裂缝的宽度的描述进行评价。
　　Cording等人在对Boseardin和Cording提出的损害评价标准的基础上作了修正，提出了应变状态损害评价标准，该标准与L/H、E/G、中性轴的位置无关。标准基于一点的应变状态或建筑物单元(如两柱间，不同的建筑物几何形状、刚度、地表位移梯度)的平均应变。该损害评价标准的思想源于建筑物受角变形和水平应变的复合作用产生变形，结构的最大应变可以由角变形和水平应变得出的主应变来决定,最大主应变再与每种不同损害种类的临界应变比较，从而达到进行损害评价的目的。由于该评价标准基于现场观测和应变状态理论。所以它是一种半经验标准。
　　
　　3、数值模拟在损害评价中的应用
　　
　　Cording等人在1：10模型试验的基础上采用UDEC模拟了砖承重墙结构与开挖之间的相互作用，砖与砖之间采用界面单元模拟，在基础底都施加两种不同(一大一小)的抛物线形的地表位移，并对结果进行对比。作者还采用基于模拟得到的裂缝宽度和数量进行了损害评价，并与Boscardin和Cording的评价标准(采用水平应变和角变形为评价参数1进行了对比，二者吻合较好。
　　Cording等人在上面工作的基础上又对影响建筑物损害程度的参数进行了敏感性分析，他们是：砖尺寸大小、土体刚度、结构刚度、结构强度、层数、地表水平位移、地面渐进移动、外墙荷载、墙体开洞、地基梁、屋面和基底的约束。
　　G.T.Houlsby等人对临近隧道的建筑物损害进行了三维有限元模拟，土体采用迭套模型并假定土体与建筑物间不允许出现滑移，作者认为，建筑物的存在在大小和方向改变了地层运动的模式；建筑结构的裂缝随着隧道施工的行进开开合合；建筑面板墙体在地表变形的上凸段比在下凹段更容易开裂。
　　Netzel和Kaalberg对阿姆斯特丹的砌体建筑物在隧道开挖到来前的损害进行了评价。这些建筑物用三维程序进行模拟,墙体为二维平面应力单元。在桩基底部施加预测的地表自由位移。作者发现这些建筑物容易在下列三个部位产生损害：门窗洞口附近；沉降槽边缘部位、建筑物底部处于变形曲率的部位。
　　陶连金等采用数值方法评价了北京地下直径线穿越对既有地铁二、四、五号线的影线，分析时先采用FLAC3D模拟新线施工所引起的结构物的变形，然后根据结构物变形输入采用SAP软件计算得到结构的内力。然后与开挖前重力场下的结构内力相叠加，从而得到结构的总内力。基于结构的材料、断面和实际强度测试可对结构构件的承载力进行校核，同时可以根据试算得到结构的极限变形，根据所允许的极限和现有变形的关系，从而实现对既有结构进行评价的目的。

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