深基坑与高层高框架结构相互作用研究

摘要：随着城市化进程的加速，高层建筑和深基坑工程在城市建设中日益增多。深基坑施工对周边高层高框架结构产生复杂影响，包括结构变形、应力重分布等。本文旨在探讨深基坑与高层高框架结构之间的相互作用机制，通过理论分析、数值模拟，提出相应的控制措施，确保施工安全和结构稳定。

关键词：深基坑；高层高框架结构；相互作用；变形；应力重分布

引言

随着城市化进程的加速，高层建筑和深基坑工程在城市建设中占据重要地位。深基坑施工涉及复杂的地质条件和周边环境，对周边高层高框架结构产生显著影响。研究深基坑与高层高框架结构之间的相互作用机制，对于保障施工安全、控制结构变形具有重要意义。

一、深基坑工程概述

深基坑工程，作为一种特殊的地下开挖技术，随着城市化进程的加速和高层建筑的崛起，日益成为现代城市基础设施建设中的关键环节。深基坑工程的复杂性主要源于两个方面：其一，基坑开挖过程中，巨大的土体卸载会引起地层变形，可能导致周边建筑物沉降、倾斜，甚至结构破坏；其二，深基坑的开挖深度大，对地下土体的扰动范围广，这就要求对土体的力学行为、开挖过程的动态响应以及支护结构的稳定性有深入的理解。因此，深基坑工程不仅涉及土力学、结构工程等基础理论，还涵盖了施工技术、监测技术、数值模拟等实践应用。此外，基坑工程的设计与施工通常遵循一系列严格的规定和准则，如中国《建筑深基坑工程安全技术规范》等，这些规范强调了变形控制的重要性，从基坑的开挖顺序、支护结构设计到监测预警系统，均需综合考虑地质条件、建筑物距离、开挖深度等因素，以确保基坑开挖过程的安全进行。

二、高层高框架结构概述

高层高框架结构通常由多层柱和梁组成，构成一个支撑整个建筑的骨架。首先，当深基坑开挖时，巨大的土体卸载会导致地基土体的压缩，进而可能引起高层结构的地基沉降。过大的沉降不仅会改变建筑物的几何形状，降低其使用性能，还可能导致结构的永久性损伤。因此，对高层高框架结构在深基坑开挖过程中的动态响应研究至关重要，这包括结构的线性及非线性响应，尤其是对结构的次生损伤，如裂缝的产生和扩展，必须给予足够的关注。其次，在深基坑开挖产生的应力波影响下，结构会经历显著的动态响应，可能引发共振现象，加大结构的受力和变形。

三、深基坑与高层高框架结构的相互作用机制

3.1 基坑开挖对高层高框架结构的影响

深基坑开挖过程中的土体卸载，对临近的高层高框架结构的影响犹如涟漪般深远。开挖初期，地层中的应力分布发生剧变，土体因卸载而产生回弹，导致地基产生下沉，这如同给高层建筑的根基上施加一个持续的向下推力。这种沉降效应往往沿着基坑的边界逐渐向外扩散，形成所谓的“基坑周围沉降带”，此区域内的建筑物首当其冲，承受着最大的地基变形压力。然而，深基坑开挖使得地基土体产生不均匀沉降，可能导致高层建筑出现不规则的倾斜，影响其正常使用。再者，在基坑开挖过程中，土体的连续卸载犹如引发了一次“土体地震”，产生的应力波沿着土体和结构传递，可能导致高层建筑产生共振，从而加剧结构的动态响应和损伤。

3.2 支护结构对高层高框架结构的影响

支护结构在深基坑工程中不仅直接关系到基坑的稳定性，更是影响临近高层高框架结构安全性的重要因素。首先，内支撑系统，如排桩或地下连续墙，通过提供侧向约束，减小了地表沉降的传播范围。然而，这种结构可能会在开挖过程中导致土体变形不均匀，尤其是在开挖的初期和晚期，这种不均匀性可能引发高层建筑的局部应力集中，从而加大结构的受力和变形。因此，必须精心设计支撑系统的布局和强度，以确保它既能有效支撑开挖面，又能尽量减少对周边结构的干扰。其次，在支护结构中，混凝土支撑和冠梁的设置可以有效地控制围护桩的顶部变形，却可能在一定程度上增大了坑角效应的范围，如在建筑物JZ1、JZ3和JZ7的监测数据中，尽管混凝土支撑和冠梁对围护桩顶变形进行了有效控制，但同时导致建筑物的沉降最大值位置有所偏移。

3.3 高层高框架结构对深基坑开挖的响应

高层高框架结构在深基坑开挖过程中并非被动的受力对象，其自身特性及响应对基坑开挖过程也有显著影响。首先，高层建筑的重量和刚度对地基土壤产生压力，尤其是在施工前，这在一定程度上制约了深基坑开挖的可行性和安全性。开挖前的土体预压效应，使得在开挖过程中土体的变形相对更为复杂，可能引发土体的蠕变行为，进一步影响基坑的稳定性。其次，当开挖产生的应力波与结构的自然频率相匹配时，可能会触发共振现象，导致结构振动加剧，增加结构损伤的风险。因此，在深基坑开挖前，结构的振动特性分析和基坑开挖方案的设计往往需要同步进行，以避免共振效应的发生。再者，浅基础，如独立基础或条形基础，对土体的约束相对较小，可能加剧基坑周围土体的不均匀沉降；而深基础，如桩基础，通过深入土体的桩体提供更大的侧向约束，能够有效减少水平方向的位移，从而减轻对基坑开挖的不利影响。

四、数值模拟分析

4.1 有限元模型建立

在深入研究深基坑与高层高框架结构的相互作用时，数值模拟作为一种重要的分析手段，能够揭示复杂的力学行为和动态响应。首先，考虑到实际工程中可能存在不同的土层分布，如土壤类型、密度、弹性模量和泊松比等，来设定各土层的力学特性。同时，模型中也考虑了不同土层之间的界面特性，以模拟土层间的应力传递和变形。其次，模型中的深基坑结构采用混凝土排桩结合预应力锚索支护系统，以反映实际工程中的支护形式。排桩、锚索的几何尺寸、材料性质以及锚索的预应力设定都是基于实测数据和设计规范来设定的。此外，模型中的混凝土支撑和冠梁也按照设计参数构建，以模拟它们在控制围护结构变形中的作用。再者，对于高层高框架结构，模型会考虑到其建筑平面布局、层数、柱梁的截面尺寸、材料属性及施工质量等因素。通过对建筑结构的准确建模，模型能够准确模拟结构的线性和非线性响应，包括动态载荷下的响应和可能的次生损伤。此外，在模型的边界条件设定上，除了考虑基坑的开挖边界，还需设定与高层高框架结构相连的边界条件，如锚固约束或弹性支承，以模拟实际工程中的相互作用。

4.2 数值模拟结果分析

数值模拟在本文中作为关键的分析工具，揭示了深基坑开挖过程对高层高框架结构复杂影响的内在机理。首先，在深基坑开挖初期，模型预测了地表沉降的快速增加，尤其是在基坑周围2.5H（基坑开挖深度）范围内，这是基坑施工主影响区域。监测点数据与模拟结果吻合，揭示了地表沉降最大值与建筑物沉降最大值位置的一致性，而倾斜度最大值位置则在反弯点附近。这种空间差异反映了地基沉降对高层建筑的影响程度随距离和土体变形特征的不同而变化。其次，在模拟支护结构对高层高框架结构的影响时，混凝土排桩和预应力锚索的组合表现出良好的控制效果。然而，锚索施作位置的内凹变形成为结构响应的一个敏感点，这提示设计者在优化支护结构时需兼顾整体稳定性与局部响应。例如，CX7和CX8的桩体水平位移监测点显示，桩体最大侧移位置在距地表6m（0.4H）埋深处，表明基坑中下部岩层的抗变形能力对围护结构变形有重要影响。再者，对于高层高框架结构的动态响应，模拟结果显示，结构的线性和非线性响应主要集中在基坑开挖后的40d内，此后响应趋于稳定。桩顶水平位移的增长主要在开挖初期集中，40d后增长不明显。

结束语

本文通过综合研究，深入剖析了深基坑开挖对高层高框架结构的复杂影响，主要涉及土体变形、地下水变动及支护结构作用。为保障结构安全与施工稳定，提出了加强支护设计、优化降水措施及强化监测预警等策略。未来研究应深化对两者相互作用机制的理解，为城市高层建筑与深基坑工程的安全施工提供更加坚实的理论与实践支撑，推动城市建设向更高水平发展。

参考文献

[1]杨晶.建筑工程中的深基坑支护施工相关技术的应用[J].四川水泥，2021（09）：167-168.

[2]刘纪明.高层建筑工程深基坑支护施工技术的分析[J].中国建筑金属结构，2021（07）：78-79.

[3]唐龙.关于高层建筑深基坑施工技术及安全分析[J].陶瓷，2021（02）：98-99.