城市地区的基坑开挖设计应包括地基变形的估算和基坑支护墙的稳定性校核。在估算开挖地点附近的地面移动时，通常把地面的沉降和地面上的建筑物当作一个整体。然而，地面横向移动导致地面沉降和土壤刚度降低，建筑物的重量和地基土刚度变化，会产生附加沉降。为了证实这一推测，进行了基坑开挖支护的模型试验，以确定结构产生的附加沉降量和建筑物地面的埋深的变化，以及基坑距离对结构附加沉降量的影响。
通过采用相同的模型试验方法进行了一系列的补充模型试验，以估计保护开挖基坑附近的建筑物需要的土壤加固区范围。加固区土壤由2?%含水率的潮湿砂土组成，这种潮砂能够产生显著的粘聚力，起到加固土壤的效果。
1模型试验装置和程序、模型测试设置和程序
模型试验箱由20?mm厚的铝板制成，长180?cm，宽60?cm，高75?cm。基坑支护墙由3?mm厚的亚克力板制成，开挖完成后，将最大侧向位移设置为开挖深度的0.3?%，基坑支护墙底部铰接。模型建筑为长方体胶合板箱（410?mm×210?mm×400?mm），内部装填砖块，单位面积荷载为6.9?kPa，使用液压千斤顶作为支撑装置，如图1所示。
图1?测试装置示意
通过测量不同位置的尺寸标志计算地面沉降量，将模型建筑物的沉降测量标志贴在前后两侧。使用位于墙顶部和中部的LVDT（线性可变差动变压器）测量开挖墙的横向移动。用安装在液压千斤顶上的测压元件测量开挖期间支柱的轴向力，如图2所示。
图2?测量系统示意（无模型结构）
当模型箱的宽高比为1.25时，土壤和侧壁之间会产生较大的摩擦力，无法忽略不计。所有测量均在模型地面的中心进行，以最小化边缘效应。模型试验程序如图3所示，首先将墙外土壤挖至18?cm，并测量地面移动距离，其次将液压千斤顶放置在地面以下6?cm处，最后开挖深度为42?cm。
图3?模型试验的顺序
（a）初挖；（b）支撑安装；（c）总挖
用砂土模拟模型地面，地面干堆土密度约15.7?kN/m3（dr=78?%）。三轴试验的砂土内摩擦角为44°。砂土的级配曲线如图4所示，砂土颗粒的显微照片如图5所示，可以看出颗粒的形状呈角形、 三角形。
图5?砂土颗粒的显微照片
模型结构的测试位置如图6所示，图中的箭头表示模型结构的质心位置。
图6?模型结构的位置
图7绘制了无建筑结构的地面沉降剖面的试验结果。正如试验初期的预期，地面沉降和影响区宽度随着沉降测量位置的降低而减小，但在开挖深度的0.75?H处仍有一定的沉降量。模型试验得出的沉降剖面呈凹形，这是开挖墙向内移动至开挖面时的典型 结果。
图7?地面沉降截面（无结构）
比较了不同位置处不同建筑埋深沉降截面的曲线，对无建筑物的水平地面的情况也进行了叠加比较，如图8所示。当结构物处于地面水平时，结构物沉降明显大于无建筑荷载的水平地面，这是由于开挖面横 向移动导致结构下方土体刚度降低。当结构物位于开挖最近处，会产生最大的附加沉降。附加沉降量约为无建筑物水平地面沉降量的120?%。当结构埋置的开挖深度为0.25?H，这两种情况下沉降量大致相同，当建筑物重心位于0.5?H以内的开挖深度，仅显示少量的、额外的结构沉降。当结构埋置的开挖深度大于0.50?H，无建筑物的水平地面沉降更大，是由于其结构沉降受到结构刚度的限制。
（c） （d）
图8?模型结构在不同埋深处的沉降曲线
（a）地面模型结构埋深0.00?H；（b）模型结构埋深0.25?H；
（c）模型结构埋深0.50?H；（d）模型结构埋深0.75?H
计算附加沉降量是为了更准确地比较沉降量。“附加沉降”为图9右上角的四边形“b–c–d–e”，其中线“b–e”是无建筑物的水平地面的沉降曲线，线“c–d”是结构的沉降底部。随着埋置深度的增加，附加沉降量迅速减少。此外，如果结构埋置在开挖深度的0.25?H以内，且其重心与墙的距离小于开挖深度的0.50?H，则沉降量会显著增加。
图9?不同埋深的附加沉降量
关于结构稳定性的另一个敏感参数是角度变形dv/L，其中dv是两点间的差异沉降，L是两点之间的距离。计算不同埋深的结构沉降截面计算角度变形， 如图10所示，提现了建筑物结构损坏和高刚性建筑物倾斜的极限值。这些限值用虚线表示。如果结构嵌入开挖深度（H）不大于0.25，且其质心位于距离0.50?H以内，则存在结构损坏的可能性。倾斜的可能性取决于结构是否嵌入0.50?H且重心距离为0.35?H，或嵌入0.25?H且重心距墙0.55?H。
图10?不同埋深的角度变形
临界沉降区与角度畸变区如图11所示，图中实心箭头表示受开挖影响严重的结构位置（就其质心而言）。潜在破坏性沉降区由一条线划定，该线从开挖基底边缘到地面，与水平面呈45°+1/4的角度。
图11?临界沉降区与角度畸变区
2土壤加固区
通过土壤加固保护位于潜在破坏沉降区内的结构，应确定最小加固区域，以提供足够的结构稳定性。为此，在调整土壤加固区范围进行了4个不同系列的模型试验，采用湿砂“改良”地面。
案例1中未对模型地面进行加固，而案例4的地面均使用湿砂进行加固，其他两种情况的地面部分改良，如图12所示。由于无法通过降雨法筛得湿砂，因此，地面通过压实的方式建造，导致干堆积密度为14.7?kN/m3，相对密度为44?%。
图12?每个案例的地面改良区域
三轴试验中干土的干堆积密度为14.7?kN/ m3 ，内 摩擦角为42°，采用两种方法估算2?%含水量的砂土中的粘聚力表观：一种方法是使用土壤粘聚力和土壤自然堆积高度之间的经验关系；另一种方法是将土壤粘聚力与土壤的平均粒径联系起来，根据经验估计土壤粘聚力为0.5?kPa，从图表中发现其值为0.4?kPa。三轴试验，因与模型试验场的普遍压力水平相比，传统试验可应用的最小围压为30?kPa，其值太大，故未用于土壤粘聚力估算。
地面上没有建筑物的4种不同情况的地面沉降剖面如图13所示。结果显示了3种情况（即案例2、3和4）的沉降截面，其中地基土壤使用2?%的水分进行了部分或完全改良，这3个案例几乎相同。未进行地基加固的案例1产生了更大的沉降。虽然与方案1相比，方案4的地基承载力减少了约20?%，但无明显差异，因此这种减少可能是由于湿砂中的土壤粘聚力发生了改变。
图13?地面沉降截面（无结构）
地表模型结构的4种不同情况的地面沉降曲线，如图14所示，其结论总结如下。
图14?各改良区模型结构的沉降曲线
（a）没有改善；（b）部分改善（I）；
（c）部分改善（Ⅱ）；（d）全部改善
（1）地面改良后若存在结构物也会发生附加沉降，其值大小取决于改良区的大小。
（2）如果对面积不足的区域进行改进，则会导致结构朝相反方向倾斜，并产生较大的沉降，即距离挖掘最远一侧的结构沉降量大于距离挖掘最近一侧的 结构沉降量。
（3）将无建筑荷载的水平地面沉降与未进行地基加固（地面干堆积密度为14.7?kN/ m3 ）的案例1的结构进行比较，则附加沉降是无建筑荷载的水平地面沉降的500?%。结合前述结果（即地面干堆积密度15.7?kN/ m3 ，附加沉降量120?%），估测附加沉降量可能是初始地面密度的函数。
附加沉降量（图15）和角度变形（图16）根据比值D/H绘制，其中D是模型结构质心与墙之间的距离。当结构的质心与开挖墙的距离不超过0.50?H时，至少应改良开挖深度与墙之间的距离（案例3）和案例4），来尽量减少附加沉降，从而确保结构的稳定性。
图16?各改良区的角度变形
3结论
本研究的两个模型试验得出以下结论。
（1）位于支撑开挖现场附近的建筑结构可能会发生附加沉降，其沉降量约为水平地面（无建筑荷载）沉降量的5倍，具体取决于土壤的初始密度。
该结论适用于结构位于地面和潜在破坏性沉降区内的情况，且随着建筑物埋深的增加，附加沉降量迅速减少，如果结构埋深超过0.50?H的开挖深度，则可忽略不计。
（2）如果要加固相邻地面以保护位于受影响开挖区的结构，根据模型试验结果推断，至少应改良与开挖深度相等的距离内的区域。
（3）通过数值分析，并通过改变结构荷载、结构长度、地基土密度、改良土壤的粘聚力以及支撑开挖面的支柱数量等控制变量，可以证实研究结论，并将其扩展到更普遍的情况。
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