基坑開(kāi)挖寬度對(duì)坑底變形的影響分析

孫曉科

0 引言

隨著地下空間的綜合開(kāi)發(fā),基坑的規(guī)模越來(lái)越大,基坑開(kāi)挖寬度和深度不斷突破以往記錄。深基坑的研究已經(jīng)較多,而對(duì)隨基坑開(kāi)挖寬度增加帶來(lái)的影響研究的較少。定性的粗略來(lái)講,基坑開(kāi)挖寬度越大,對(duì)周邊環(huán)境的影響也隨之增加[1],然而是否存在一個(gè)臨界寬度,使基坑寬度的增加對(duì)周邊環(huán)境的影響范圍不再增加,此臨界值的影響因素有哪些。本文結(jié)合某基坑工程實(shí)踐,采用Plaxis有限元分析程序,計(jì)算分析了基坑寬度分別為10m～240m多種情況下基坑外地表的變形、連續(xù)墻水平變形、坑底隆起變形變化規(guī)律。

1 數(shù)值分析模型的建立

基坑全長(zhǎng)1000多米,寬約110m,分多個(gè)標(biāo)段施工。計(jì)算選擇的斷面位于相鄰兩不同開(kāi)挖寬度標(biāo)段的交界處,建立的計(jì)算模型見(jiàn)圖1,模型底部完全約束,兩側(cè)為水平向約束。土體采用實(shí)體單元,強(qiáng)化軟土模型,即土體在卸荷作用時(shí),其回彈模量大于壓縮模量,土層參數(shù)見(jiàn)表1;地下連續(xù)墻采用板單元模擬,EA=3×107kN/m,連續(xù)墻與土體之間設(shè)置接觸界面,接觸面土體強(qiáng)度折減系數(shù)0.5。

為減少計(jì)算時(shí)間,根據(jù)基坑的對(duì)稱性取基坑的一半進(jìn)行模擬;連續(xù)墻后土體寬200m,豎向計(jì)算高度為70m。為模擬方便,支撐采用錨桿支撐模擬,錨桿參數(shù) EA=4×106kN,間距3 m,基坑分兩步開(kāi)挖,第一步開(kāi)挖5.6m,第二步開(kāi)挖到12 m。連續(xù)墻深度28 m,插入比1.33,連續(xù)墻厚度1 m,基坑坑底土體未進(jìn)行加固。相關(guān)參數(shù)的選取均是按實(shí)際工程選用。

表1 土層材料參數(shù)

2 基坑寬度的影響分析

數(shù)值計(jì)算中對(duì)基坑開(kāi)挖引起的地表變形、連續(xù)墻變形及坑底變形進(jìn)行了研究,本文中僅討論開(kāi)挖寬度對(duì)基坑開(kāi)挖引起的坑底變形的影響。

由不同基坑開(kāi)挖寬度的坑底隆起變形的計(jì)算結(jié)果可以看出:

1)基坑開(kāi)挖時(shí),坑底發(fā)生隆起,當(dāng)基坑開(kāi)挖寬度較小時(shí),由于基坑兩側(cè)連續(xù)墻的存在,基坑底部的隆起相當(dāng)于在兩連續(xù)墻間,存在一個(gè)類似土拱,使得基坑中央隆起值最大,基坑周邊受到連續(xù)墻的約束,隆起值小于基坑中央;

2)當(dāng)基坑開(kāi)挖寬度較小時(shí),隨著基坑開(kāi)挖寬度的增加,兩側(cè)連續(xù)墻對(duì)坑底隆起的限制作用越來(lái)越弱,坑底隆起值增加,如圖2所示,當(dāng)基坑開(kāi)挖寬度小于50m時(shí),隨基坑開(kāi)挖寬度增加,坑底隆起值增加,但增加幅度逐漸減小;

3)開(kāi)挖寬度繼續(xù)增加,地表變形和連續(xù)墻變形均有收斂的趨勢(shì),因而坑底隆起土體總體積的增加也趨于收斂,但由于隆起范圍增加,因此坑底隆起值減小,如圖3所示;

4)當(dāng)基坑寬度繼續(xù)增加時(shí),隨基坑寬度增加,坑底隆起值減小,但基坑兩側(cè)之間的相互影響明顯減小,可忽略不計(jì),因此基坑中心的隆起值會(huì)小于基坑邊緣的隆起,如圖4所示,當(dāng)基坑開(kāi)挖寬度大于100m時(shí),隨基坑開(kāi)挖寬度的增加,基坑中心的隆起值將小于邊緣的隆起值。

3 基坑寬度臨界值的確定

對(duì)于寬、窄基坑,其開(kāi)挖時(shí)坑底的變形形式和機(jī)理是不同的[2],結(jié)合上述數(shù)值模擬結(jié)果可以看出,基坑開(kāi)挖存在兩個(gè)臨界寬度,如圖 5所示,第一個(gè)臨界寬度如圖 5b)所示,第二個(gè)臨界寬度如圖5d)所示,第二臨界寬度約是第一臨界寬度的2倍。

當(dāng)基坑開(kāi)挖寬度小于第一臨界寬度時(shí),由于相對(duì)側(cè)的土體的存在,相當(dāng)于對(duì)基坑一側(cè)的滑體產(chǎn)生超載,限制了坑底的回彈隆起,同時(shí)兩側(cè)連續(xù)墻間相當(dāng)于存在一個(gè)土拱效應(yīng),限制了基坑邊緣的隆起;當(dāng)基坑寬度介于第一和第二臨界寬度之間時(shí),相對(duì)側(cè)的土體對(duì)基坑一側(cè)滑體的超載限制作用消失,同時(shí)基坑兩側(cè)的滑體在坑底中央有重合部分,基坑坑底中央的隆起比基坑邊緣隆起要大;當(dāng)基坑寬度超過(guò)第二臨界寬度時(shí),基坑兩側(cè)的滑體之間不會(huì)重合,相當(dāng)于基坑兩側(cè)的土體間不會(huì)相互影響,此時(shí),坑底隆起會(huì)出現(xiàn)中央比邊緣部分隆起值較小的情況。

按地基承載力計(jì)算模式確定坑底隆起范圍,進(jìn)而確定基坑臨界寬度[3],如圖6所示為基坑一半臨界寬度的簡(jiǎn)易確定方法圖,其簡(jiǎn)易計(jì)算公式為:

其中,Δ為基坑臨界寬度的一半;H為連續(xù)墻插入深度;φ為坑底土體的內(nèi)摩擦角。

根據(jù)上述計(jì)算式,基坑開(kāi)挖12 m時(shí),H=16m,φ≈30°,得 Δ≈51 m,即當(dāng)基坑開(kāi)挖寬度大于50m時(shí),如圖5b)所示,基坑兩側(cè)的土體對(duì)相對(duì)側(cè)滑動(dòng)帶的影響可以忽略,此時(shí)形成的滑動(dòng)帶范圍達(dá)到最大,即對(duì)地表沉降影響范圍達(dá)到最大;當(dāng)基坑開(kāi)挖寬度約大于100m時(shí),基坑寬度繼續(xù)增加,此時(shí)基坑底部?jī)蓚?cè)的隆起之間的相互影響可以忽略,出現(xiàn)坑底中心隆起比坑底周邊隆起量小的現(xiàn)象。

與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),按圖6確定的基坑臨界寬度比較接近。

4 結(jié)語(yǔ)

基坑開(kāi)挖時(shí),坑底隆起變形對(duì)基坑開(kāi)挖寬度的變化尤為敏感,存在兩個(gè)臨界寬度,當(dāng)基坑寬度小于第一臨界寬度時(shí),隨基坑寬度增加,坑底隆起量增加,該臨界寬度同時(shí)影響基坑開(kāi)挖對(duì)地表變形的影響范圍;當(dāng)基坑寬度介于第一和第二臨界寬度之間時(shí),隨基坑寬度增加,坑底隆起量反而減小;當(dāng)基坑寬度超過(guò)第二臨界寬度時(shí),隨基坑寬度增加,坑底中心隆起量小于邊緣隆起量。

按計(jì)算地基承載力方法確定的兩臨界寬度分別為50m,100m,與數(shù)值分析結(jié)果較接近。

[1]師曉權(quán).軟土地區(qū)深基坑回彈量影響因素分析[J].巖土工程界,2007,10(6):32-40.

[2]夏明耀.地下連續(xù)墻的變形機(jī)理與環(huán)境問(wèn)題對(duì)策[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),1991,19(1):59-66.

[3]孫淑賢.基于Terzaghi假定的基坑抗隆起穩(wěn)定性計(jì)算方法研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2007(6):63-66.