基坑局部超挖對周邊支護結(jié)構(gòu)的影響機理

黃天明，程雪松，鄭剛，聶東清，劉　杰，鄧楚涵

綜合

基坑局部超挖對周邊支護結(jié)構(gòu)的影響機理

黃天明，程雪松，鄭剛，聶東清，劉杰，鄧楚涵

（天津大學濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室，天津大學土木工程系，天津300072）

雖然已有很多由局部超挖引起基坑大范圍破壞的工程案例，但局部超挖對支護結(jié)構(gòu)整體的影響卻較少有深入研究。文中采用顯式有限差分法，對不同條件下的基坑局部開挖進行了模擬。結(jié)果表明，局部開挖不僅會導致開挖范圍內(nèi)支護樁內(nèi)力大幅增長，還會導致周邊一定范圍內(nèi)支護樁內(nèi)力增長。研究成果為坑中坑設(shè)計及基坑分區(qū)開挖等基坑局部深挖問題提供了參考。

基坑；局部超挖；基坑事故；有限差分法

0　引言

近年來，隨著我國城市化進程不斷加快，城市土地資源也越加緊缺，城市建設(shè)也從地面逐漸向地下發(fā)展。例如大型商場、地下停車場、地鐵車站以及大型交通樞紐工程的建設(shè)，這些都離不開基坑工程的建設(shè)?；訌拿娣e、深度和長度方面均達到前所未有的規(guī)模，與此同時，基坑周邊環(huán)境的復雜程度也日益增加。在基坑施工過程中，由于追趕工期或者坑中坑開挖等原因，局部超挖的情況經(jīng)常出現(xiàn)，由超挖或者局部超挖引發(fā)的基坑事故更是屢見不鮮，事故造成的人員傷亡、經(jīng)濟損失和社會效應(yīng)也都是十分慘重的。

2003年1月23日，深圳市南山區(qū)南山大道某基坑西側(cè)因坑中坑開挖施工發(fā)生了坍塌事故[1]。該基坑西側(cè)采用攪拌樁復合土釘墻支護，正常開挖深度為7 m。由于開挖基樁承臺，需要開挖坑中坑，施工單位沒有對坑中坑采取支護措施，放坡開挖，承臺坑底部連成一片形成了2個坑中坑，深度分別為0.9 m及1.9 m，導致基坑局部總深度分別達到8.0 m及9.0m，事故發(fā)生時，-8.0 m坑已完全開挖，-9.0 m坑尚未完全開挖到底。1月23日當晚，西側(cè)北半段坍塌，坍塌范圍長度約22 m，寬度約10 m，紅線外約6m寬人行道路塌落到坑內(nèi)，西側(cè)南半段因有出土車道等原因，沒有坍塌，但變形略有增加。

2011年6月中旬，位于天津臨港濱海軟土地基的某長條形基坑發(fā)生坍塌事故[2]。該基坑長28.75m，寬12.33m（短邊寬6.88m），開挖深度8.7 m，采用SMW工法樁加一道鋼筋混凝土水平支撐支護。事故發(fā)生時，主體基坑土方剛開挖到設(shè)計標高，局部小面積繼續(xù)開挖了約1.5m，使超挖部位的SMW工法樁型鋼斷裂，連鎖引發(fā)相鄰的SMW工法樁型鋼連續(xù)斷裂，造成基坑1條長邊支護結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)坍塌，水平支撐下墜并嚴重變形，另外3條邊的支護結(jié)構(gòu)也向坑內(nèi)傾斜變形。

通過前述案例可發(fā)現(xiàn)基坑垮塌的范圍會不局限于基坑局部開挖的位置，局部超挖會引起基坑沿長度方向連續(xù)垮塌。例如，同樣是在深圳市南山區(qū)的某基坑[1]，采用攪拌樁-預應(yīng)力錨索復合土釘墻支護，由于開挖尺寸為2.5m×2.0m×1.2 m（長×寬×高（下同））的集水坑導致了長約36 m的基坑坍塌事故；上海寶山區(qū)某基坑[3]，采用鉆孔灌注樁加旋噴樁的方式，坑內(nèi)1道鋼管斜撐支護，開挖上口為尺寸3 m×3.7 m×2 m的坑中坑，導致了長36m、寬13m路面發(fā)生嚴重塌陷。

在坑中坑研究方面，龔曉南[4]曾指出研究坑中坑對基坑圍護穩(wěn)定有重大影響，國內(nèi)也不斷有學者對坑中坑進行分析研究，并對坑中坑的設(shè)計提出了簡化計算方法[5]。然而現(xiàn)有的基坑局部開挖設(shè)計分析理論都是基于對基坑進行二維的分析或者基于二維的理論而得出的，局部超挖造成的基坑垮塌卻具有空間連續(xù)性，很少有學者對局部開挖造成的沿基坑長度方向的荷載傳遞機理進行研究，這使得坑中坑的設(shè)計缺乏充分的理論支持。

本文采用數(shù)值模擬方法對懸臂排樁基坑緊鄰支護樁部位局部超挖的情況進行分析，初步揭示了局部超挖在基坑長度方向上的影響機理。

1　有限差分數(shù)值模型模擬

顯式有限差分法通過直接求解含有運動的動態(tài)方程得出數(shù)值問題的解，這樣的求解方法求解大變形或者不穩(wěn)定的物理系統(tǒng)時，能夠確保數(shù)值方法的穩(wěn)定。在基坑發(fā)生局部開挖的情況時，支護結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生較大變形，故選用有限差分軟件進行數(shù)值模擬分析。

數(shù)值模型如圖1，模型大小為28 m×18 m× 20 m（X×Y×Z），在垂直于X與Y方向的4個豎直邊界面上約束法向位移，在垂直于Z的底部邊界上約束X、Y、Z三個方向的位移。設(shè)定Y方向的最左側(cè)邊界為對稱邊界，最右側(cè)邊界遠端為不受影響的邊界，局部開挖模型最左側(cè)若干根支護樁前3 m內(nèi)的土體。整個模型共有163 200個實體單元，172 569個節(jié)點。

圖1　有限差分模型Fig.1 Finite difference model

在基坑長度方向上，土體網(wǎng)格單元較密，0.3m一個網(wǎng)格，支護樁直徑0.6 m，長度16 m。若采用單根結(jié)構(gòu)樁（pile單元）模擬基坑中的支護樁，則2根結(jié)構(gòu)樁間的土體單元由于沒有支護，將會發(fā)生較大變形，與實際情況不符。因此本文數(shù)值模擬中，單根支護樁采用2根pile單元和33根beam單元組成的組合結(jié)構(gòu)模擬，如圖1。16 m的樁單元分為32個結(jié)構(gòu)單元，將樁單元節(jié)點用beam單元連接，pile單元與beam單元的彈性模量為30 MPa，泊松比為0.2，將單根支護樁的截面特性拆分賦予到2根pile單元上。這樣處理后的樁單元即能模擬支護樁的力學、變形特性，又能使樁間土體網(wǎng)格不產(chǎn)生較大變形。樁單元與土體間的作用通過對樁單元賦予剪切耦合彈簧特性和法向剪切彈簧特性來模擬。基坑正常支護樁按從左到右依次命名為1~30號樁。基坑內(nèi)局部開挖采用的支護結(jié)構(gòu)同樣采用pile單元模擬，材料參數(shù)與正常支護結(jié)構(gòu)相同。

1.1基坑局部開挖荷載傳遞機理

為研究局部開挖造成的荷載傳遞效應(yīng)，數(shù)值模擬的計算流程為正常開挖5 m、6 m或7 m后局部開挖1~8號樁前4.8 m×3 m×2.5 m土體（圖1），大面積開挖每步開挖1 m深土體，局部開挖每步開挖0.5 m深土體。由于坑中坑支護結(jié)構(gòu)受力較小，因此取大基坑支護樁樁身彎矩為研究對象（假定支護樁的破壞由抗彎承載力決定）。

分別選用砂土與黏土的參數(shù)以研究不同土性下的傳遞機理，土體采取摩爾庫倫模型模擬。其中砂土黏聚力取0 kPa，摩擦角φ采用30°，彈性模量E沿埋深z線性增加[5]，按（1.125+4.5×z）MPa取值，泊松比取0.3；黏土黏聚力cu?。?+3×z）kPa，摩擦角采用0°，彈性模量E按（2.25+ 1.35×z）MPa取值，泊松比取0.495。

1.1.1砂土中局部開挖荷載傳遞機理

以下主要以大面積開挖5m后進行局部超挖的工況進行荷載傳遞機理的分析。

大面積開挖5 m，局部開挖各步1~20號支護樁樁頂水平向位移如圖2所示?？梢娋植块_挖造成了局部開挖范圍內(nèi)樁頂位移增長較大，而局部開挖范圍外樁頂位移增長相對較小。由此可見，在此情況下局部開挖對周圍環(huán)境造成的影響主要集中在局部開挖范圍內(nèi)。

圖2　局部開挖樁頂位移Fig.2 Displacement of pile tops in partial excavation

1~20號支護樁最大彎矩值如圖3，局部開挖范圍內(nèi)支護樁彎矩呈增長趨勢，而鄰近局部開挖位置的支護樁彎矩也呈增長趨勢，局部開挖范圍外支護樁樁身彎矩隨與局部開挖位置距離增大而減小。最大彎矩作用點深度如圖4所示，可見隨著局部開挖深度不斷增長，局部開挖范圍內(nèi)和鄰近位置的支護樁樁身彎矩最大值位置也從埋深7 m處不斷下移至9.5m左右。

如果按事故中常見的情況，不對坑中坑的開挖進行設(shè)計計算，僅對大面積開挖至5 m時情況進行設(shè)計計算，即將本數(shù)值模型大面積開挖至5m，將得到的支護樁最大彎矩111.4 kN·m稱為初始彎矩參考標準值，而局部開挖2.5 m后樁身最大彎矩值已達276.2 kN·m，是初始彎矩參考標準值的2.48倍。

圖3　砂土中局部開挖樁身彎矩Fig.3 The moment of pile when partial excavate in sandy soil

圖4　砂土中局部開挖樁身最大彎矩位置Fig.4 The maximummoment position of pile when partial excavate in sandy soil

1.1.2黏土中局部開挖荷載傳遞機理

黏土中各支護樁最大彎矩值分布如圖5所示，可見局部開挖時，最大彎矩值同樣出現(xiàn)在緊鄰局部超挖位置第1根樁處，局部開挖2.5 m后樁身最大彎矩值已達298.1 kN·m，是大面積開挖5 m最大彎矩值126.9 kN·m的2.35倍，最大彎矩分布與砂土工況類似，為便于分析，下文中僅采用砂土的參數(shù)進行數(shù)值模擬。

圖5　黏土中局部開挖樁身彎矩Fig.5 The moment of pile when partial excavate in clay soil

1.2不同正常開挖深度下局部開挖的荷載傳遞

為研究不同大面積開挖深度下進行局部開挖的影響，分別模擬了砂土中正常開挖6m、7m后進行8根樁范圍內(nèi)局部開挖2.5m的工況。

大面積開挖6 m后進行局部開挖，支護樁樁身最大彎矩值350.0 kN·m，增大1.81倍，未超過大面積開挖6 m的參考極限值362.8 kN·m；大面積開挖7 m后進行局部開挖，支護樁樁身最大彎矩值410.7 kN·m，增大1.45倍，未超過大面積開挖7m的參考極限值532.9 kN·m（圖6、圖7）。說明大面積開挖的深度越大，由于局部開挖造成彎矩增長的倍數(shù)就越小；而如果大面積開挖完成后，基坑的安全冗余度并不夠大，大面積開挖深度越淺進行局部開挖反而越有可能造成基坑破壞。

圖6　大面積開挖6m后局部開挖最大彎矩Fig.6 The maximummoment in partial excavation after large area excavation of 6 m

圖7　大面積開挖7m后局部開挖最大彎矩Fig.7 The maximummoment in partial excavation after large area excavation of 7 m

雖然大面積開挖6 m、7m后進行局部開挖，開挖范圍內(nèi)支護樁樁身彎矩并未達到相應(yīng)的參考極限值，但隨著大面積開挖深度的增加，局部開挖范圍外的支護樁最大彎矩增長倍數(shù)逐漸接近局部開挖范圍內(nèi)樁身最大彎矩增長倍數(shù)，如圖3、圖5及圖7所示，說明大面積開挖深度越深，荷載傳遞更加明顯。

綜上，隨著大面積開挖深度的增加，局部開挖范圍內(nèi)的支護樁最大彎矩增長逐漸變緩，而局部開挖范圍外的支護樁最大彎矩卻不斷增長。

1.3基坑局部開挖范圍的影響

為研究不同局部開挖范圍對支護樁身荷載分布的影響，分別模擬了砂土中大面積開挖5m后在1、2、3、4、6、7、8、12、15、20根樁范圍內(nèi)局部開挖2.5 m深的土體。由圖8可見開挖范圍增長到4根樁前，最大彎矩值隨局部開挖范圍的增長近于線性增長。局部開挖范圍增長到4根樁時，樁身最大彎矩值已達219.2 kN·m，超過大面積開挖5 m深時的參考極限值；開挖范圍達到12根樁時，支護樁最大彎矩即達295.8 kN·m，接近局部開挖20根樁范圍的最大彎矩值310.0 kN·m。

習近平總書記高度重視文藝人才隊伍建設(shè)，他在文藝工作座談會上指出：“繁榮文藝創(chuàng)作、推動文藝創(chuàng)新，必須有大批德藝雙馨的文藝名家。要把文藝隊伍建設(shè)擺在更加突出的重要位置，努力造就一批有影響的各領(lǐng)域文藝領(lǐng)軍人物，建設(shè)一支宏大的文藝人才隊伍?！彼谥袊穆?lián)十大、中國作協(xié)九大開幕式上又指出：“我國文藝事業(yè)要實現(xiàn)繁榮發(fā)展，就必須培養(yǎng)人才、發(fā)現(xiàn)人才、珍惜人才、凝聚人才?！笨倳浀闹匾v話深刻闡述了文藝人才隊伍建設(shè)在繁榮發(fā)展文藝事業(yè)中的重要作用，對加強文藝人才隊伍建設(shè)提出了明確要求，為我們加強新時期文藝人才隊伍建設(shè)指明了前進方向，提供了根本原則方針。

圖8　大面積開挖5m后最大彎矩值隨開挖范圍變化Fig.8 The maximummoment of pile increase with the range of partial excavation after large area excavation of 5 m

支護樁樁頂最大位移值隨局部開挖范圍增長如圖9所示，由圖可知樁頂位移值隨局部開挖范圍增長而增長。

圖9　最大位移值隨開挖范圍變化Fig.9 The maximumdisplacement of pile increase with the range of partial excavation

為研究不同局部開挖深度對支護樁身荷載分布的影響，又分別模擬了大面積開挖6 m、7m后在1、2、3、4、6、7、8、12、15、20根樁范圍內(nèi)局部開挖2.5m深的土體。

如圖10，大面積開挖6 m后，在12根樁范圍內(nèi)局部超挖2.5 m深的深坑，支護樁樁身彎矩達381.4 kN·m，超過大面積開挖6 m時的參考極限值362.9 kN·m；在局部開挖范圍增長到20根樁后，支護樁最大彎矩值達到402.8 kN·m，是大面積開挖6m參考設(shè)計值的2.08倍，此時的彎矩也已達到非常危險的水平。對比大面積開挖5 m的工況可見，大面積開挖深度越淺，支護樁彎矩隨開挖范圍增長到相應(yīng)的參考極限值越快。

圖10　最大彎矩值隨開挖范圍變化Fig.10 The maximummoment with the excavation range

大面積開挖7 m后，在20根樁范圍內(nèi)局部超挖2.5m深的局部深坑，支護樁樁身彎矩達479.2 kN·m，達到參考設(shè)計值的1.68倍，并未超過大面積開挖7 m的參考極限值532.9 kN·m；在局部開挖范圍增長到12根樁后，支護樁最大彎矩值即達到447.4 kN·m，達到參考設(shè)計值的1.57倍，此時的彎矩也已達到非常危險的水平。

由此可見局部開挖支護樁內(nèi)力和樁頂位移與局部開挖范圍的大小有著緊密的聯(lián)系，施工中進行基坑開挖時，應(yīng)考慮基坑開挖過程中的空間效應(yīng)，盡量減少大范圍的基坑開挖。

2　結(jié)語

1）基坑局部開挖會使得一定范圍內(nèi)支護樁水平位移增大，局部開挖范圍內(nèi)的支護樁位移增長大于周邊的支護樁。

2）局部開挖過程中，局部開挖范圍內(nèi)樁身彎矩值不斷增長，但彎矩值小于大面積開挖到相同深度時樁身最大彎矩值，局部開挖鄰近一定范圍內(nèi)的支護樁內(nèi)力也會增長。

3）支護樁最大彎矩值會隨著基坑局部開挖范圍增長而增長，也會隨著基坑局部開挖的深度增長而增長。

4）上述研究表明基坑局部深挖對臨近土壓力和支護樁內(nèi)力有重要影響。因此在針對靠近基坑邊緣的坑中坑進行設(shè)計時，不但需要針對坑中坑所在的基坑剖面進行二維設(shè)計，提高此剖面內(nèi)支護結(jié)構(gòu)的強度、剛度或插入深度，同時需要對基坑進行三維分析設(shè)計，增強臨近局部超挖一定范圍內(nèi)的支護結(jié)構(gòu)。

[1]付文光，楊志銀，劉俊巖，等.復合土釘墻的若干理論問題、兼論《復合土釘墻基坑支護技術(shù)規(guī)范》[J].巖石力學與工程學報，2012，31（11）：2 291-2 304. FUWen-guang,YANG Zhi-yin,LIU Jun-yan,etal.Some theoretical questions of composite soil nailing wall and discussion on technical code for composite soil nailingwall in retaining and protection of excavation[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(11):2 291-2 304.

[2]孫海忠.關(guān)于上海某基坑坍塌事故的分析研究[J].地下空間與工程學報.2012（S2）：1 743-1 746. SUN Hai-zhong.Research on one pit collapse in Shanghai[J]. Chinese Journal ofUnderground Space and Engineering,2012(S2): 1 743-1 746.

[3]張生雨.某深基坑坍塌事故原因分析[J].建筑工人，2014（4）：20-21. ZHANG Sheng-yu.Accident analysis for the collapse in deep building foundation excavation[J].Builders′Monthly,2014(4):20-21.

[4]龔曉南.關(guān)于基坑工程的幾點思考[J].土木工程學報，2005，38 （9）：99-102. GONG Xiao-nan.Considerations on foundation pit engineering[J]. China Civil Engineering Journal,2005,38(9):99-102.

[5]吳銘炳，林大豐，戴一鳴，等.坑中坑基坑支護設(shè)計與監(jiān)測[J].巖土工程學報，2006，28（S1）：1 570-1 572. WU Ming-bing,LIN Da-feng,DAIYi-ming,et al.Design and monitoring of retainingof pits in foundation-pit[J].Chinese Journal ofGeotechnical Engineering,2006,28(S1):1 570-1 572.

Influence mechanism of foundation pit partial over-excavationon surrounding supporting structure

HUANG Tian-ming, CHENG Xue-song, ZHENG Gang, NIE Dong-qing, LIU Jie, DENG Chu-han
（MOE Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety, Department of Civil Engineering of Tianjin University, Tianjin 300072, China）

Although there aremany extensive collapse cases of foundation pit thatcaused by partial excavation,deep study on the influence of partial over-excavation on supporting structure is less.We used the finite differencemethod to analyze the partial excavation in foundation pit in different condition.The results show that partial excavation can lead to significant increments of the internal forces of the piles in the excavation range,and can lead to increment of the internal forces of the adjacent piles.The result can offer some reference for the foundation pit partial over-excavation problems,which include the pits in foundation-pitdesign and partition excavation,etc.

foundation pit;partial over-excavation;foundation pit collapse;finite differencemethod

U655；TU463

A

2095-7874（2016）04-0001-05

10.7640/zggw js201604001

2015-10-16

2016-03-30

國家自然科學基金（51508382）；國家科技支撐計劃課題（2012BAJ01B02-03）；中國博士后科學基金資助項目（2014M561186）

黃天明（1991—），男，安徽巢湖人，碩士，主要從事基坑工程等領(lǐng)域的科研工作。E-mail：htm3@sina.com