坑中坑基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的臨界影響范圍研究

鐘　琳

(福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院　福建福州　350108)

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坑中坑基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的臨界影響范圍研究

鐘琳

(福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院福建福州350108)

以福建省大劇院A區(qū)坑中坑基坑為工程背景，分析了內(nèi)、外坑開挖的相互影響，并通過巖土工程數(shù)值分析對比研究了不同內(nèi)外坑間距W、不同開挖深度H時圍護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了α(α=W/H)與內(nèi)外坑相互影響程度的關(guān)系，同時利用實際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)進行驗證，得出了坑中坑基坑內(nèi)、外坑開挖相互影響的臨界間距約為5倍的外坑或內(nèi)坑開挖深度。

坑中坑;圍護結(jié)構(gòu);臨界間距

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0　引言

坑中坑基坑由于內(nèi)、外坑的相互影響牽制，給圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計、支撐體系設(shè)置、以及基坑的穩(wěn)定控制增加了難度，若考慮不周可能會釀成安全事故。近年來隨著城市地下空間的發(fā)展，大型商場、地下綜合體、交通樞紐等不同類型的基坑工程因為建筑(構(gòu))物型式或一體化施工等因素，出現(xiàn)了較多坑中坑基坑工程，而且呈現(xiàn)數(shù)量增多、規(guī)模加大的趨勢，但現(xiàn)行的規(guī)范[1]中并沒有針對坑中坑基坑設(shè)計的相關(guān)規(guī)定說明，且目前針對該類型基坑的成熟研究也相對較少。龔曉南[2]建議坑中坑基坑應(yīng)該考慮內(nèi)坑對外坑圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和變形的影響；徐意智[3]在考慮各種不同情況下的內(nèi)坑與外坑相對位置、內(nèi)坑開挖寬度和深度的基礎(chǔ)上，提出了等效深度的概念和等效深度系數(shù)、等效影響角的參數(shù)；申明亮[4]探討了內(nèi)坑的影響機理并研究了考慮內(nèi)坑影響的坑中坑基坑被動土壓力疊加算法等。

坑中坑基坑與常規(guī)基坑的不同在于：

⑴內(nèi)坑開挖形成的側(cè)向卸載使得內(nèi)、外坑之間的土體由外坑開挖時的被動區(qū)變成內(nèi)坑開挖時的主動區(qū)，即作用在外坑圍護結(jié)構(gòu)上的被動土壓力較之前會減小，減小的幅度甚至可能高達75%[4]。

⑵外坑的存在相當于加在內(nèi)坑上的荷載，且外坑圍護結(jié)構(gòu)向開挖側(cè)產(chǎn)生的變形可能會增加內(nèi)坑圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)壓力，即作用在內(nèi)坑圍護結(jié)構(gòu)上的主動土壓力較按常規(guī)基坑計算的土壓力會增大。雖然內(nèi)、外坑之間的不利影響是顯而易見的，但這種影響卻難以簡單量化，它和土層性質(zhì)、內(nèi)外坑之間的距離、開挖深度、支撐設(shè)置類型、圍護結(jié)構(gòu)的參數(shù)等多種因素有關(guān)，而現(xiàn)有的工程軟件都很難準確地分析這些影響。

本文以福建大劇院A區(qū)坑中坑基坑為背景，通過數(shù)值模擬和實際監(jiān)測，研究了坑中坑基坑開挖時不利于基坑穩(wěn)定的臨界影響范圍。

1　工程概況

福建大劇院場地位于福州市中心，北面為五一廣場，南靠東西河，西臨廣達路。其A區(qū)大劇場位于場地中南部，設(shè)有一個坑中坑基坑，外坑(外圍基坑)開挖深度約6.0m，內(nèi)坑(主臺臺倉基坑)開挖深度約5.5m。工程總平面示意圖見圖1，工程地質(zhì)典型剖面圖見圖2，場地主要土層性狀見表1。A區(qū)基坑支護采用靜壓沉管灌注樁(部分沖孔灌注樁)排樁，內(nèi)支撐采用圓形支撐并通過連梁冠梁連接；圍護樁(C25)樁徑為600mm，樁中心距1.0m(由于北側(cè)內(nèi)外坑距離僅為12m，外坑北側(cè)圍護樁樁徑800mm，中心距1.2m)，樁長10.10m～10.50m(內(nèi)坑)、11.25m～14.85m(外坑)，外坑圍護樁258根，內(nèi)坑124根。外坑樁間采用水泥攪拌樁形成止水帷幕，攪拌樁樁長7.00m；且為消除層④的承壓水頭對坑底穩(wěn)定構(gòu)成的威脅，在內(nèi)坑設(shè)置4口管井，抽排該層中的承壓水，將承壓水水位降至略低于坑底標高。

圖1　工程總平面示意圖

圖2　工程地質(zhì)剖面圖(6號剖面線)

2　數(shù)值模擬

2.1基本算例

采用巖土工程專業(yè)軟件FLAC二維有限差分法進行分析。將坑中坑基坑簡化成對稱結(jié)構(gòu)，其剖面示意圖如圖3，土體計算參數(shù)參照表1選取，內(nèi)坑開挖寬度設(shè)為40m，開挖深度H1=H2=6.0m，樁長L1=14.5m，L2=12.0m，樁徑d1=d2=600mm@1 000，支撐距離樁頂0.50m，剛度取30MN/m，樁頂超載q=10kPa；排樁按照等效剛度法簡化成地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻與土體之間采用相對同步變形界面。

圖3　坑中坑基坑剖面示意圖

2.2參數(shù)分析

(1)內(nèi)外坑之間的間距W

分別令W=足夠大(將內(nèi)、外坑考慮為兩個獨立的常規(guī)基坑)、24.0m、18.0m、12.0m、6.0m。隨著W的減小，外坑支護結(jié)構(gòu)的最大位移和樁端位移增加明顯，內(nèi)坑支護樁樁頂位移和最大位移增加明顯。當W足夠大時，內(nèi)外坑之間已經(jīng)不會相互影響了，則其它算例與其相比的最大位移增幅可以反映內(nèi)、外坑之間的相互影響程度，增幅越大說明相互影響程度越大。圍護結(jié)構(gòu)的位移變化見表2，可見隨著W的減小，內(nèi)外坑之間的相互影響增大，即W越小，對基坑的穩(wěn)定越不利。

表2　W對位移的影響

(2)基坑開挖深度H

令W=12.0m，同時改變內(nèi)外坑的開挖深度H，設(shè)H=3.0m、4.0m、6.0m、10.0m四種情況。

分別將各個開挖深度內(nèi)、外坑支護樁的最大位移和其做為獨立常規(guī)基坑時的最大位移進行比較，最大位移的增幅可以反映內(nèi)、外坑的相互影響程度，增幅越大說明影響越大，圍護結(jié)構(gòu)位移變化見表3?？梢姰擧遞增時，內(nèi)、外坑的相互影響顯著增大，即H越大，對基坑的穩(wěn)定越不利。

表3　H對位移的影響

2.3參數(shù)α(α=W/H)

通過進一步分析，發(fā)現(xiàn)當W/H比值一定時，內(nèi)外坑的圍護結(jié)構(gòu)位移增幅呈現(xiàn)一定規(guī)律，將上述計算結(jié)果綜合在表4中，據(jù)此提出一個判斷內(nèi)外坑相互影響程度的參數(shù)α(α=W/H，判斷內(nèi)坑對外坑的影響時，H為內(nèi)坑的開挖深度；反之)。從表4中可以看出，隨著α值的遞減，位移增幅呈大幅度增加，更重要的是當α值一定時，位移增幅比較接近。

表4　不同模型參數(shù)的計算結(jié)果

將以上4組數(shù)據(jù)擬合成趨勢線，見圖4。擬合方程中，當位移增幅y=0時，可以認為內(nèi)、外坑之間的相互影響可以基本忽略，計算4個擬合方程可以得出α=4.2～4.7，即當內(nèi)外坑之間的距離W小于4.7倍開挖深度H時，就需要考慮它們之間的相互影響了。

圖4　y-α擬合線

3　工程驗證

3.1實際監(jiān)測

福建大劇院支護結(jié)構(gòu)排樁深層水平位移監(jiān)測(測斜)，采用直徑70mm測斜管埋設(shè)于圍護樁內(nèi)，在圍護樁鋼筋籠制作完成后，將測斜管綁扎于鋼筋籠上，與鋼筋籠同時下入樁孔內(nèi)，埋設(shè)長度與樁身鋼筋籠長度基本相同。A區(qū)基坑共布置了8個監(jiān)測點，分別位于內(nèi)、外坑的東、西、南、北各邊中點，監(jiān)測采用cx-01型測斜儀測試，可測讀至0.01mm，開挖前取得基數(shù)。

監(jiān)測歷時5個月，每個監(jiān)測點累計測斜47次。當內(nèi)坑開挖至1/4深度時，內(nèi)坑?xùn)|側(cè)因地下水位未能降至開挖標高以下導(dǎo)致出現(xiàn)突涌現(xiàn)象，采取措施后，地下水涌水得到控制，但此處圍護樁變形量有所增加；開挖至內(nèi)坑3/4深度時，遇到特大臺風暴雨襲擊，基坑南側(cè)東西河的水位暴漲，漫過地面進入基坑，內(nèi)坑積水，河水的暴漲大大增加了南側(cè)基坑圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)壓力，外坑南側(cè)位移大幅增加，東、西側(cè)位移也出現(xiàn)不同程度的增加，采取措施后，變形基本得到控制。

外坑?xùn)|側(cè)監(jiān)測點(CXG-2)的支護樁位移-深度曲線見圖5，圖中的序號為按時間順序編號的監(jiān)測次數(shù)，如①為第1次監(jiān)測，以此類推。其中第13次監(jiān)測(外坑開挖到底)圍護樁最大位移為20.53mm，第32次(內(nèi)坑開挖約3/4)圍護樁最大位移27.37mm，第33次(遭遇臺風后)圍護樁最大位移30.77mm，第42次(內(nèi)坑開挖到底)圍護樁最大位移31.91mm。

圖5　外坑?xùn)|側(cè)(CXG-2)支護樁位移-深度曲線

其余監(jiān)測點排樁樁身位移-深度曲線與CXG-2呈現(xiàn)類似的規(guī)律，曲線呈“弓”形，即圍護樁位移自下而上逐漸增大，到基坑底開挖面附近或以上水平位移達最大值，往圈梁頂又有所減??；且隨著基坑的開挖，最大位移逐漸增大，在遭遇臺風的幾天時間突增，開挖完成后變形基本穩(wěn)定。各排樁水平位移最大值見表5。

表5　圍護樁最大位移　mm

3.2臨界影響范圍

把坑中坑基坑分解成2個獨立的常規(guī)基坑進行計算，由于外坑北側(cè)的樁和其它地方的樁的參數(shù)有差異，分為3種情況：①外坑南、東、西側(cè)圍護結(jié)構(gòu)最大位移為21.28mm；②外坑北側(cè)圍護結(jié)構(gòu)最大位移為15.27mm；③內(nèi)坑圍護結(jié)構(gòu)最大位移為14.02mm。

將坑中坑基坑實際監(jiān)測得到的最大位移和做為常規(guī)基坑時理論計算得出的最大位移進行比較，得到不同α值對應(yīng)的位移增幅見表6；

表6　圍護樁位移增幅

因外坑南側(cè)和內(nèi)坑?xùn)|側(cè)位移異常增加，將二者排除后的數(shù)據(jù)擬合成趨勢線，得出當位移增幅為0時，α=4.3～5.7。由于基坑在開挖過程中遭遇暴雨，導(dǎo)致外坑的位移顯著增加，因此實際監(jiān)測得出的α較數(shù)值模擬計算偏大，但二者結(jié)果還是比較接近。

4　影響因素

本文主要討論了位于深厚軟土層中、有支撐的坑中坑基坑，在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)值軟件改變計算參數(shù)，可發(fā)現(xiàn)臨界影響范圍和以下參數(shù)的關(guān)系(因篇幅限制，具體分析過程見本作者已發(fā)表論文[5])：

⑴當場地的土層性質(zhì)越好，對基坑的穩(wěn)定越有利，內(nèi)外坑支護樁的位移均大幅減小，且內(nèi)外坑之間的不利影響大大降低，即臨界影響范圍隨土層性質(zhì)提高而減小。

⑵當坑中坑基坑其它參數(shù)一定時，內(nèi)外坑支護樁的設(shè)計參數(shù)(樁長、樁徑等)調(diào)整會引起自身位移的大幅變化，但對臨界影響范圍卻幾乎無影響。

⑶設(shè)置支撐對整個坑中坑基坑支護體系的穩(wěn)定起著重要的作用，它不僅可以減小支護樁的變形，還可以大大降低內(nèi)外坑之間的不利影響，即支撐的有無和臨界影響范圍有密切關(guān)系。

5　結(jié)論

(1)通過數(shù)值模擬和實際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得出，和本文類似的坑中坑基坑的臨界影響范圍(即內(nèi)外坑之間的距離W)約為5倍的開挖深度H。內(nèi)外坑開挖深度不同時，判斷內(nèi)坑對外坑的影響時，H為內(nèi)坑的開挖深度，反之。

(2)在深厚軟土場地中，如果內(nèi)外坑之間的距離小于臨界影響范圍，內(nèi)外坑之間會產(chǎn)生比較大的不利影響，且外坑較內(nèi)坑的開挖面大，暴露時間長，可能遭受施工中更多的不利因素，外坑的穩(wěn)定控制更難，因此在外坑開挖結(jié)束后，內(nèi)坑的施工應(yīng)盡快完成。

需要指出的是，本文是針對特定的工程背景研究后得出的結(jié)論，對不同的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、基坑形狀、支護型式等情況，坑中坑基坑的臨界影響范圍還需在以后的研究中進一步討論。

[1]JGJ120-2012 建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[2]龔曉南.關(guān)于基坑工程的幾點思考[J].土木工程學(xué)報,2005,38(9):99-102.

[3]徐意智,廖少明,周小華,等.上海軟土坑中坑型基坑圍護的等效深度計算法[J].巖土力學(xué),2012,33(9):2736-2742.

[4]申明亮,廖少明,邵偉.考慮內(nèi)坑影響的坑中坑基坑被動土壓力疊加算法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2012,46(1):79-83.

[5]鐘琳.多級基坑支護結(jié)構(gòu)變形的關(guān)鍵影響因素分析[J].福建建筑,2014,191(5):84-86.

鐘琳(1981-)，女，碩士，實驗師，主要從事巖土工程方面的教學(xué)和科研工作。

The critical distance of the deformation of retaining structures for pit-in-pit excavation

ZHONGLin

(Department of Civil Engineering,Fujian University of Technology, Fuzhou 350108)

Based on the pit-in-pit excavation of Fujian grand theatre,the interplay between outer pit and inner pit was analyzed.The deformation of retaining structure under the conditions of different distances between outer pit and inner pit,and different depth of eacavation were analyzed by using the special geotechnical software FLAC with numerical simulation，and a relationship between α (α = W / H) and the critical influence distance of outer pit and inner pit was found;Then,the actual monitoring data of the project was analyzed.The common conclusion.that the critical influence distance between outer pit and inner pit was five times of depth of outer pit or inner pit was obtained.

Pit-in-pit excavation; Retaining structure; Critical distance

福建省教育廳中青年教師教育科研項目(JB13145)；福建工程學(xué)院青年科研基金項目(GY-Z09080)

鐘琳(1981-)，女，實驗師。

2015-12-08

TU47

A

1004-6135(2016)01-0039-04