坑中坑式內(nèi)撐支護基坑內(nèi)坑對外坑土壓力影響

陳秋旺

(福建西海岸建筑設(shè)計院 福建福州 350011)

0 引言

城市化推進過程中，地下空間擴容工程發(fā)展迅猛，城市建設(shè)越來越密集化，基坑數(shù)量亦隨之增長。同時，建筑工程在多功能需求影響下，需要容納電梯井、集水井或不同深度的裙樓基礎(chǔ)，導(dǎo)致原有的基坑需要進行二級開挖，形成了“坑中坑”式基坑[1-2]。

針對坑中坑式基坑工程，若內(nèi)坑開挖尺寸相對較大或外坑平臺寬度相對較小時，基坑容易因圍護結(jié)構(gòu)變形過大而導(dǎo)致失穩(wěn)，其整體穩(wěn)定性將受到極大的挑戰(zhàn)，因此，坑中坑開挖影響不容忽視。目前，關(guān)于坑中坑式基坑工程研究仍較少報道，相關(guān)設(shè)計與施工更多依賴巖土工程師們的經(jīng)驗判斷，往往采取相對保守的設(shè)計方法，容易引起工程造價的提高。根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計方法，考慮坑中坑式基坑設(shè)計的兩種極端情況：①偏安全設(shè)計，考慮單基坑開挖，即不區(qū)分內(nèi)外坑，以內(nèi)坑開挖深度為坑中坑式基坑整體開挖深度，提高支護體系剛度。②低估坑中坑開挖影響，即忽略坑中坑存在，基坑易因整體穩(wěn)定性不足而破壞，安全性難以保障。

基坑圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形，在宏觀上是由于土壓力作用而引起，也是圍護結(jié)構(gòu)承受的主要水平荷載，因此，計算坑中坑式基坑圍護結(jié)構(gòu)土壓力大小與分布模式，有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。研究表明，坑中坑土壓力的大小與分布模式與內(nèi)坑相對位置與尺寸息息相關(guān)，而經(jīng)典土壓力理論無法考慮內(nèi)坑的影響，既有規(guī)范也無相關(guān)計算方法可供參考，因此，考慮二級基坑開挖影響的土壓力大小與分布形式相關(guān)研究亟待開展。

申明亮等[3-4]考慮土壓力疊加，結(jié)合庫倫土壓力理論，提出了可以考慮坑中坑開挖影響的外坑被動土壓力解析方程。林興利等[5]認為，內(nèi)外坑坑間土存在土拱效應(yīng)，基坑破壞區(qū)域由剛塑性滑裂體組成，基于平行墻土拱理論，得到了考慮土拱效應(yīng)的外坑被動土壓力計算方法。謝靈翔[6]認為，經(jīng)典的土壓力理論的建立基礎(chǔ)是半無限土體假設(shè)，不符合坑中坑式基坑土壓力計算，將極限平衡理論與平面滑裂面假設(shè)結(jié)合，考慮不同滑裂面與土體強度參數(shù)，推導(dǎo)了4種被動土壓力計算方法。胡輝等[7]針對無黏性地基土開挖坑中坑，且外坑平臺寬度較小，內(nèi)坑支撐剛度較大，基于土拱理論，通過建立水平微分方程得到了外坑圍護結(jié)構(gòu)被動土壓力計算方程。

本研究認為，數(shù)值模擬可以較為準(zhǔn)確地反映基坑圍護結(jié)構(gòu)與周邊土體相互作用性狀。以坑中坑式內(nèi)撐支護基坑為研究對象，擬采用二維有限元軟件Optum G2，選擇可以考慮土體硬化過程的HMC本構(gòu)模型模擬地基土，分析坑中坑開挖對外坑被動土壓力大小及分布模式的影響，進一步揭示坑中坑式基坑圍護結(jié)構(gòu)土壓力分布規(guī)律。

1 工程概況

某大型公共建筑物為典型的坑中坑式內(nèi)撐支護基坑工程，相應(yīng)的平面示意圖如圖1所示。內(nèi)外坑圍護結(jié)構(gòu)均采用沉管灌注樁。取基坑橫向斷面為研究對象，外坑寬度 為60m；深度 為6m，對應(yīng)圍護結(jié)構(gòu)插入深度 為6.5m，即埋深為12.5m，離地表-2m處對外坑設(shè)置水平支撐一道；內(nèi)外坑平臺寬度 為18m，內(nèi)坑寬度為27.7m，深度 為5.5m，對應(yīng)圍護結(jié)構(gòu)插入深度 為5m，離地表-7m處對內(nèi)坑設(shè)置水平支撐一道。

圖1 某大型公共建筑物工程A區(qū)平面示意圖

2 數(shù)值模擬

Optum G2是一款結(jié)合極限分析與有限元的二維平面數(shù)值軟件，具備網(wǎng)格自適應(yīng)功能，能夠細化覆蓋在剪切帶附近的網(wǎng)格，有效避免局部土體破壞，在網(wǎng)格數(shù)量較少的情況下，亦能較為精確地搜索得到明顯的剪切滑移帶，大幅度提高計算精度，并節(jié)約計算時間。

數(shù)值模型采用標(biāo)準(zhǔn)邊界條件，即假設(shè)模型兩側(cè)無水平位移，底部固定約束，頂部則為自由邊界，如圖3所示。土體本構(gòu)選用可以反映基坑開挖卸荷特性的硬化摩爾庫倫模型(Hardening Mohr Coulomb，簡稱HMC模型)。因基坑開挖前已完成降水疏干，且施工周期長，故選擇有效應(yīng)力指標(biāo)，土體設(shè)置為排水狀態(tài)。墻-土界面相互作用性狀可利用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則進行描述，其強度參數(shù)τi可表示為式(1):

τi=τf×Rinter

(1)

其中，τf為排水條件下圍護墻周邊土體抗剪強度，Rinter為界面強度折減因子。

采用分步開挖進行模擬坑中坑式內(nèi)撐支護基坑施工過程，具體如下：

①初始地應(yīng)力計算(K0法)；②同時激活內(nèi)、外坑圍護結(jié)構(gòu)；③外坑開挖至地表下-2.5m(GL -2.5m，第一層)；④離地表-2m處對外坑設(shè)置一道水平支撐；⑤外坑開挖至GL -6m，對應(yīng)外坑坑底；⑥開挖內(nèi)坑至GL -7.5m(內(nèi)坑第一層)；⑦離地表-7m處對內(nèi)坑設(shè)置一道水平支撐；⑧內(nèi)坑開挖至GL -11.5m，對應(yīng)內(nèi)坑坑底。

3 算參數(shù)選取

基于地質(zhì)勘察報告，將各土層進行等厚處理，對相近土層進行歸并簡化，總結(jié)各土層厚度分布以及物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層厚度及物理力學(xué)參數(shù)

沉孔灌注樁樁徑為0.6m，間隔1m，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。為便于數(shù)值建模與分析，采用等效剛度法將沉管灌注樁轉(zhuǎn)換為地下連續(xù)墻，可得到基坑圍護結(jié)構(gòu)及水平支撐力學(xué)參數(shù)如表2所示，計算公式[8]如式(2)：

(2)

其中，b為相鄰樁中心距，h等效連續(xù)墻厚度，d為灌注樁樁徑。

結(jié)合幾何模型(圖3)與計算參數(shù)(表1～表2)建立了相應(yīng)的數(shù)值模型，如圖4所示。

圖2 圍護樁結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 坑中坑式內(nèi)撐支護基坑幾何模型

圖4 數(shù)值計算模型

參數(shù)類別符號地下連續(xù)墻水平支撐單位軸向剛度EA1.2×1073.2×106kN/m抗彎剛度EI1.8×105-kN·m2/m間距s-5m等效厚度d0.36-m屈服力np48001200kN/m屈服彎矩mp800-kN·m/m重量w150-kg/m/m

4 結(jié)果分析

4.1 坑距比

定義內(nèi)外坑坑壁距離與基坑開挖寬度比值為坑距比 。圖5給出了不同坑距比對坑中坑式基坑內(nèi)外坑主動土壓力分布模式的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，外坑圍護結(jié)構(gòu)主動土壓力沿其深度大致呈非線性增大，且形如“鋸齒狀”。此外，坑距比對土壓力分布模式影響并不明顯，這與文獻[3]結(jié)論一致。

圖5 坑距比對外坑主動土壓力分布模式的影響

圖6描述了α對外坑最大主動土壓力Eα,max的影響?？梢缘玫?，Eα,max隨著的增加逐漸增大至趨于穩(wěn)定，當(dāng)α?xí)r，Eα，max約為130kPa，此后繼續(xù)增大α，Eα,max值變化不明顯，說明此時內(nèi)坑存在對外坑圍護結(jié)構(gòu)作用主動土壓力的影響保持不變。

圖6 坑距比對外坑最大主動土壓力值的影響

圖7說明了不同坑距比α對外坑圍護結(jié)構(gòu)被動土壓力Ep分布模式的影響。從中可以發(fā)現(xiàn)，外墻被動土壓力在淤泥層隨墻體深度近似呈非線性增加，當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)進入下一土層(④粉砂夾淤泥層)，Ep值反而為不規(guī)律減少分布，Ep分布模式總體亦呈“鋸齒狀”變化。另外，觀察圖6可以發(fā)現(xiàn)歸一化深度0.7，對應(yīng)埋深0.56(H+L)，為外坑圍護結(jié)構(gòu)的臨界深度，當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)埋深大于臨界值時，被動土壓力隨坑距比的增加而減少，低于臨界值則相反。對于本工況，圍護結(jié)構(gòu)0.56(H+L)處距地表-7m處，該深度處內(nèi)坑設(shè)有水平支撐一道，這說明內(nèi)坑設(shè)置水平支撐將改變外坑被動土壓力的分布模式，且坑距比越小，水平支撐支擋效果越明顯，水平支撐軸力越大，分擔(dān)荷載越多，因此支撐下部土壓力總和將隨之減少。

圖7 坑距比對外坑被動土壓力分布模式的影響

圖8 坑距比對外坑最大被動土壓力值的影響

圖8給出了坑距比變化對外坑圍護結(jié)構(gòu)最大被動土壓力Ep,max值的影響。類似于主動土壓力最大值，Ep,max隨著α的增大逐漸增加，后趨于穩(wěn)定。當(dāng)α=0.2時，Ep,max=160kPa，進一步增加α，Ep,max幾乎保持不變，說明α≤0.2時，改變坑距比對基坑有較明顯的影響。

4.2 內(nèi)外坑深度比

內(nèi)外坑深度比對外坑主動土壓力的影響圖9 內(nèi)外坑深度比對外坑主動土壓力分布模式的影響

圖10 內(nèi)外坑深度比對外坑最大主動土壓力的影響

圖11 內(nèi)外坑深度比對外坑被動土壓力分布模式的影響

圖12 外坑深度比對外坑最大被動土壓力值的影響

5 結(jié)論

依托某大型公共建筑物，通過有限元數(shù)值軟件Optum G2，基于平面應(yīng)變條件，建立了可以考慮坑中坑影響的內(nèi)撐支護基坑模型，重點分析了坑距比與內(nèi)外坑深度比對外坑主動土壓力和被動土壓力分布規(guī)律的影響，得到以下結(jié)論：

(1)針對坑中坑式內(nèi)撐基坑，外坑主動、被動土壓力均沿圍護結(jié)構(gòu)深度增加呈不規(guī)律的“鋸齒狀”增加，水平支撐的設(shè)置可減少圍護結(jié)構(gòu)主動土壓力，有利于控制基坑變形及增強基坑的穩(wěn)定性。

(2)內(nèi)坑位置(坑距比)及開挖深度(內(nèi)外坑深度比)對外坑主動土壓力和被動土壓力分布模式，總體影響不明顯。

(3)坑距比及深度比，對外坑主動土壓力影響不明顯；對被動土壓力有較明顯的影響，且存在臨界深度(與水平支撐的設(shè)置有關(guān))。當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)埋深高于臨界深度時，坑距比、深度比越大，越小或低于臨界深度時則相反。