軟土地區(qū)坑中坑對(duì)基坑圍護(hù)體水平位移影響分析

李 磊

（上海地礦工程勘察有限公司，上海 200072）

0 引言

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的不斷發(fā)展，人們開始向高空和地下尋求發(fā)展空間，基坑工程的數(shù)量迅速增多，開挖環(huán)境也日趨復(fù)雜[1-6]。在建筑基坑工程中，除了由于存在基坑結(jié)構(gòu)、電梯井、集水井等個(gè)別小型坑中坑外，根據(jù)建筑特點(diǎn)需要而導(dǎo)致的同一地下室分為地下一層和地下二層兩個(gè)區(qū)域，基坑內(nèi)存在大型坑中坑的現(xiàn)象也不斷涌現(xiàn)。

以往分析的坑中坑多以深基坑內(nèi)存在小型坑的例子，偏重于研究基坑內(nèi)存在電梯井、集水井等小而淺內(nèi)坑的情況，關(guān)注點(diǎn)僅為外坑的圍護(hù)體變形且外坑圍護(hù)體多為排樁，對(duì)內(nèi)坑不做或做簡單圍護(hù)。在實(shí)際工作中，地下一層內(nèi)設(shè)置大面積地下二層的情況越來越多，外坑圍護(hù)形式多樣化，內(nèi)坑亦需謹(jǐn)慎采用排樁結(jié)合水平支撐圍護(hù)。本文結(jié)合上海地區(qū)實(shí)際工程案例，針對(duì)周邊為地下一層，中央為地下二層的情況進(jìn)行討論，并對(duì)不同圍護(hù)形式進(jìn)行了數(shù)值模擬研究分析。

1 計(jì)算方法及計(jì)算模型

1.1 計(jì)算方法

在基坑工程研究中，常采用原位試驗(yàn)、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬分析等三種方法。原位試驗(yàn)和模型試驗(yàn)成本較高、試驗(yàn)周期長、外界干擾因素較多且易受邊界效應(yīng)影響。在基坑圍護(hù)及開挖過程中，土的應(yīng)力路徑較為復(fù)雜，尚沒有好的計(jì)算方法對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)分析，現(xiàn)多利用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行相關(guān)研究分析。本次采用PLAXIS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，其優(yōu)點(diǎn)為能夠考慮到圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體，土體之間的應(yīng)力、應(yīng)變，缺點(diǎn)為采用了理想彈塑性模型有一定局限性。

采用彈塑性單元模擬樁土間接觸，采用庫倫準(zhǔn)則來模擬接觸面內(nèi)微小結(jié)構(gòu)與土體間產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí)的土體性狀。

當(dāng)接觸面處于彈性狀態(tài)時(shí)，剪切力

當(dāng)接觸面處于塑性狀態(tài)時(shí)，剪切力

式中：ci和φi分別為接觸面的黏聚力和摩擦力，它們與接觸面的粗糙程度及土層的強(qiáng)度有關(guān)，一般用界面強(qiáng)度折減因子Rinter進(jìn)行折減，Rinter=1時(shí)認(rèn)為接觸面是剛性的。Rinter一般取1/2～1/3，Rinter的推薦值見表1[1]。

表1 R inter的推薦值

本文采用小應(yīng)變硬化土模型（HSS），該模型在模擬剪切硬化、壓縮硬化、加卸載、小應(yīng)變等方面具有較大優(yōu)勢(shì)。

1.2 計(jì)算模型

為了說明大型坑中坑對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形的影響，以上海地區(qū)某基坑工程為例，通過plaxis有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析。該工程位于上海市奉賢區(qū)，地處長江三角洲入?？?，地貌類型屬濱海平原地貌，在自然地面以下60.0 m深度范圍內(nèi)各土層均為第四系沉積物，由黏性土、粉性土等組成。地勢(shì)平坦，存在暗浜，地下水位較淺，潛水變化峰值為0.5～1.5 m，水位埋深按高值0.5 m取值?；涌偯娣e約8394 m2，總延長約為598 m，分為地下一層和地下二層兩個(gè)區(qū)域（見圖1），其中地下二層面積約為4640 m2，延長458 m。地下一層普遍區(qū)域開挖深度5.2 m，地下二層普遍區(qū)域開挖深度9.05 m，兩坑高差3.85 m。地下一層區(qū)域，根據(jù)周邊環(huán)境分別采用兩級(jí)放坡、雙軸水泥土攪拌樁重力壩及鉆孔灌注樁結(jié)合鋼管斜拋撐等圍護(hù)形式進(jìn)行圍護(hù)；地下二層區(qū)域采用鉆孔灌注樁結(jié)合一道混凝土支撐進(jìn)行圍護(hù)。土性參數(shù)見表2。

圖1 基坑圍護(hù)平面圖

表2 土性參數(shù)

根據(jù)相關(guān)資料和經(jīng)驗(yàn)[2]，開挖的水平影響范圍約為3～5h（h為開挖深度）。為消除邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，本次模型寬度定為80 m，高度定為35 m，其中地下二層圍護(hù)體距邊界20 m，以便模擬土體空間半無限體的特性。在模型左右兩邊界施加水平向位移約束，底部施加x和y方向的位移約束。外坑圍護(hù)體外10 m范圍施加20 kPa荷載以模擬周邊施工荷載，HSS模型土性參數(shù)見表3。

本次考慮其中兩種圍護(hù)形式：

圍護(hù)形式一：地下一層（外坑）采用重力壩+地下二層（內(nèi)坑）采用灌注樁結(jié)合水平支撐（見圖2、圖4）

其中，重力壩采用φ700@500雙軸水泥土攪拌樁，水泥摻量13%，樁長12 m，壩寬4.7 m；灌注樁采用φ700@900鉆孔灌注樁，樁長11 m，止水帷幕采用雙排φ700@500雙軸水泥土攪拌樁，樁長11 m。

圍護(hù)形式二：地下一層（外坑）采用灌注樁結(jié)合鋼管斜拋撐+地下二層（內(nèi)坑）采用灌注樁結(jié)合水平支撐（見圖3、圖5）。

表3 HSS模型土性參數(shù)選取表

圖2 圍護(hù)形式一剖面圖

圖3 圍護(hù)形式二剖面圖

其中，外坑灌注樁采用φ650@850鉆孔灌注樁，樁長12 m；內(nèi)坑同圍護(hù)形式一（見圖4）。

單因素分析結(jié)果顯示治療前低ADCtot值組患者的生存期長于高ADCtot值組患者(P=0.067，圖2)。射波刀治療后聯(lián)合口服S-1患者生存期長于未口服S-1患者(P=0.018)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。后期轉(zhuǎn)移后接受其他治療(譬如介入及靜脈化療等)的患者生存期長于未接受其他治療手段的患者(P=0.23)，胰腺體尾癌患者的生存期長于胰頭癌患者(P=0.261)，但差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。裝有膽管支架與未裝膽管支架兩組患者的生存期差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.779)[7]。

開挖工況為：

a.施工內(nèi)、外坑圍護(hù)體；

b.開挖地下一層土（圍護(hù)形式二需周邊留土先施工斜拋撐）；

c.施工地下二層支撐；

d.開挖地下二層土。

2 計(jì)算結(jié)果

為了說明內(nèi)坑距離外坑圍護(hù)體距離對(duì)于基坑變形的影響，分別計(jì)算了內(nèi)外坑間距3～15 m情況下內(nèi)外圍護(hù)體的變形量，由于實(shí)際工程中主要考慮圍護(hù)體水平變形，故本次僅對(duì)圍護(hù)體水平變形量進(jìn)行分析。雖然平面應(yīng)變計(jì)算無法反映實(shí)際空間問題，但由于其計(jì)算結(jié)果較為保守，在規(guī)律上對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)有較高的參考價(jià)值。

圖4 圍護(hù)形式一剖面圖

圖5 圍護(hù)形式二剖面圖

2.1 內(nèi)坑位置對(duì)外坑圍護(hù)樁水平位移的影響

圍護(hù)形式一和圍護(hù)形式二下不同內(nèi)坑位置（3～15 m）對(duì)外坑圍護(hù)體最大水平位移的影響見圖6、圖7。圍護(hù)形式一中隨著內(nèi)坑距離的不斷增加，外坑重力壩最大水平位移由36.9 mm減小至26.1 mm；圍護(hù)形式二中隨著內(nèi)坑距離的不斷增加，外坑排樁最大水平位移由23.0 mm減少至15.5 mm。根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50497—2009）規(guī)定，二級(jí)基坑圍護(hù)體水平位移水泥土墻需小于0.6%～0.8%h、排樁需小于0.6%～0.7%h（h為基坑開挖深度），采用最不利開挖深度5.20 m進(jìn)行取值，外坑圍護(hù)體水平位移報(bào)警值為36.4 mm。本次模擬最大水平位移量為36.9 mm，基本滿足規(guī)范要求。

圖6 圍護(hù)形式一外坑圍護(hù)體最大水平位移

圖7 圍護(hù)形式二外坑圍護(hù)體最大水平位移

由圖6、圖7可知，隨著內(nèi)坑距離外坑圍護(hù)體越遠(yuǎn)，外坑圍護(hù)體最大水平位移值越小，位移量呈收斂狀態(tài)，基坑趨于安全。根據(jù)以往理論，其認(rèn)為坑中坑對(duì)圍護(hù)體的影響主要取決于內(nèi)坑與基坑邊的距離、土性參數(shù)、坑中坑的圍護(hù)形式，其提出的影響范圍公式為

H—坑中坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度，一般取值2.5h0；

h0—坑中坑的深度；

φ—土體內(nèi)摩擦角。

根據(jù)以往理論計(jì)算本次影響范圍為7 m，本次模擬結(jié)果顯示內(nèi)外坑圍護(hù)體距離大于8 m后，內(nèi)坑對(duì)外坑水平位移影響減小，與該理論接近。

2.2 內(nèi)坑位置對(duì)內(nèi)坑圍護(hù)樁水平位移的影響

圍護(hù)形式一和圍護(hù)形式二下不同內(nèi)坑位置（3～15 m）對(duì)內(nèi)坑圍護(hù)體最大水平位移的影響見圖8、圖9。圍護(hù)形式一中隨著內(nèi)坑距離的不斷增加，內(nèi)坑最大水平位移由36.0 mm減小至21.8 mm；圍護(hù)形式二中隨著內(nèi)坑距離的不斷增加，內(nèi)坑排樁最大水平位移由26.3 mm減少至17.2 mm。

圖8 圍護(hù)形式一內(nèi)坑圍護(hù)體最大水平位移

圖9 圍護(hù)形式一內(nèi)坑圍護(hù)體最大水平位移

由圖8、圖9可知，隨著內(nèi)坑距離外坑圍護(hù)體越遠(yuǎn)，內(nèi)坑圍護(hù)體最大水平位移值越小，位移量呈收斂狀態(tài)，基坑趨于安全。外坑圍護(hù)體形式對(duì)內(nèi)坑圍護(hù)體水平變形影響較大，外坑采用排樁圍護(hù)時(shí)內(nèi)坑變形量明顯小于外坑采用重力壩圍護(hù)的情況。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

針對(duì)本案例，分別提取圍護(hù)形式一及圍護(hù)形式二所對(duì)應(yīng)剖面外坑圍護(hù)體最大水平位移實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化見圖10。其中內(nèi)外坑圍護(hù)體距離均為30 m左右。

圖10 實(shí)測(cè)內(nèi)坑圍護(hù)體最大水平位移

對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，外坑采用排樁圍護(hù)時(shí)內(nèi)坑圍護(hù)體變形量要小于外坑采用重力壩的情況。但由于本次實(shí)際工程中內(nèi)外坑圍護(hù)體距離達(dá)30 m，外坑選型對(duì)內(nèi)坑圍護(hù)體水平位移的影響已不大。

4 結(jié)論和建議

（1）坑中坑距離外坑圍護(hù)體的遠(yuǎn)近影響外坑圍護(hù)體水平變形量。無論外坑采用何種圍護(hù)形式，內(nèi)外坑距離越小，外坑圍護(hù)體變形越大；距離越大，外坑變形越小。

（2）坑中坑對(duì)外坑的影響距離約為2倍內(nèi)坑開挖深度，當(dāng)距離大于該值外坑圍護(hù)體水平變形量受內(nèi)坑影響較小。在實(shí)際工程中若內(nèi)坑距離外坑大于2倍開挖深度，外坑圍護(hù)體設(shè)計(jì)可減少考慮內(nèi)坑的影響。

（3）外坑對(duì)內(nèi)坑圍護(hù)體水平變形有較大影響。兩者距離越大影響越小，反之影響越大。

（4）外坑采用不同圍護(hù)體對(duì)內(nèi)坑水平變形有一定影響。外坑圍護(hù)體剛度越大，同樣距離內(nèi)坑圍護(hù)體變形越小，基坑越安全。建議在基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)中若遇到此類大型坑中坑時(shí)外坑圍護(hù)體可采用排樁結(jié)合支撐的圍護(hù)形式以減小內(nèi)坑圍護(hù)體變形。若外坑因?yàn)楦鞣N條件影響無法采用排樁，建議采用重力壩內(nèi)插灌注樁或SMW工法樁等方式以提高外坑圍護(hù)體強(qiáng)度。