基坑圍護中局部深坑優(yōu)化設(shè)計分析

劉 侃 （上海申元巖土工程有限公司，上海 200011）

1 引言

基坑圍護工程中，鑒于地下結(jié)構(gòu)的功能需求，同一工程的基坑坑底深度不盡相同。一般情況下主要在地下室電梯井、集水井以及基礎(chǔ)承臺區(qū)域出現(xiàn)坑內(nèi)局部貼邊深坑的情況，貼邊落深一般從1m到3m多不等。常規(guī)設(shè)計經(jīng)驗中，貼邊深坑的計算模式與一般開挖區(qū)域相同，按最大開挖深度考慮，這在一定程度上偏于保守。就上海地區(qū)而言，尤其對于普遍挖深在4.0m～7.0m的三級基坑，基坑圍護結(jié)構(gòu)一般采用攪拌樁重力壩或SMW工法樁的形式，局部深坑處以最大開挖深度處理，圍護結(jié)構(gòu)較普遍區(qū)域增強明顯，增加總的工程量及造價。

對于局部貼邊深坑的研究可歸于“坑中坑”的研究范疇。但國內(nèi)外目前無論是對于典型坑中坑基坑，或局部貼邊深坑的研究均相對較少，文獻(xiàn)研究內(nèi)容深度、廣泛性一般，缺乏系統(tǒng)性并對基坑圍護工程直接有益的研究成果。龔曉南[1]關(guān)于深基坑工程的幾點討論中最早分析了坑中坑對圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。陳樂意等[2]通過數(shù)值模擬探討了開挖深度以及坑中坑位置對圍護結(jié)構(gòu)水平位移的影響。申明亮等[3]根據(jù)內(nèi)、外坑的相對位置關(guān)系進(jìn)行了應(yīng)力場分析及土壓力計算。徐意智等[4]探討了一種局部貼邊深坑的等效深度計算方法。

本文通過數(shù)值模擬研究局部貼邊深坑的影響規(guī)律，分析等效深度經(jīng)驗計算方法，并結(jié)合實際工程驗證分析，為上海地區(qū)基坑考慮局部貼邊深坑的情況提供設(shè)計建議。

2 局部深坑數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型及參數(shù)

本文主要研究普遍開挖深度4.0m～7.0m的基坑，首先基于常見的SMW工法樁圍護形式開展數(shù)值模擬分析，討論局部深坑不同深度和不同位置對基坑圍護結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

本次數(shù)值模擬分析基于常用大型巖土工程有限元軟件展開。模擬土層參考上海地區(qū)典型土層，參數(shù)取自工程勘察報告，如表1所示。

基本土體參數(shù) 表1

土體本構(gòu)模型選用軟土硬化模型（HS模型），HS模型共有6個主要模型參數(shù)，其具有一定的合理性和優(yōu)越性。各參數(shù)的選取參照王衛(wèi)東等[5]關(guān)于上海地區(qū)土體硬化模型的相關(guān)文獻(xiàn)。

數(shù)值模擬基本工況：

①基坑普遍開挖深度，6.0m，分別考慮局部落深坑1.0m、2.0m和3.0m的情況。則局部落深坑底的開挖深度分別為7.0m、8.0m、9.0m。

②局部落深位置，分別為距離圍護結(jié)構(gòu)邊0倍、0.5倍、1倍、2倍、3倍、5倍的局部深坑深度范圍。

③圍護結(jié)構(gòu)形式，工法樁采用H700×300×13×24型鋼，H型鋼長度以局部落深坑底的開挖深度7.0m、8.0m、9.0m確定，即1.0m局部深坑的情況，H型鋼長16.0m；2.0m局部深坑的情況，H型鋼長18.0m；3.0m局部深坑的情況，H型鋼長20.0m；

④挖土工況，首先挖深1.3m后，施工第一道支撐；后每挖土1m或2m為一個工況，最后一個工況為開挖局部深坑，共7個工況。

建模舉例如圖1所示，為2.0m局部深坑距離圍護結(jié)構(gòu)邊1.0倍深度的情況。

圖1 SMW工法樁圍護結(jié)構(gòu)基坑建模示意圖

2.2 計算結(jié)果分析

整理各工況的數(shù)值分析結(jié)果，得到圍護結(jié)構(gòu)水平位移的變形規(guī)律，即局部深坑離圍護結(jié)構(gòu)距離越遠(yuǎn)，對其影響越小，基坑圍護結(jié)構(gòu)變形越小。下面對計算結(jié)果作具體分析：

①圖2～圖4為SMW工法樁圍護結(jié)構(gòu)水平位移變化規(guī)律。由于水平支撐的存在，圍護樁的最大水平位移發(fā)生在中間位置坑底附近，這與實際工程是相似的。

②局部深坑深度有1.0m、2.0m或3.0m，局部落深對圍護結(jié)構(gòu)水平位移的影響，隨局部深坑距圍護結(jié)構(gòu)的距離增大逐漸減弱。數(shù)值計算的具體規(guī)律：

a.局部深坑距離圍護結(jié)構(gòu)在5倍深坑深度及以上時，深坑開挖對圍護結(jié)構(gòu)的變形影響很小，且圍護結(jié)構(gòu)的水平位移與無局部深坑時（6.0m挖深）的水平位移變形量接近一致。

b.局部深坑距離圍護結(jié)構(gòu)在3～5倍深坑深度時，深坑開挖對圍護結(jié)構(gòu)的變形影響尚不顯著；

本案例從變量分析入手引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行層層實驗探究，領(lǐng)悟?qū)嶒炘O(shè)計的過程和方法；以問題串方式引導(dǎo)學(xué)生層層深入分析思考，掌握實驗設(shè)計原則和方法，學(xué)會確定變量、控制變量，從而有效提高學(xué)生的生物實驗設(shè)計能力，培養(yǎng)其自主探究能力，提高生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

c.局部深坑距離圍護結(jié)構(gòu)在1～3倍深坑深度時，深坑開挖對圍護結(jié)構(gòu)的變形影響開始變得明顯，3倍距離情況時，圍護結(jié)構(gòu)變形稍有增大，局部深坑在距離圍護結(jié)構(gòu)3倍深度以內(nèi)以后，對圍護結(jié)構(gòu)水平變形的影響逐步明顯。到1倍距離情況時，局部深坑對圍護結(jié)構(gòu)水平位移的影響已經(jīng)很顯著。

d.局部深坑距離圍護結(jié)構(gòu)在0～1倍深坑深度時，圍護結(jié)構(gòu)變形最明顯，已接近于考慮7.0m、8.0m和9.0m完全挖深的情況。

圖2 部落深1.0m圍護結(jié)構(gòu)水平位移

圖3 局部落深2.0m圍護結(jié)構(gòu)水平位移

圖4 局部落深3.0m圍護結(jié)構(gòu)水平位移

e.實際工程中，板式結(jié)構(gòu)基坑圍護設(shè)計經(jīng)驗一般將5倍距離范圍內(nèi)的局部落深均予以考慮，并均以最大挖深考慮，從上述數(shù)值計算變形結(jié)果可以看出設(shè)計經(jīng)驗偏保守，尤其對于3～5倍距離較遠(yuǎn)的情況下，宜作優(yōu)化設(shè)計。

3 等效深度Heq計算分析

徐意智等[4]基于基本幾何參數(shù)定義，探討了一種等效深度計算方法，可將坑中坑基坑等效為常規(guī)基坑，以便于簡化設(shè)計：

式中：坑趾系數(shù)χ=w/H；內(nèi)外坑開挖寬度比α=b/B；內(nèi)外坑開挖深度比β=h/H。

基于上述算法，根據(jù)各等效深度系數(shù)λ值計算所得的各工況下等效深度Heq為：

等效深度Heq計算 表2

總體來說，對于局部落深貼邊的情況，圍護設(shè)計可仍按最不利情況處理。對于局部落深0.5～2倍距離的情況，計算等效深度Heq有一定程度的減小，設(shè)計中建議做適當(dāng)優(yōu)化處理。對于局部落深3～5倍距離的情況，計算等效深度Heq有較大幅度的減小，尤其5倍距離時，幾乎接近于普遍開挖深度6.0m，設(shè)計中建議根據(jù)計算等效深度Heq進(jìn)行優(yōu)化處理。

4 工程驗證分析

本文通過數(shù)值模擬分析了局部落深對圍護結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律，并給出了上海地區(qū)基坑圍護結(jié)構(gòu)采用SMW工法樁形式時等效深度Heq的計算方法。下面根據(jù)實際工程作驗證分析。

上海臨港奉賢園區(qū)服務(wù)中心項目圍護結(jié)構(gòu)部分區(qū)域采用了攪拌樁內(nèi)插H型鋼的形式。本工程基坑普遍挖深5.65m，局部集水井落深1.5m，大部分集水井落深坑距離圍護結(jié)構(gòu)約1.5m，為1倍開挖深度距離。常規(guī)設(shè)計經(jīng)驗，貼邊落深處考慮坑深7.15m，圍護結(jié)構(gòu)采用φ700@500雙軸水泥土攪拌樁（L=16.2m）內(nèi)插H700×300×13×24型鋼（L=17.0m）；采用前述等效深度Heq分析方法，計算的等效深度Heq=6.6m，圍護結(jié)構(gòu)H型鋼長度減小為L=15.0m，攪拌樁深度減小為L=14.2m。針對上述兩種工況，采用上海同濟啟明星軟件進(jìn)行設(shè)計計算，結(jié)果如表3所示。

工程實例對比分析 表3

從上述計算結(jié)果可以看出，常規(guī)設(shè)計中考慮完全挖深7.15m時，H型鋼長17.0m；而考慮等效深度計算Heq時，挖深等效為6.6m，H型鋼長15.0m。兩種情況下H型鋼插入比相當(dāng)，后者較前者H型鋼和攪拌樁長度均減少2.0m，但計算所得圍護結(jié)構(gòu)水平變形相當(dāng)，其他穩(wěn)定性參數(shù)也均滿足設(shè)計要求，計算說明本文考慮等效深度的計算方法具有一定的可行性，可作為優(yōu)化設(shè)計參考。

5 結(jié)論

本文基于上海地區(qū)典型土層中SMW工法樁圍護結(jié)構(gòu)形式開展數(shù)值模擬，分析了不同局部落深深度、不同深坑位置對于圍護結(jié)構(gòu)水平位移的影響，總體變形規(guī)律與工程設(shè)計經(jīng)驗相符合。進(jìn)一步分析了坑中坑參數(shù)定義，結(jié)合經(jīng)驗性的等效深度理論計算公式，計算了各工況下的等效深度Heq，驗證了經(jīng)驗公式的適用性?；趯嶋H工程案例，結(jié)合同濟啟明星計算和常規(guī)設(shè)計經(jīng)驗，對上述經(jīng)驗方法進(jìn)行了工程驗證分析。

基于本文數(shù)值分析以及等效深度Heq經(jīng)驗計算，設(shè)計中對于不同位置的局部深坑，貼邊深坑建議以最不利深度考慮，不作優(yōu)化；3倍以內(nèi)距離深坑基于等效深度可做適當(dāng)優(yōu)化，3～5倍距離深坑影響程度比較小，基于等效深度可合理優(yōu)化，減少圍護結(jié)構(gòu)工程量。