相鄰基坑相互影響的數(shù)值分析

張軍,李昌輝,羅朝榮

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410114)

近年來(lái),地鐵及各類地下商場(chǎng)、地下通道、地下停車(chē)場(chǎng)等同時(shí)建設(shè)的現(xiàn)象越來(lái)越多,由于城市地鐵和地下空間的開(kāi)發(fā)都處在商業(yè)中心地帶,建筑物密集,地鐵深基坑與鄰近建筑物近距離施工相互影響,可能影響既有建筑物的正常使用。

針對(duì)基坑開(kāi)挖引起的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)變化,Mana A.L.分析了圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移與基坑開(kāi)挖深度及坑底土體抗隆起安全系數(shù)的關(guān)系；劉建航等的研究表明深基坑開(kāi)挖未設(shè)置支撐的時(shí)間、基坑的空間尺寸等都會(huì)影響基坑的穩(wěn)定性；劉燕分析了鄰近基坑開(kāi)挖對(duì)老車(chē)站地連墻沉降的影響；李志高等分析發(fā)現(xiàn)既有基坑的存在會(huì)對(duì)新開(kāi)挖基坑位移場(chǎng)產(chǎn)生一定遮擋作用；高廣運(yùn)等指出地基加固體和地下結(jié)構(gòu)物對(duì)鄰近基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的位移傳遞具有阻斷作用；吳水根等指出開(kāi)挖對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土體的影響深度約為2倍開(kāi)挖深度,土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大位移隨著開(kāi)挖深度的增大而增大,最大位移點(diǎn)逐漸下移,位移曲線近似呈弓形；張啟斌等研究發(fā)現(xiàn)基坑開(kāi)挖卸荷后,基坑外側(cè)土體無(wú)論土的類別及歷史成因如何,其三軸試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均有所降低；劉錫儒等指出基坑分區(qū)開(kāi)挖能控制地鐵隧道的變形；張國(guó)慶等分析發(fā)現(xiàn)隨著深基坑開(kāi)挖深度的增大,周邊建筑的沉降增加,但開(kāi)挖到一定深度后變形不再增大；謝沃等認(rèn)為數(shù)值模型能較好地反映基坑變形特性。該文以兩鄰近基坑開(kāi)挖為研究對(duì)象,通過(guò)三維數(shù)值分析,探討施工先后順序及基坑間距等對(duì)相鄰基坑變形的影響。

1 工程概況

長(zhǎng)沙市南湖路地鐵車(chē)站基坑與某大型寫(xiě)字樓基坑最近距離為10 m。車(chē)站基坑全長(zhǎng)191.9 m,深度21.96～23.75 m,兩端頭井寬度為22.8 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬度為18.9 m。兩基坑的位置關(guān)系見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 兩基坑位置平面圖

圖2 兩基坑位置剖面圖(A′2－B′2截面,單位：mm)

根據(jù)勘察報(bào)告,地下水主要集中在卵石層中。各層土的主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

車(chē)站支護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻＋內(nèi)支撐,地下連續(xù)墻厚度為1 000 mm、深度為25 m,車(chē)站內(nèi)支撐采用鋼支撐和砼支撐。寫(xiě)字樓基坑采用環(huán)梁、立柱、內(nèi)支撐、圍檁的支護(hù)形式。

表1 土層的物理力學(xué)性質(zhì)

2 基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬

利用有限元軟件MIDAS GTS建立三維數(shù)值計(jì)算模型,根據(jù)實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程設(shè)置不同施工工況,本構(gòu)關(guān)系采用莫爾－庫(kù)倫模型。

2.1 有限元幾何模型的建立

建模時(shí),x、y、z軸方向取基坑深度的3倍,靠近開(kāi)挖區(qū)域內(nèi)的土體網(wǎng)格劃分較密,遠(yuǎn)離開(kāi)挖區(qū)域的土體網(wǎng)格劃分稀疏(見(jiàn)圖3)。土體采用實(shí)體單元,地下連續(xù)墻采用板單元,鋼支撐采用桁架單元,砼支撐采用梁?jiǎn)卧Ｓ?jì)算參數(shù)采用勘察報(bào)告中的數(shù)值。

圖3 基坑數(shù)值計(jì)算幾何模型

2.2 數(shù)值分析方法

設(shè)置2種工況分析兩基坑開(kāi)挖過(guò)程中的相互影響：1)車(chē)站基坑為既有基坑,只考慮寫(xiě)字樓基坑的開(kāi)挖；2)考慮兩基坑先后施工,車(chē)站基坑先于寫(xiě)字樓基坑開(kāi)挖,兩基坑間距分別為8、13、18、23 m。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 既有基坑對(duì)新建基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響

如圖4所示,寫(xiě)字樓基坑遠(yuǎn)側(cè)A1、A2、A3點(diǎn)的水平位移大于近側(cè)B1、B2、B3點(diǎn)的水平位移；寫(xiě)字樓基坑遠(yuǎn)側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生正的水平位移指向坑內(nèi),近側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生負(fù)的水平位移指向坑外；寫(xiě)字樓基坑兩側(cè)土壓力不一致。

圖4 車(chē)站基坑遠(yuǎn)側(cè)和近側(cè)各點(diǎn)的水平位移

2.3.2 既有基坑對(duì)新建基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移的影響

如圖5所示,寫(xiě)字樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)A2、B2、C2、D2點(diǎn)均有一定抬升,其中C2、D2、A2點(diǎn)的沉降量與抬升量相差不大,但B2點(diǎn)相對(duì)較大,車(chē)站基坑的存在對(duì)近側(cè)B2點(diǎn)影響較大。

圖5 寫(xiě)字樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的豎向位移

2.3.3 既有基坑對(duì)新建基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)后土體沉降的影響

如圖6所示,在前幾個(gè)工況中,寫(xiě)字樓基坑周?chē)耐馏w均有一定沉降,隨后出現(xiàn)回彈,靠近地鐵車(chē)站一側(cè)的B2B2′斷面沉降減小,最大沉降發(fā)生在兩基坑之間；A2A2′、D2D2′、C2C2′斷面沉降量相差不大。

圖6 寫(xiě)字樓基坑周?chē)馏w的沉降

2.3.4 新建基坑施工對(duì)既有基坑水平位移的影響

如圖7所示,地鐵車(chē)站基坑地連墻的水平位移上部較大,下部較小；基坑兩側(cè)遠(yuǎn)離寫(xiě)字樓處的水平位移隨深度變化不大,而靠近寫(xiě)字樓處的水平位移隨深度變化較大。

圖7 地鐵車(chē)站近側(cè)和遠(yuǎn)側(cè)各點(diǎn)的水平位移

2.3.5 新建基坑施工對(duì)既有基坑豎向位移的影響

如圖8所示,車(chē)站基坑各點(diǎn)的沉降量都不大。開(kāi)始幾個(gè)工況各點(diǎn)有一定沉降,其中a1、a2點(diǎn)沉降量較小,抬升現(xiàn)象明顯；其他位置的沉降量相對(duì)較大,且相差不大。寫(xiě)字樓基坑開(kāi)挖對(duì)車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)靠近寫(xiě)字樓一側(cè)的沉降影響很小。

圖8 車(chē)站基坑各點(diǎn)的沉降

2.3.6 間距對(duì)基坑位移、沉降的影響

車(chē)站基坑先于寫(xiě)字樓基坑開(kāi)挖時(shí),分析基坑間距分別為8、13、18、23 m(最近距離為5、10、15、20 m)時(shí)兩基坑的位移,結(jié)果見(jiàn)圖9～13。

圖9 不同基坑間距時(shí)車(chē)站基坑沿深度方向的水平位移

圖10 不同基坑間距時(shí)寫(xiě)字樓基坑的豎向位移

圖11 不同基坑間距時(shí)車(chē)站基坑的豎向位移

從圖9可看出：遠(yuǎn)離車(chē)站基坑A2點(diǎn)的水平位移基本不受基坑間距的影響,靠近車(chē)站基坑B2點(diǎn)的水平位移隨基坑間距的增大而增大。

從圖10可看出：不同基坑間距下寫(xiě)字樓基坑遠(yuǎn)側(cè)A1、A2、A3點(diǎn)的抬升量基本一致,基坑間距對(duì)寫(xiě)字樓遠(yuǎn)端的影響很?。欢鼈?cè)B1、B2、B3點(diǎn)的抬升量隨基坑間距的增大而減小。

圖12 不同基坑間距時(shí)車(chē)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)沿深度方向的水平位移

從圖11可看出：車(chē)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)a1、a2、b1、b2點(diǎn)的沉降量隨著基坑間距的增大而增大,對(duì)基坑間距的變化較敏感；車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)a3、a4、b3、b4點(diǎn)的沉降量基本不受基坑間距變化的影響。

圖13 不同基坑間距時(shí)地表沉降

從圖12可以看出：車(chē)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)a2、b2點(diǎn)的水平位移較接近,其值都隨著基坑間距的增大而減小。

從圖13可看出：最大沉降發(fā)生位置隨兩基坑間距的增大離寫(xiě)字樓基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)越遠(yuǎn),兩基坑間土體最大沉降量隨著基坑間距的增大而增大。

3 結(jié)論

(1)存在車(chē)站基坑的情況下,寫(xiě)字樓基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)近側(cè)和遠(yuǎn)側(cè)的土壓力、水平位移相差較大。

(2)兩相鄰基坑之間土體沉降小于其他土體斷面的沉降,且最大沉降量位于兩基坑之間。

(3)開(kāi)挖過(guò)程中,寫(xiě)字樓基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定回彈,但回彈值不大。

(4)寫(xiě)字樓基坑施工會(huì)對(duì)相鄰車(chē)站基坑造成一定影響,車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體處于下沉且呈指向?qū)懽謽腔幼兓内厔?shì)。

(5)隨著兩基坑距離的增大,車(chē)站基坑對(duì)土體沉降的阻礙作用越來(lái)越弱。