相鄰樁錨基坑開挖變形相互影響數(shù)值分析

郭力群，房敏安，徐芳超，黃晨亮

(1. 華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2. 沈陽中建東設(shè)巖土工程有限公司廈門分公司，福建 廈門 361012；3. 駐馬店市科源建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，河南 駐馬店 463000)

隨著城市地下空間向綜合化、規(guī)?；⒓s化、深層化和一體化的方向發(fā)展，基坑工程日益趨向復(fù)雜化，對工期的要求也越來越嚴(yán)格，導(dǎo)致相鄰基坑同步或相繼施工的情況頻繁出現(xiàn)[1-4].相鄰基坑的開挖卸載，使得基坑支護結(jié)構(gòu)的受力變形、地表沉降及對周邊管線的影響等與單獨基坑有較大不同.在實際工程中,相鄰基坑交叉施工又使得工程安全風(fēng)險顯著增加，曾發(fā)生多起大型基坑坍塌的事故[5-6].現(xiàn)有研究大多是針對單基坑施工[7-11]，對相鄰基坑施工引起變形性狀的研究并不多見，特別是針對樁錨支護形式的研究更是寥寥無幾.陳東杰[12]對上海典型軟土條件下兩基坑施工的變形特性作了研究，提出近距離相鄰基坑的變形影響為“近大遠小”；郭力群等[13]使用Z-Soil軟件對不同間距的相鄰基坑進行數(shù)值分析，提出當(dāng)間距小于等于4倍基坑開挖深度時，相鄰基坑與支護結(jié)構(gòu)的變形明顯相互影響；丁智等[14]對杭州排樁加內(nèi)支撐支護形式的相鄰基坑進行了實測分析，深層土體水平位移總體表現(xiàn)為中間大、兩端小的趨勢.

現(xiàn)有研究未能確定兩基坑明顯相互影響的距離及開挖的深度，并且設(shè)計未考慮優(yōu)化.為此,本文建立相鄰樁錨基坑二維平面模型，近距離研究相鄰樁錨支護形式的基坑支護結(jié)構(gòu)及坑間土體的變形趨勢.

圖1 基坑的平面布置圖(單位：mm)Fig.1 Plane layout diagram of foundation pits (unit： mm)

1 工程概況

圖2 基坑支護結(jié)構(gòu)剖面圖(單位：mm)Fig.2 Section diagram of supporting structure of foundation pit (unit： mm)

間隔30 m的A，B基坑位于廣東省深圳市某區(qū)，兩側(cè)基坑支護結(jié)構(gòu)間距為31 m.相鄰基坑間距小于4倍開挖深度，相互影響明顯[13].基坑的平面布置圖，如圖1所示.圖1中：C,D為中間測點.基坑支護結(jié)構(gòu)剖面圖，如圖2所示.圖2中：L為土釘長度，m；La為錨索錨固長度，m；Lf為錨索自由長度，m.

表1 HSS本構(gòu)模型計算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of HSS constitutive model

A基坑相鄰側(cè)開挖深度為18.5 m，基坑面積約為23 430 m2，設(shè)置3層地下室.A基坑支護結(jié)構(gòu)采用的樁錨支護方案如下：采用Φ1 000 mm樁長為19.8 m的灌注樁，上部設(shè)置3道水平間距為1.5 m、長度為6～9 m的土釘，下部打設(shè)5道水平間距為1.5 m、長度為15～27 m的錨索.B基坑相鄰側(cè)開挖深度為21.0 m，基坑面積約8 635 m2，設(shè)置3層地下室.B基坑支護結(jié)構(gòu)采用的樁錨支護方案如下:采用Φ1 000 mm樁長為23.5 m的灌注樁，上部設(shè)置4道水平間距為1.5 m、長度為9～12 m的土釘，下部打設(shè)5道水平間距為1.5 m、長度為16～19 m的錨索.

2 有限元模型的建立

2.1 整體計算模型

圖3 數(shù)值計算模型Fig.3 Numerical calculation model

由于相鄰基坑都是樁錨的支護形式，且A,B基坑的鄰近距離固定，為了簡化計算模型，取基坑的一半進行建模.模型的二維尺寸為130.0 m×80.0 m，A基坑開挖深度為18.5 m，B基坑開挖深度為21.0 m.基坑整體的數(shù)值計算模型,如圖3所示.

2.2 計算參數(shù)及工況設(shè)置

建模選用軟件內(nèi)置的HSS模型作為本構(gòu)模型,HSS模型在描述土體剪切硬化、壓縮硬化、加卸載、小應(yīng)變等方面具有優(yōu)勢，較常用本構(gòu)模型更適合模擬基坑開挖問題[15-16].模型中，為模擬土體和支護結(jié)構(gòu)的位移不連續(xù)，土體采用連續(xù)體單元(Continuum)，排樁均采用梁單元(Beam)，在梁單元和土體單元之間設(shè)置接觸單元(Contact)，錨索采用軟件自帶的Anchor單元進行模擬，土釘采用軟件自帶的Nail單元進行模擬.模型兩側(cè)的邊界條件為限制側(cè)向位移，底部的邊界條件為固定邊界條件.考慮土層均勻成層分布，參考尹驥[15]提出的HSS模型計算參數(shù)確定辦法，通過室內(nèi)試驗并結(jié)合地勘報告和工程經(jīng)驗確定計算參數(shù)(表1).

為了模擬實際施工過程，分析相鄰基坑開挖對基坑及其坑間土體變形的影響，計算相鄰開挖和A基坑單獨開挖兩種工況.相鄰開挖的計算(工況1)如下:第1階段，同期進行A，B基坑排樁施工；第2階段，安排A基坑的土釘墻施工(3層土方開挖)，同時，進行B基坑的土釘墻施工(4層土方開挖)；第3階段，兩基坑同步進行(6層土方開挖)和逐步進行5道錨索的施工.A基坑單獨開挖的計算(工況2)如下：A基坑施工，B基坑不施工，A基坑工況參照上述執(zhí)行.

3 計算結(jié)果分析

3.1 排樁樁頂水平位移

從排樁施工完成至坑底開挖完成，A基坑排樁樁頂水平位移，如圖4所示.圖4中：t為時間；s(水平)為水平位移，位移正值代表位移方向指向A基坑的坑內(nèi).

由圖4可知：隨著基坑開挖深度的不斷增大，相鄰開挖和單獨開挖兩個情況下的A基坑的排樁樁頂水平位移大體上均表現(xiàn)增大的趨勢，但相鄰開挖的水平位移明顯比單獨開挖?。幌噜忛_挖的最大水平位移出現(xiàn)在第37天，最大水平位移值約為12.3 mm，而單獨開挖的最大水平位移出現(xiàn)在第40天，最大水平位移值約為28.2 mm，相鄰開挖的最大樁頂水平位移接近單獨開挖情況下的40%；相鄰開挖的曲線在第26，30，34，37天前后水平位移呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，第26天進行了A基坑的土方開挖(工況1)，A基坑被動土壓力減小，排樁樁頂水平位移增大；第27天進行了B基坑的土方開挖，相當(dāng)于A基坑主動區(qū)卸載，A基坑主動土壓力減小，排樁樁頂水平位移減小，第30，34，37天的情況與之類似；單獨開挖的曲線隨著開挖深度的增加，排樁樁頂水平位移呈現(xiàn)一種增長穩(wěn)定，再增長再穩(wěn)定的臺階狀持續(xù)增大趨勢，而相鄰開挖則隨著開挖深度的增加(伴隨B基坑開挖深度的增加)而呈現(xiàn)一種增大回縮再增大再回縮的鋸齒狀增大趨勢，當(dāng)B基坑開挖到底部時，水平位移回縮最為明顯，B基坑的開挖明顯抑制了A基坑支護樁的水平位移發(fā)展.

3.2 排樁深層水平位移

開挖至坑底后,A基坑排樁深層水平位移，如圖5所示.圖5中：h為深度；水平位移負值代表水平位移方向朝向A基坑的坑內(nèi).

由圖5可知：單獨開挖與相鄰開挖的排樁深層水平位移整體變化規(guī)律基本一致，隨著深度的增加，均表現(xiàn)為先增大后減小，且出現(xiàn)最大水平位移的位置較為接近，但單獨開挖的排樁深層水平位移明顯大于相鄰開挖的樁身，單獨開挖的最大樁身水平位移值約為39.3 mm，相鄰開挖的最大樁身水平位移值為28.2 mm，是單獨開挖的70%左右；坑底之上，相鄰開挖與單獨開挖的排樁樁身水平位移相差很大，在深度為0 m處(樁頂)差距最大，該深度處單獨開挖的樁身水平位移值為 28.3 mm，相鄰開挖的樁身水平位移值為6.5 mm，是單獨開挖的20%左右；而坑底之下相鄰開挖與單獨開挖的排樁樁身水平位移則較為接近.

圖4 A基坑排樁樁頂水平位移 圖5 A基坑排樁深層水平位移Fig.4 Horizontal displacement of row pile top in A foundation pit Fig.5 Deep horizontal displacement of row pile in A foundation pit

3.3 樁后地表沉降

開挖至坑底后，樁后地表沉降，如圖6所示.圖6中：s(豎向)為豎向位移；d為坑頂?shù)交油獾乇淼乃骄嚯x，d為0 m表示A基坑坑邊.

由圖6可知：單獨開挖與相鄰開挖的地表沉降槽整體變化規(guī)律基本一致，隨著沉降計算采集點與A基坑坑邊的距離增加，采集點的沉降均呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，但相鄰開挖的沉降計算采集點地表沉降明顯大于單獨開挖的地表沉降，并且二者最大豎向位移出現(xiàn)的位置也有著很大差異，單獨開挖的最大地表豎向位移約為18.4 mm,出現(xiàn)在距A基坑坑邊10.5 m處,而相鄰開挖的最大地表豎向位移約為38.4 mm,其是單獨開挖的約2倍，位置在距A基坑坑邊16.5 m處，近似位于坑間土體的正中央.B基坑的開挖也使其坑外地表產(chǎn)生沉降，其沉降與A基坑開挖產(chǎn)生的沉降疊加，促使地表沉降進一步加大，同時，也導(dǎo)致最大沉降的位置向坑間中部偏移.

3.4 坑間土體深層水平位移

A基坑開挖至坑底后，坑間土體深層水平位移，如圖7所示.圖7中：水平位移為正值時，表明土體水平位移方向朝向A基坑的坑外；水平位移為負值時，土體水平位移方向朝向A基坑的坑內(nèi).

由圖7可知:單獨開挖與相鄰開挖的土體水平位移沿深度變化規(guī)律基本一致，均隨著深度的增加，水平位移先增大后減小；單獨開挖的土體水平位移約為32.0 mm，明顯大于相鄰開挖的土體水平位移22.1 mm，相鄰開挖的水平位移是單獨開挖的70%左右；在0～4.5 m的深度范圍，A基坑采取放坡支護形式，單獨開挖的土體水平位移方向均朝向坑內(nèi)，并隨著深度的增加而增大，而相鄰開挖的土體水平位移方向并不統(tǒng)一，地表附近的土體水平位移方向朝向坑外，隨著深度的增加，當(dāng)土體水平位移逐漸減少至0，土體水平位移的方向朝向坑內(nèi)，隨著深度的增加而增大.

由圖6，7可知：相鄰開挖坑間土體沉降較大，從而導(dǎo)致地表淺層土體向沉降槽方向移動，0～2.0 m深度范圍的土體水平位移朝向坑外.

圖6 樁后地表沉降 圖7 坑間土體深層水平位移 Fig.6 Surface settlement after pile Fig.7 Deep horizontal displacement of soil between pits

3.5 坡頂水平位移

圖8 A基坑坡頂水平位移Fig.8 Horizontal displacement of top in A foundation pit

從基坑開始施工至開挖到坑底這段時間內(nèi)，A基坑坡頂水平位移，如圖8所示.由圖8可知：隨著時間的增加，相鄰開挖的坡頂水平位移隨著時間的增加大體上呈現(xiàn)增大的趨勢，坡頂水平位移方向朝向A基坑外，最大坡頂水平位移出現(xiàn)在第40天，最大坡頂水平位移值約為7.3 mm，是單獨開挖的30%左右；單獨開挖的坡頂水平位移隨著時間的增加大體上呈現(xiàn)增大的趨勢，但坡頂水平位移方向朝向A基坑坑內(nèi)，最大坡頂水平位移出現(xiàn)在第40天，最大坡頂水平位移值約為21.1 mm；在第15天之前，相鄰開挖和單獨開挖的坡頂水平位移變化趨勢趨于一致，顯然從開始到第15天相鄰開挖對坡頂水平位移基本上無影響.

由工況1計算可知，從開始到第15天進行了A，B基坑的放坡與土釘施工，在第15天A基坑的開挖深度為4.5 m，B基坑為6.5 m，B基坑開挖掉的6.5 m土層可視為A基坑主動區(qū)卸載，較小的主動區(qū)卸載對A基坑坡頂水平位移的影響不大，即相鄰開挖對基坑坡頂水平位移的影響在開挖深度不大(此時基坑動態(tài)間距約為6H～7H，H為動態(tài)開挖深度)的情況下并不顯著；在第15天之后，相鄰開挖與單獨開挖的坡頂水平位移變化趨勢出現(xiàn)了明顯的差異，相鄰開挖的坡頂水平位移方向朝向坑外，而單獨開挖的坡頂水平位移方向朝向坑內(nèi)，相鄰開挖的坡頂水平位移在第22，26，30，34，37天(動態(tài)間距為3H，2.5H，2H，1.6H)前后出現(xiàn)了先減小后增大的情況，其原因與排樁樁頂水平位移的情況相同，在第26天，動態(tài)間距為2.5H時，位移發(fā)展方向發(fā)生了反轉(zhuǎn)，相鄰基坑變形相互影響作用顯現(xiàn).

4 施工監(jiān)測及對比

4.1 實際施工工況

A基坑于2017年6月2日進場施工，2018年12月19日完成驗收工作；B基坑于2017年10月12日進場施工，2018年12月14日完成驗收工作.在A基坑施工完土釘墻時，B基坑開始施工土釘墻，隨后兩個基坑開始一起施工.

4.2 監(jiān)測點的布置

為研究相鄰基坑一起開挖與單基坑開挖坑間土體深層水平位移的差異，選取A基坑?xùn)|側(cè)(相鄰側(cè))的中間測點C點的監(jiān)測數(shù)據(jù)代表相鄰開挖的水平位移情況.由于基坑長邊為110 m，可以認為西側(cè)基坑側(cè)壁不受B基坑開挖影響，故選取A基坑西側(cè)(未鄰側(cè)，與東側(cè)支護條件相同)的中間測點D點的監(jiān)測數(shù)據(jù)代表單獨開挖的水平位移情況.在C點和D點分別布置了基坑頂部水平位移測點和測斜管(圖1).

4.3 實測排樁樁頂水平位移

A基坑排樁樁頂實測水平位移，如圖9所示.由圖9可知：隨著時間增大，相鄰開挖與單獨開挖的排樁樁頂水平位移均表現(xiàn)出增大的趨勢，但單獨開挖排樁樁頂水平位移明顯大于相鄰開挖的排樁樁頂水平位移，與數(shù)值模擬的結(jié)果變形規(guī)律相同；單獨開挖情況下排樁樁頂最大水平位移值為38.0 mm，相鄰開挖排樁樁頂最大水平位移值為13.0 mm，是單獨開挖的30%左右，二者的差距與數(shù)值計算結(jié)果接近.

由圖4，9可知：相鄰開挖樁頂水平位移的數(shù)值模擬結(jié)果(圖4)在第26，30，34，37天前后存在明顯的先增大后減小的變化規(guī)律，而實測結(jié)果(圖9)并沒有體現(xiàn)該種規(guī)律.這是因為數(shù)值模擬按連續(xù)時間計算，可以捕捉到位移的連續(xù)變化，而實測數(shù)據(jù)僅在開挖卸載前后即時進行監(jiān)測，其捕捉到的是土體位移間斷的數(shù)值，但二者表現(xiàn)的總體趨勢是一致的，都能反映變形隨開挖增長的趨勢.

4.4 坑間土體深層水平位移

測斜點位于A基坑排樁后側(cè)、放坡坡底的施工平臺.坑間土體深層水平位移，如圖10所示.由圖10可知：隨著深度的增加，相鄰開挖與單獨開挖兩種情況下土體的水平位移均呈現(xiàn)減小趨勢，且最大水平位移值出現(xiàn)在樁頂處，但相鄰開挖的土體水平位移在各個深度均小于單獨開挖的土體水平位移，這與數(shù)值模擬的結(jié)果相同，單獨開挖的土體最大水平位移值約為19.0 mm，相鄰開挖的土體最大水平位移值約為14.0 mm，是單獨開挖的70%左右，二者的差距與數(shù)值計算結(jié)果接近；兩種條件下土體最大水平位移發(fā)生在測斜管頂部，即放坡坡底的施工平臺處，與數(shù)值模擬(圖7)最大位移在中部不同，這主要是數(shù)值計算的假設(shè)條件造成的差異.

數(shù)值計算時，考慮樁土變形協(xié)調(diào)，其樁頂位置的土體水平位移將受支護樁和冠梁的剛度約束，故樁頂處的計算位移不是最大的水平位移；然而，實際工程中支護樁與樁頂處土體變形存在不協(xié)調(diào)，土體與支護樁在樁頂處存在脫離現(xiàn)象，土體變形受支護樁和冠梁的約束弱于其下部土體，導(dǎo)致土體的最大水平位移發(fā)生在支護頂部；另外，由于測斜點位于放坡平臺，故未取得放坡段水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，一般情況下放坡段承受的水平應(yīng)力較小，可以肯定放坡段實測位移不會大于支護樁范圍內(nèi)的最大位移，且在未受支護約束情況下變形性狀將與數(shù)值模擬計算位移變形規(guī)律相近.

圖9 A基坑排樁樁頂實測水平位移 圖10 坑間土體深層水平位移Fig.9 Measurement of horizontal displacement of soil between pits Fig.10 Deep horizontal displacement of row pile top in A foundation pit

5 結(jié)論

使用Z-Soil軟件，運用HSS模型，以相鄰樁錨基坑開挖的工程實例進行二維數(shù)值分析，并與工程實測變形數(shù)據(jù)對比，得出以下5點結(jié)論.

1) 排樁樁頂水平位移、排樁深層水平位移、坑間土體深層水平位移和坡頂水平位移的數(shù)值模擬結(jié)果表明：相鄰樁錨基坑開挖明顯減小了基坑水平位移，特別是對于樁頂水平位移的影響最為顯著.

2) 數(shù)值模擬結(jié)果表明：相鄰樁錨基坑開挖增大了坑間地表沉降，產(chǎn)生的沉降接近兩個單坑引起的沉降疊加，從而導(dǎo)致了坑間地表沉降量增加，并且最大沉降位置出現(xiàn)在兩基坑的正中間.

3) 開挖深度動態(tài)變化時，數(shù)值模擬結(jié)果表明：在相鄰基坑間距小于等于2.5H時，相鄰基坑變形相互影響顯現(xiàn)，基坑水平位移明顯減小.相鄰基坑側(cè)最大樁頂水平位移僅為單坑開挖產(chǎn)生的樁頂水平位移的40%，且最大深層水平位移僅為單坑開挖產(chǎn)生的最大深層水平位移的70%.

4) 實測結(jié)果表明：單獨開挖的排樁樁頂水平位移明顯大于相鄰開挖情況下的排樁樁頂水平位移，并且相鄰開挖的土體水平位移在各個深度均小于單獨開挖的土體水平位移，這與數(shù)值模擬的結(jié)果相同.

5) 在基坑間距小于等于2.5H時，同步或陸續(xù)開挖的相鄰樁錨基坑，其支護設(shè)計宜考慮相鄰基坑開挖的影響.建議調(diào)整后續(xù)開挖基坑支護相鄰側(cè)支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算工況，考慮基坑相鄰側(cè)最大樁頂水平位移按單坑的樁頂水平位移的40%和最大深層水平位移按單坑位移的70%為水平位移控制基準(zhǔn)，對后續(xù)開挖基坑支護剛度適當(dāng)弱化，以節(jié)約造價.