軟土相鄰基坑支護結(jié)構(gòu)受力影響特征及機理研究

胡敏云，壽樹德，袁 靜2，張 勇，章圣眾

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 巖土工程研究所，浙江 杭州 310023；2.浙江省建筑設(shè)計研究院，浙江 杭州 310027)

隨著我國城市化水平的推進，土地資源短缺的矛盾越發(fā)突出，地下空間開發(fā)利用也因進程的加快，出現(xiàn)越來越多的相鄰基坑交叉施工相互作用的情況。但是由于相鄰基坑交叉施工的相互影響規(guī)律尚未明確，工程設(shè)計仍缺乏科學(xué)指導(dǎo)，導(dǎo)致近幾年相鄰基坑施工引起的工程事故頻發(fā)[1]。與獨立基坑工程相比，相鄰基坑的圍護結(jié)構(gòu)受力變形更為復(fù)雜[2-4]，因此對相鄰基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計、基坑變形監(jiān)測和控制措施等提出了新的要求[5]?；谏鲜龉こ虒嵺`需求，工程技術(shù)人員利用理論、工程實測與數(shù)值分析等手段開展了大量相鄰基坑的研究。關(guān)于相鄰基坑相互作用影響范圍，陳小雨等[6]基于土體平面滑裂假定理論推導(dǎo)及有限元計算分析，確定相鄰基坑相互影響范圍大致為深基坑開挖深度的2倍；對于交叉施工的相鄰基坑，較為常用的圍護方式為樁、墻式擋土結(jié)構(gòu)+多道水平支撐支護，但該類組合圍護體系受力傳遞直接，對鄰近基坑施工敏感且受力復(fù)雜多變。黃開勇[7]通過相鄰基坑相鄰區(qū)水平支護體系變形實測與數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)：帶支撐體系對鄰近基坑卸載擾動敏感且直接，與獨立基坑存在極大區(qū)別。趙永光[8]通過有限元模擬驗證了基坑群交叉施工存在耦合效應(yīng)，引起擋土結(jié)構(gòu)受力變形增大，不利于基坑群整體穩(wěn)定。丁智等[9-10]通過對杭州地區(qū)多個相鄰基坑的實測分析發(fā)現(xiàn)：鄰近基坑開挖會使得已有基坑水平支撐軸力出現(xiàn)短期驟減，這對相鄰基坑開挖中如何通過支撐軸力判斷基坑工作性狀提出了新的問題。馬平等[11]通過極限平衡法求解樁墻后主動土壓力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不論土體模型是否考慮土的黏聚力，其土壓力均小于朗肯土的計算值，但王成華等[12]在有限土壓力整合的綜述中指出，有限土壓力亦有可能大于朗肯土計算值。

由上述研究可知：相鄰基坑交叉施工對支撐式圍護結(jié)構(gòu)的變形、支撐軸力及墻后土壓力均有影響，但是三者變化關(guān)系還比較模糊，尚有一些問題需要澄清。主要問題包括：1) 相鄰基坑施工引起基坑支護結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)側(cè)移變形是減小還是增加，這對合理評判基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)反映的基坑支護結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)具有重要意義；2) 若支護結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形減小(或增加)，則支護結(jié)構(gòu)上作用的土壓力值是降低還是增加，這對指導(dǎo)相鄰基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要意義；3) 若支護結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形減小(或增加)，帶撐式支護體系中支撐軸力是降低還是增加，這對指導(dǎo)支撐體系的設(shè)計(包括鋼支撐的預(yù)加力)有重要意義。為此，通過分析杭州地區(qū)某軟土深基坑受其鄰近的深窄隧道基坑交叉施工影響的監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合有限元數(shù)值模擬，研究相鄰帶支撐圍護結(jié)構(gòu)的受力變形及墻后土壓力變化，以明確交叉施工對圍護結(jié)構(gòu)變形與受力的影響特點，為今后類似基坑工程的設(shè)計和施工監(jiān)測提供參考。

1 相鄰基坑開挖工程實例

1.1 工程概況

某基坑工程位于杭州市拱墅區(qū)，工程西臨已建城市道路，交通比較繁忙；北側(cè)為已建多層住宅，采用淺基礎(chǔ)；東臨待建地鐵車站；南側(cè)緊鄰?fù)谑┕さ目焖俾匪淼烂魍诨?。主體基坑大體呈矩形，南北長214 m，東西寬180 m?？拥鬃畲笸谏畎闯信_墊層底計算為16.2 m，普遍挖深15 m。南側(cè)同期開挖的快速路隧道基坑與主體基坑間距5～13 m，最大開挖深度為25 m。相鄰基坑圍護結(jié)構(gòu)平面布置及相鄰段支護剖面圖如圖1所示。

圖1 基坑平面布置與支護結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1 Foundation pit layout and supporting structure section

主體基坑南側(cè)采用雙排鉆孔灌注樁擋土，內(nèi)排樁直徑D=1.0 m，樁間距d=1.4 m，樁長L=40 m；外排樁D=0.8 m，樁間距d=0.6 m，樁長L=32 m；內(nèi)外雙排樁中心距1.025 m。主體基坑坑內(nèi)四周設(shè)置3 道水平角砼支撐，并在長邊中部架設(shè)支撐板帶以增加支護體系的整體剛度，坑底被動區(qū)采用水泥攪拌樁進行加固。

南側(cè)快速路隧道(下文稱“隧道基坑”)明挖基坑采用地下連續(xù)墻支護，地連墻厚1.2 m，深 47.05 m，設(shè)置6 道水平支撐，鋼筋混凝土支撐與鋼支撐交替架設(shè)，開挖到底部后鋪設(shè)3 m厚的C20混凝土墊層以抑制坑底隆起。為減小相鄰基坑交叉施工相互干擾，相鄰區(qū)域隧道基坑地連墻兩側(cè)加設(shè)鉆孔灌注樁，直徑D=0.8 m，樁長L=28 m，樁間距d=1.0 m。

1.2 場地工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

基坑開挖影響范圍內(nèi)的主要土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)黏土，場地上部地下水類別為潛水，地下水位常年埋深0.72～1.26 m，最大變幅不超過1 m。典型場地土層和地下水分布如圖2所示。各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所列。

圖2 典型工程地質(zhì)剖面圖示意圖Fig.2 Typical engineering geological section

編號土層名稱土層厚度/m土重度/(kN·m-3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)1-1素填土0.817.610.012.01-2雜填土2.317.610.012.02黏質(zhì)粉土0.618.415.027.44-1淤泥質(zhì)土25.417.410.111.26-1淤泥黏土2.516.912.012.07粉質(zhì)黏土3.919.225.219.910-1風(fēng)化灰?guī)r10.020.220.216.5

1.3 相鄰基坑交叉施工工況

主體基坑先行開挖，工期較長，南側(cè)隧道基坑后開挖，工期短，兩基坑基本上同時開挖至各自坑底，兩基坑底板澆筑同時期完成。施工工況如表2所示。

表2 施工工況表Table 2 Construction schedule

1.4 監(jiān)測內(nèi)容與監(jiān)測點的選擇

為了認識相鄰基坑在交叉施工過程中的相互影響，選取主體基坑南側(cè)相鄰段的墻體位移(CX26)、支撐軸力(ZL6)和土壓力(TY5)監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，并與非相鄰段的對應(yīng)監(jiān)測點(CX31、ZL1和TY3)進行對比分析。監(jiān)測點布置如圖1(a)所示。

2 相鄰基坑交叉施工過程監(jiān)測分析

2.1 主體基坑支護結(jié)構(gòu)變形分析

主體基坑樁體位移監(jiān)測點CX31(非相鄰區(qū))和CX26(相鄰區(qū))的實測數(shù)據(jù)如圖3所示。其中CX26測點所在位置處兩基坑間距S=11.3 m，S/(H1+H2)≈1/4(H1和H2分別指主體基坑與隧道基坑最大挖深)。根據(jù)文獻[13]對相鄰強弱影響范圍與開挖深度關(guān)系的研究，CX26測點處相鄰基坑間的有限土體處于影響區(qū)域。

圖3 主體基坑樁體位移變化趨勢Fig.3 Variation trend of pile displacement in main foundation pit

由圖3可知：無論是相鄰區(qū)還是非相鄰區(qū)，基坑支護結(jié)構(gòu)的側(cè)移大體上均隨開挖深度的增加而增大，但是對比相鄰區(qū)和非相鄰區(qū)基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移可以發(fā)現(xiàn)：1) 相鄰區(qū)基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移在第2層土方開挖過程中出現(xiàn)明顯回彈現(xiàn)象，這時南側(cè)隧道基坑(同期施工)開挖深度已超過主體基坑深度，說明相鄰基坑開挖會引起支護結(jié)構(gòu)側(cè)移減小；2) 從支護結(jié)構(gòu)最大位移發(fā)生位置來看，非相鄰段支護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移點發(fā)生在靠近坑底部位，而相鄰區(qū)支護結(jié)構(gòu)受相鄰基坑開挖影響，其最大側(cè)移點在開挖過程中向基坑頂部移動，在挖到坑底時，最大側(cè)移點回落到坑底。圖4給出了相鄰段(CX26)與非相鄰段(CX31)樁體最大位移量隨施工變化的情況。

圖4 樁體最大位移—工期關(guān)系圖Fig.4 Relationship between maximum displacement of pile and construction period

由圖4可知：非相鄰段樁體(CX31)最大位移隨著工期推進始終向坑內(nèi)增加，而相鄰側(cè)樁體(CX26)受到鄰近基坑開挖卸載影響，樁體的最大位移隨工期推進出現(xiàn)增大或者減小的“反復(fù)”現(xiàn)象，鄰近基坑開挖卸載會引起主體基坑相鄰段擋土結(jié)構(gòu)最大位移量減小。

2.2 主體基坑水平支撐軸力變化

主體基坑水平支撐軸力監(jiān)測點ZL1和ZL6的監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。其中ZL1為非相鄰段，ZL6為相鄰段，測點具體位置詳見圖1(a)。

圖5 主體基坑支撐軸力變化Fig.5 Axial force variation of main foundation pit support

由圖5(a)可知：非相鄰區(qū)(ZL1)水平支撐的軸力隨著工期推進大體呈增長趨勢。圖5(b)表明：相鄰區(qū)(ZL6)的水平支撐軸力變化存在兩個明顯的“減小”段，可見相鄰基坑交叉施工對水平支撐軸力發(fā)展亦會產(chǎn)生影響。支撐軸力的降低并非意味著安全，監(jiān)測時應(yīng)關(guān)注支撐軸力降低的量值，以免出現(xiàn)影響過大的情況。

2.3 墻后土壓力分布

主體基坑土壓力監(jiān)測點TY3(非相鄰區(qū))和TY5(相鄰區(qū))的監(jiān)測結(jié)果如圖6所示，其中監(jiān)測點位置及土壓力盒的埋深見圖1。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)在兩相鄰基坑底板澆筑完成后進行采集，未采集到開挖過程中土壓力的變化。

圖6 土壓力分布Fig.6 Earth pressure distribution

由圖6可知：在基坑開挖面往上，非相鄰區(qū)(TY3)的主動土壓力分布與朗肯土理論計算值比較接近，相鄰區(qū)(TY5)受鄰近基坑支撐和卸載的影響，土壓力有所增加，依舊往主動方向發(fā)展。

3 相鄰基坑交叉施工相互影響機理的有限元模擬分析

相鄰基坑的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：鄰近基坑開挖與支撐架設(shè)雖然會引起主體基坑側(cè)移量的減小、支撐軸力的減小和土壓力的增加，但是其影響機理尚不明確，需要通過有限元數(shù)值模擬分析探求鄰近施工影響下基坑支護結(jié)構(gòu)受力變形之間的聯(lián)系。

3.1 幾何模型

根據(jù)工程概況及相應(yīng)圍護方案建立三維模型，并基于Plaxis 3D采用四面體結(jié)構(gòu)單元進行有限元網(wǎng)格劃分，建立模型如圖7所示。模型X方向尺寸為650 m，Y方向尺寸為400 m，Z(深度)方向為70 m，模型邊界按最大開挖深度的6倍取值，模型整體650 m×400 m×70 m，定義其足夠大，忽略部分冗余靜力小應(yīng)變變形。模型共計33萬網(wǎng)格數(shù)，地連墻插入土層強度大，設(shè)置水平位移約束，確保其不受誤差影響。在模擬中主體基坑地連墻厚度可根據(jù)排樁間距與樁直徑按等效剛度原則換算得到，但是考慮到實際工程中土、樁相互作用的影響，等效地連墻的有效抗彎剛度需折減，折減系數(shù)可取0.7～0.85[14-15]，本模型取0.7。

圖7 網(wǎng)格劃分圖Fig.7 Mesh grid

主體基坑先行開挖，后主體基坑南側(cè)與快速路隧道基坑同步開挖，主體基坑坑內(nèi)分層分塊開挖，南側(cè)隧道分段開挖，主體基坑開挖至坑底且底板澆筑完成，隧道盾構(gòu)才開始掘進，東側(cè)地鐵車站則與之先后開挖，具體開挖工況見表2(全工況模擬)。

3.2 土的本構(gòu)模型與參數(shù)取值

基坑土層為杭州典型軟土土層，開挖層主要為淤泥土層，選用HSS小應(yīng)變硬化本構(gòu)模型進行計算分析。土層模型參數(shù)取值見表3，部分參數(shù)取值參照HSS土體模型參數(shù)取值法及杭州軟土參數(shù)取值經(jīng)驗[16-18]。

表3 HSS土層參數(shù)表Table 3 Parameters of HSS soil layer

支撐主要用梁單元模擬，混凝土支撐賦予混凝土C30強度特性，E=30 GPa，鋼支撐賦予鋼結(jié)構(gòu)強度特性，E=210 GPa，主體基坑地下墻用板單元模擬，將灌注樁等效剛度轉(zhuǎn)換取厚度為0.98 m，設(shè)為各向同性，坑內(nèi)降水開挖。主體基坑西側(cè)存在建筑物，用無重力樓板賦予淺基礎(chǔ)屬性模擬，老舊住宅則用建筑物筏板等效重度與面積模擬。

3.3 有限元計算結(jié)果分析

關(guān)于擋土墻變形，本研究僅給出主體基坑開挖至-12 m時相鄰側(cè)和非相鄰測擋土結(jié)構(gòu)位移的比較，結(jié)果如圖8所示。此時隧道基坑開挖至-10 m，兩基坑的支撐已經(jīng)按工況架設(shè)，隧道基坑已經(jīng)對主體基坑產(chǎn)生影響。由圖8(b)可知：鄰近隧道深基坑開挖會引起主體基坑相鄰區(qū)擋土結(jié)構(gòu)位移減小，這與實測所得影響規(guī)律相符合。

圖8 數(shù)值模擬工程規(guī)律驗證Fig.8 Verification of engineering law of numerical simulation

為了進一步明確相鄰區(qū)擋土結(jié)構(gòu)變形減小、水平支撐軸力減小的機理，需要考察土體位移場及支護結(jié)構(gòu)上土壓力的變化規(guī)律。

圖9給出了相鄰區(qū)和非相鄰區(qū)墻后土體的位移場，位移場云圖剖面選取位置詳見圖7標注。由圖9(a)可知：獨立的主體基坑開挖時，開挖面以上坑壁土體有向坑內(nèi)滑落移動的趨勢；對比圖9(b)可知：受鄰近隧道基坑開挖卸載影響，坑壁土體向主體基坑內(nèi)移動的趨勢減弱，且主要滑移區(qū)向基坑上部移動；而圖9(c)則表明：隨著鄰近隧道基坑挖深的增加，當隧道基坑的挖深超過主體基坑以后，鄰近區(qū)域有限土體位移出現(xiàn)向更深一側(cè)基坑滑動的趨勢，且主要滑移區(qū)集中在先開挖的主體基坑側(cè)。

圖9 有限土體位移場變化趨勢Fig.9 Variation trend of finite soil displacement field

圖10給出了相鄰區(qū)域有限土體中不同深度(-4，-8，-12 m)測點土壓力在相鄰基坑交叉施工過程中的變化情況，計算面位置見圖7(TY5)標注。由圖10可知：有限土體間的土壓力并不是單調(diào)變化的。受鄰近基坑卸載影響，土壓力會出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，但這并不是墻體位移向主動側(cè)發(fā)展引起的；開挖到坑底以后，有限土體土壓力會上升，超過朗肯土壓力，而這時兩側(cè)墻體都是向背離土體的方向移動的。因此，有限土體土壓力隨擋墻位移的變化規(guī)律與經(jīng)典土壓力理論是不符合的。圖10中矩形區(qū)域表示相鄰隧道基坑大幅度開挖卸土段。

圖10 等深度有限土體土壓力隨挖深變化Fig.10 Variation of soil pressure with excavation depth in finite soil with equal depth

4 相鄰基坑交叉施工相互影響特征與機理討論

通過分析主體基坑與相鄰隧道基坑在交叉施工工況下?lián)跬两Y(jié)構(gòu)位移的有限元可以發(fā)現(xiàn)：有限土體的位移場存在疊加影響區(qū)，位于基坑開挖面以上，結(jié)果如圖11所示。

圖11 相鄰基坑水平支撐體系受力變形機理分析Fig.11 Analysis of deformation mechanism of horizontal bracing system of adjacent foundation pit

在疊加影響區(qū)內(nèi)的土體滑移方向受兩基坑開挖深度關(guān)系和開挖順序而發(fā)生改變，因此疊加影響區(qū)的土體會受到嚴重擾動，甚至可在較小的位移下發(fā)生破壞，其對相鄰支護結(jié)構(gòu)受力與變形的影響表現(xiàn)如下：

1) 鄰近基坑卸載會引起先開挖基坑支護結(jié)構(gòu)的側(cè)移向坑外回彈，同時擋墻最大位移點向基坑頂部移動，說明相鄰基坑開挖會影響支護結(jié)構(gòu)變形模式的轉(zhuǎn)變。若變形模式改變，則支護結(jié)構(gòu)側(cè)移減小并不代表著支護結(jié)構(gòu)受力向安全方向發(fā)展。

2) 鄰近基坑開挖深度較小時，有限土體土壓力因鄰近基坑卸載而減小，相應(yīng)的擋墻位移發(fā)生回彈；鄰近基坑開挖深度超過已建基坑后，有限土體土壓力會增加，擋墻背離土體的位移也增加。有限土體土壓力與擋墻位移之間的變化關(guān)系與經(jīng)典土壓力理論不一致。

3) 相鄰基坑卸載在引起擋墻位移回彈的同時也會引起支撐軸力的降低，而支撐軸力的下降并不代表支護結(jié)構(gòu)的受力向安全方向發(fā)展，因此在存在相鄰基坑情況下，支撐軸力的變化值得關(guān)注，當發(fā)現(xiàn)鋼支撐軸力下降時，單純補償一側(cè)基坑支撐軸力可能會引起相鄰基坑的受力向不安全方向發(fā)展。

5 結(jié) 論

通過分析杭州市軟土地區(qū)相鄰深、大基坑交叉施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，揭示了基坑支護結(jié)構(gòu)變形、支撐軸力和墻后土壓力受鄰近基坑開挖影響的變化特點，結(jié)合有限元模擬對相鄰基坑相互影響機理進行探討，得到的主要結(jié)論如下：1) 鄰近基坑交叉施工會引起已建基坑支護結(jié)構(gòu)側(cè)移的反復(fù)變化，當支護結(jié)構(gòu)側(cè)移量減小時并不代表支護結(jié)構(gòu)受力向安全方向發(fā)展，因此對基坑安全性的評價需結(jié)合鄰近基坑相鄰部位和本基坑非相鄰段的監(jiān)測情況作出綜合判斷；2) 相鄰基坑卸載會引起已建基坑支撐軸力的降低，支撐軸力下降是否會引起基坑安全性的降低值得關(guān)注，因此對相鄰基坑的支撐軸力監(jiān)測不能單以最大值作為報警值；3) 有限土體土壓力與擋墻位移之間的變化關(guān)系與經(jīng)典土壓力理論不一致，值得作進一步理論分析。

致謝：本課題研究得到浙江省建筑設(shè)計研究院、江蘇南通三建集團第三建筑安裝工程有限公司以及北京英藍置業(yè)有限公司大力支持，在此一并表示感謝。