基坑開挖寬度對坑底變形的影響分析

孫曉科

0 引言

隨著地下空間的綜合開發,基坑的規模越來越大,基坑開挖寬度和深度不斷突破以往記錄。深基坑的研究已經較多,而對隨基坑開挖寬度增加帶來的影響研究的較少。定性的粗略來講,基坑開挖寬度越大,對周邊環境的影響也隨之增加[1],然而是否存在一個臨界寬度,使基坑寬度的增加對周邊環境的影響范圍不再增加,此臨界值的影響因素有哪些。本文結合某基坑工程實踐,采用Plaxis有限元分析程序,計算分析了基坑寬度分別為10m～240m多種情況下基坑外地表的變形、連續墻水平變形、坑底隆起變形變化規律。

1 數值分析模型的建立

基坑全長1000多米,寬約110m,分多個標段施工。計算選擇的斷面位于相鄰兩不同開挖寬度標段的交界處,建立的計算模型見圖1,模型底部完全約束,兩側為水平向約束。土體采用實體單元,強化軟土模型,即土體在卸荷作用時,其回彈模量大于壓縮模量,土層參數見表1;地下連續墻采用板單元模擬,EA=3×107kN/m,連續墻與土體之間設置接觸界面,接觸面土體強度折減系數0.5。

為減少計算時間,根據基坑的對稱性取基坑的一半進行模擬;連續墻后土體寬200m,豎向計算高度為70m。為模擬方便,支撐采用錨桿支撐模擬,錨桿參數 EA=4×106kN,間距3 m,基坑分兩步開挖,第一步開挖5.6m,第二步開挖到12 m。連續墻深度28 m,插入比1.33,連續墻厚度1 m,基坑坑底土體未進行加固。相關參數的選取均是按實際工程選用。

表1 土層材料參數

2 基坑寬度的影響分析

數值計算中對基坑開挖引起的地表變形、連續墻變形及坑底變形進行了研究,本文中僅討論開挖寬度對基坑開挖引起的坑底變形的影響。

由不同基坑開挖寬度的坑底隆起變形的計算結果可以看出:

1)基坑開挖時,坑底發生隆起,當基坑開挖寬度較小時,由于基坑兩側連續墻的存在,基坑底部的隆起相當于在兩連續墻間,存在一個類似土拱,使得基坑中央隆起值最大,基坑周邊受到連續墻的約束,隆起值小于基坑中央;

2)當基坑開挖寬度較小時,隨著基坑開挖寬度的增加,兩側連續墻對坑底隆起的限制作用越來越弱,坑底隆起值增加,如圖2所示,當基坑開挖寬度小于50m時,隨基坑開挖寬度增加,坑底隆起值增加,但增加幅度逐漸減小;

3)開挖寬度繼續增加,地表變形和連續墻變形均有收斂的趨勢,因而坑底隆起土體總體積的增加也趨于收斂,但由于隆起范圍增加,因此坑底隆起值減小,如圖3所示;

4)當基坑寬度繼續增加時,隨基坑寬度增加,坑底隆起值減小,但基坑兩側之間的相互影響明顯減小,可忽略不計,因此基坑中心的隆起值會小于基坑邊緣的隆起,如圖4所示,當基坑開挖寬度大于100m時,隨基坑開挖寬度的增加,基坑中心的隆起值將小于邊緣的隆起值。

3 基坑寬度臨界值的確定

對于寬、窄基坑,其開挖時坑底的變形形式和機理是不同的[2],結合上述數值模擬結果可以看出,基坑開挖存在兩個臨界寬度,如圖 5所示,第一個臨界寬度如圖 5b)所示,第二個臨界寬度如圖5d)所示,第二臨界寬度約是第一臨界寬度的2倍。

當基坑開挖寬度小于第一臨界寬度時,由于相對側的土體的存在,相當于對基坑一側的滑體產生超載,限制了坑底的回彈隆起,同時兩側連續墻間相當于存在一個土拱效應,限制了基坑邊緣的隆起;當基坑寬度介于第一和第二臨界寬度之間時,相對側的土體對基坑一側滑體的超載限制作用消失,同時基坑兩側的滑體在坑底中央有重合部分,基坑坑底中央的隆起比基坑邊緣隆起要大;當基坑寬度超過第二臨界寬度時,基坑兩側的滑體之間不會重合,相當于基坑兩側的土體間不會相互影響,此時,坑底隆起會出現中央比邊緣部分隆起值較小的情況。

按地基承載力計算模式確定坑底隆起范圍,進而確定基坑臨界寬度[3],如圖6所示為基坑一半臨界寬度的簡易確定方法圖,其簡易計算公式為:

其中,Δ為基坑臨界寬度的一半;H為連續墻插入深度;φ為坑底土體的內摩擦角。

根據上述計算式,基坑開挖12 m時,H=16m,φ≈30°,得 Δ≈51 m,即當基坑開挖寬度大于50m時,如圖5b)所示,基坑兩側的土體對相對側滑動帶的影響可以忽略,此時形成的滑動帶范圍達到最大,即對地表沉降影響范圍達到最大;當基坑開挖寬度約大于100m時,基坑寬度繼續增加,此時基坑底部兩側的隆起之間的相互影響可以忽略,出現坑底中心隆起比坑底周邊隆起量小的現象。

與數值模擬計算結果對比發現,按圖6確定的基坑臨界寬度比較接近。

4 結語

基坑開挖時,坑底隆起變形對基坑開挖寬度的變化尤為敏感,存在兩個臨界寬度,當基坑寬度小于第一臨界寬度時,隨基坑寬度增加,坑底隆起量增加,該臨界寬度同時影響基坑開挖對地表變形的影響范圍;當基坑寬度介于第一和第二臨界寬度之間時,隨基坑寬度增加,坑底隆起量反而減小;當基坑寬度超過第二臨界寬度時,隨基坑寬度增加,坑底中心隆起量小于邊緣隆起量。

按計算地基承載力方法確定的兩臨界寬度分別為50m,100m,與數值分析結果較接近。

[1]師曉權.軟土地區深基坑回彈量影響因素分析[J].巖土工程界,2007,10(6):32-40.

[2]夏明耀.地下連續墻的變形機理與環境問題對策[J].同濟大學學報,1991,19(1):59-66.

[3]孫淑賢.基于Terzaghi假定的基坑抗隆起穩定性計算方法研究[J].水文地質工程地質,2007(6):63-66.