坑中坑式內(nèi)撐支護(hù)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性研究

陳秋旺

(福建西海岸建筑設(shè)計(jì)院 福建福州 350011)

0 引言

經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了城市地下空間建設(shè)。為改善用地緊張緩解交通堵塞改善民生條件等問(wèn)題，基坑工程不可避免地需要往大深方向發(fā)展。與此同時(shí)，建筑物或構(gòu)筑物迎來(lái)了多功能性需求，比如需要在基坑內(nèi)部設(shè)置電梯井或集水井，或者因周邊建筑裙樓高度不一導(dǎo)致基坑開(kāi)挖深度各異等，形成了二級(jí)基坑開(kāi)挖，將此類(lèi)基坑稱之為“坑中坑式基坑”(以下簡(jiǎn)稱坑中坑)。

針對(duì)坑中坑設(shè)計(jì)，巖土工程師們往往采取保守設(shè)計(jì)，在內(nèi)坑設(shè)置較深且剛度較大的地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)，這就造成了一定的材料浪費(fèi)。即便如此，當(dāng)二級(jí)基坑(以下簡(jiǎn)稱內(nèi)坑)近鄰一級(jí)基坑(以下簡(jiǎn)稱外坑)時(shí)，坑中坑整體穩(wěn)定性又難以保證，因此工程設(shè)計(jì)與施工大多根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，關(guān)于坑中坑理論設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于工程實(shí)踐。如何準(zhǔn)確分析內(nèi)坑對(duì)坑中坑式基坑變形的影響，是目前基坑工程的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)學(xué)者龔曉南[1-2]一度認(rèn)為，應(yīng)該重視坑中坑式基坑施工安全，設(shè)計(jì)過(guò)程不可忽略內(nèi)坑對(duì)外坑的影響。吳銘炳等[3]依托某實(shí)際工程，對(duì)坑中坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形與土壓力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出了坑中坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算深度建議值。陳暢等[4]根據(jù)多年的工程經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為內(nèi)坑存在是坑中坑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，而承壓含水層土壓力分布與附近堆載等是影響坑中坑變形的主要因素。徐為民等[5]研究了土釘支護(hù)坑中坑的滑塌原因，并據(jù)此提出了相關(guān)設(shè)計(jì)方法，認(rèn)為外坑支護(hù)體系對(duì)內(nèi)坑支護(hù)體系影響微弱。豐土根等[6]以內(nèi)撐支護(hù)基坑為例，分別探討了內(nèi)坑相對(duì)尺寸與位置對(duì)內(nèi)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響，指出設(shè)置內(nèi)坑支撐對(duì)控制外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形有顯著作用。

本研究以實(shí)際工程為研究背景，通過(guò)有限元數(shù)值軟件Optum G2，建立了可以分析內(nèi)坑影響的坑中坑數(shù)值模型，對(duì)坑中坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特性進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究，同時(shí)展開(kāi)參數(shù)分析。相關(guān)成果可為坑中坑式基坑設(shè)計(jì)提供理論參考借鑒。

1 工程概況

某大型公共建筑物占地面積約31 511m2，總建筑面積達(dá)28 242m2。該建筑物擁有橢圓形外觀，且周邊分布裙樓。因主建筑物基坑深度較大，而裙樓基坑深度較淺，基坑系統(tǒng)需要進(jìn)行二級(jí)開(kāi)挖，構(gòu)成了典型的坑中坑式基坑，如圖1所示。

圖1 某大型公共建筑物工程平面示意圖

假設(shè)坑外地表標(biāo)高為0.0m(GL 0.0m)，不考慮基坑周邊荷載影響。基于平面應(yīng)變條件，取橫向基坑建立幾何模型，外坑開(kāi)挖寬度D與深度H分別為60.0m與6.0m。內(nèi)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為沉管灌注樁，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)示意圖

外坑管樁相對(duì)外坑坑底嵌入深度L為6.5m，則圍護(hù)結(jié)構(gòu)底標(biāo)高為GL-12.5m，外坑管樁樁徑為600@1000mm。在離地表距離為2.0m處，對(duì)外坑設(shè)置一道水平支撐。取外坑平臺(tái)寬度即內(nèi)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)間距W為18.0m，內(nèi)坑開(kāi)挖寬度d與深度h分別為35.7m與5.5m，對(duì)應(yīng)內(nèi)坑坑底標(biāo)高為GL-11.5m，內(nèi)坑管樁相對(duì)內(nèi)坑坑底嵌入深度l為5m，對(duì)應(yīng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)底端標(biāo)高為-16.5m，內(nèi)坑管樁尺寸600@1000mm；在離地表-7.0m深度處(GL-7.0m)，對(duì)內(nèi)坑也設(shè)置一道水平支撐，因此，可得到相應(yīng)的幾何模型，如圖3所示。

圖3 坑中坑式內(nèi)撐支護(hù)基坑幾何模型

2 數(shù)值模擬及參數(shù)選取

利用具有強(qiáng)收斂性與網(wǎng)格自適應(yīng)算法的二維數(shù)值模擬軟件Optum G2，采用可以考慮土體加/卸載特性的硬化摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型(Hardening Mohr-Coulomb，簡(jiǎn)稱HMC模型)。HMC模型在MC模型的基礎(chǔ)上引入土體硬化特征，且同時(shí)具備功能參數(shù)少且易獲取等特點(diǎn)。

該坑中坑施工周期長(zhǎng)，且基坑開(kāi)挖前已完成降水疏干，因此，研究過(guò)程理應(yīng)關(guān)注坑中坑長(zhǎng)期性能，采用有效應(yīng)力參數(shù)，默認(rèn)地基土為排水條件。

為更加準(zhǔn)確模擬墻-土界面相互作用關(guān)系，Optum G2引入了Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則描述墻-土界面摩阻力的發(fā)揮及彈-塑性變形特性；定義墻-土界面折減系數(shù)為Rinter，界面強(qiáng)度可采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)周邊土體強(qiáng)度參數(shù)與Rinter的乘積獲得：

Rinter=τi/τf

(1)

其中，τi為地基排水條件下墻-土界面的折減強(qiáng)度，τf則為圍護(hù)結(jié)構(gòu)周邊的土體抗剪強(qiáng)度。

參照地勘報(bào)告，對(duì)建筑物附近地基土土層等厚處理，將相鄰近似土層進(jìn)行整合歸并，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化分析。為充分考慮基坑開(kāi)挖影響深度，選擇下列代表性土層進(jìn)行建模計(jì)算，表1給出了各土層厚度及物理力學(xué)參數(shù)。因此，可取數(shù)值模型尺寸為180m×67.4m，并采用標(biāo)準(zhǔn)邊界條件。數(shù)值計(jì)算模型如圖4所示。

表1 土層厚度及物理力學(xué)參數(shù)

圖4 數(shù)值計(jì)算模型

為便于建模與分析，根據(jù)等效剛度法，將離散的管樁結(jié)構(gòu)等效為地下連續(xù)墻，顯然，其厚度將發(fā)生變化。表2給出了轉(zhuǎn)換計(jì)算得到的坑中坑支護(hù)體系力學(xué)參數(shù)，相應(yīng)的計(jì)算公式[7]如下：

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)與水平支撐計(jì)算參數(shù)

(2)

其中，b為相鄰樁中心距；

h等效連續(xù)墻厚度；

d為灌注樁樁徑。

根據(jù)幾何模型(圖3)與計(jì)算參數(shù)(表1～表2)建立數(shù)值模型如圖4所示。采用分步開(kāi)挖基坑，施工步驟如下所示：

①初始地應(yīng)力計(jì)算；

②澆筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系，對(duì)應(yīng)數(shù)值模型中激活外坑地下連續(xù)墻與內(nèi)坑地下連續(xù)墻；

③開(kāi)挖外坑第一層至GL-2.5m；

④在外坑GL-2.0m處的設(shè)置一道水平支撐；

⑤開(kāi)挖外坑坑底至GL-6.0m；

⑥開(kāi)挖內(nèi)坑第一層至GL-7.5m；

⑦在內(nèi)坑GL-7.0m處設(shè)置一道水平支撐；

⑧開(kāi)挖內(nèi)坑坑底至GL-11.5m。

3 對(duì)比分析

為充分描述內(nèi)坑開(kāi)挖對(duì)坑中坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性的影響，分析過(guò)程定義圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移增長(zhǎng)率為:

ξ=(δ-δ0)/δ0×100%

(3)

式中，δ0為內(nèi)坑未開(kāi)挖，而地基開(kāi)挖至外坑坑底時(shí)外坑地下連續(xù)墻最大側(cè)移值；

δ為坑中坑開(kāi)挖結(jié)束時(shí)外坑地下連續(xù)墻的最大側(cè)移值。

取基坑左側(cè)地下連續(xù)墻位移為研究對(duì)象，經(jīng)彈塑性變形分析得到坑中坑開(kāi)挖結(jié)束時(shí)外坑地下連續(xù)墻的最大側(cè)移值δ為35.30mm，而實(shí)測(cè)值為32.10mm，計(jì)算誤差為9.97%，如圖5所示；計(jì)算得到內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移值為11.27mm，實(shí)測(cè)內(nèi)坑最大側(cè)移值12.36mm(圖6)，誤差為10.09%，誤差控制在10%左右，可認(rèn)為數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合良好，誤差控制在合理范圍內(nèi)，同時(shí)證明了采用HMC本構(gòu)模型可以較為準(zhǔn)確合理地反映土體卸荷引起的坑中坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。

圖5 基坑開(kāi)挖完畢后外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

圖6 基坑開(kāi)挖完畢后內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

另外，計(jì)算得到地基開(kāi)挖至外坑坑底時(shí)，外坑地下連續(xù)墻最大側(cè)移值δ0為29.8mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移增長(zhǎng)為18.45%。這說(shuō)明了一定尺寸的坑中坑開(kāi)挖，對(duì)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移有顯著影響。因此，坑中坑設(shè)計(jì)，考慮內(nèi)坑的影響十分必要，施工過(guò)程應(yīng)采取合理措施加固坑中坑式基坑，從而降低內(nèi)坑對(duì)基坑的影響，提高整體穩(wěn)定性，避免安全隱患。

4 敏感性因素分析

4.1 坑距比

圖7 坑距比對(duì)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移增長(zhǎng)百分比的影響

4.2 內(nèi)外坑深度比

圖8 內(nèi)外坑深度比對(duì)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移增長(zhǎng)百分比的影響

4.3 外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比

圖9 外坑插入比對(duì)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移增長(zhǎng)百分比的影響

圖10給出了具體原因。分別取不同外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比下內(nèi)外坑開(kāi)挖完畢引起的外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移最大側(cè)移值δ與δ0的影響。觀察圖10可以發(fā)現(xiàn)，外坑插入深度的增加，最大側(cè)移值δ與δ0幾乎呈同步減少，且減少幅度亦十分接近。在兩者同步減少情況下，ξ顯然變化不大。應(yīng)該注意，盡管λout對(duì)ξ影響較小，但并不意味著設(shè)計(jì)過(guò)程可以忽略該參數(shù)。由圖8可知，當(dāng)λout=0.5時(shí)，ξ約為25%，可以說(shuō)對(duì)基坑變形有較大影響。當(dāng)λout從0.5增加至2.5時(shí)，δ與δ0均小了大概10mm，因此，適當(dāng)增大外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入深度，可以有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形并提高基坑的穩(wěn)定性。

圖10 外坑插入比對(duì)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移值的影響

圖11 內(nèi)坑插入比對(duì)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移增長(zhǎng)百分比的影響

4.4 內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比

5 結(jié)論

(1)采用HMC本構(gòu)模型模擬地基土，經(jīng)數(shù)值計(jì)算得到了坑中坑開(kāi)挖對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，對(duì)比內(nèi)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移值與實(shí)測(cè)值，驗(yàn)證了所建模型的合理性與準(zhǔn)確性。通過(guò)引入圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移增長(zhǎng)百分比ξ，揭示了坑中坑式基坑開(kāi)挖變形特性，詮釋了內(nèi)外坑相互作用機(jī)理，說(shuō)明了設(shè)計(jì)與施工考慮坑中坑影響的必要性。

(3)增大λout及λin，將顯著降低內(nèi)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移值，但均對(duì)ξ影響不明顯。若坑中坑開(kāi)挖深度有限時(shí)，λin取小值，同時(shí)適度增大λout，可有效控制基坑變形，并提高基坑整體穩(wěn)定性能。