軟土地區坑靠坑開挖耦合效應分析

胡凱華 張孟喜

(上海大學 土木工程系,上海 200444)

0 引 言

基坑群開挖導致基坑之間土體變形相互疊加,使得周邊的建(構)筑物及地下管線產生的附加變形和對周邊環境產生的影響范圍都比單一基坑開挖的影響復雜數倍。隨著各大城市高效集成的利用土地,大規模的建筑群和大型的交通樞紐工程正在興起,由群坑工程引起的環境保護問題和基坑之間時空差異的相互影響研究變得尤為重要。對于群坑工程中,每個基坑支護體系的穩定性和對周邊環境影響的有效控制都是必要條件,而群坑開挖產生的相互作用及其相互作用的影響范圍成為群坑工程方案設計控制條件,確定基坑之間相互作用的影響范圍,即可確定基坑群合理經濟的設計方案和有效的保護措施。基坑群開挖耦合效應范圍大小的研究是基坑群圍護體系設計方案確定的重要依據,也是基坑群開挖對周邊環境影響的核心問題之一。坑靠坑形式是基坑群工程中的一種類型,其特點是圍護結構不相連,各子基坑距離靠近,因此基坑開挖引起的耦合效應明顯。隨著各大城市集中化開發利用地下空間,坑靠坑形式的基坑群工程越來越多,比如上海世博園區央企總部坑靠坑工程。

諸多學者對深大基坑開挖、基坑群開挖耦合效應及對周圍環境保護進行了研究,各自做出了一些貢獻。郭光年和呂鳳悟[1]運用數值模擬方法研究了不同工況下共壁相鄰基坑先后開挖施工時圍護結構內力和變形特征,總結了其受力和變形規律。劉濤和王曉偉等[2]根據基坑之間相對位置將復雜基坑群分為“坑靠坑”“坑連坑”和“坑中坑”,并研究了群坑開挖耦合效應。沈健[3]采用三維數值模型對天津于家堡基坑群中幾個近距離的坑靠坑進行模擬,得出坑靠坑開挖造成基坑之間的地面沉降疊加,且改變支撐體系的受力分布,并提出合理的開挖順序和施工保護措施。張中杰和湯翔等[4]對上海世博央企總部基坑群中3個同期施工基坑的監測數據進行研究分析,得到了坑靠坑開挖對基坑相鄰側圍護墻變形影響大于其他側圍護墻。馮曉臘和熊宗海等[5]采用規范方法和有限元法研究了坑中坑單級支護系統和坑中坑與外圍主坑形成多級支護系統的穩定性和變形,驗證了外圍主坑多級柔性支護和坑中坑懸臂支護可行的整體設計方案。張治國、張孟喜和王衛東[6]運用三維有限元數值模擬基坑開挖對臨近地鐵隧道縱向變形影響,結合實測數據為制定基坑開挖對臨近地鐵隧道的保護措施提供理論依據。但很少有對坑靠坑開挖耦合效應影響范圍大小研究的報道。

單一基坑開挖變形研究重點主要是開挖過程中基坑圍護結構、支撐體系和基坑外地表沉降。上海軟土地區基坑開挖坑外地表沉降影響范圍為4倍開挖深度。本文根據開挖深度和支撐道數對上海地區適用于地下連續墻支護體系基坑工程實例進行分類,對應上海地區不同開挖深度和不同基坑間距,建立了不同的雙基坑有限元平面應變模型。有限元基本模型中土體的本構模型采用修正劍橋模型,并且根據上海地區濱海平原區域土層的勘察報告和經驗公式得到了修正劍橋模型的計算參數。通過對多組有限元計算結果的分析,比較雙基坑開挖耦合效應與單一基坑開挖作用,研究了后續基坑開挖對已開挖完基坑地下連續墻水平位移和4倍開挖深度范圍內地表沉降曲線變化規律,從而得到了坑靠坑開挖耦合效影響范圍大小與基坑間距大小的關系,確定了產生坑靠坑開挖耦合效應基坑間距的下限值。

1 有限元基本模型

1.1 有限元幾何模型及結構參數

通過對上海地區大量地下連續墻支護體系基坑工程實例進行調查,發現地下連續墻適用于開挖深度為10～20 m的基坑[7]。根據基坑開挖深度和支撐道數,可將其分為三類,見表1。

表1基坑類型

Table 1Excavation types

為了方便論述,定義模型的幾何變量和變形變量如圖1所示。其中,s是基坑間距;H是基坑開挖深度,該間距是兩個基坑相鄰處地下連續墻之間的距離;h是支撐的豎向間距;T是地下連續墻插入深度。Medina[8]利用三維有限元得出支撐水平間距在正常布局的情況下對基坑變形的影響可以忽略不計。本文考慮的基坑為開挖深度大于10 m的深基坑,有限元基本模型取Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三類,分別對應于上海地區地下連續墻支護體系基坑的A、B、C類型,見表2。第一道支撐在開挖深度1 m處,支撐的豎向間距h=5 m,基本模型中基坑寬度為80 m。根據上海市《基坑工程技術規范》(DG/TJ08-61—2010)提出了如圖2所示的地表沉降預估曲線,明確了基坑開挖對圍護墻后4H范圍內地表沉降都有影響,其中2H范圍內為主影響區域,2H～4H范圍內為次影響區域,大于4H以外影響消失。單一基坑開挖地表沉降預估曲線為4H范圍,當兩個基坑間距為8H時,從理論上講,兩個基坑之間的地表沉降互不影響,當兩個基坑間距小于8H時,兩個基坑之間的地表沉降會產生疊加效應,基于這一點,本文雙基坑間距取s=4H,6H,8H,10H,此間距相當于各基坑2H,3H,4H和5H影響范圍的疊加。

表2基坑有限元基本模型

Table 2FEM models of excavations

圖1 地下連續墻基坑幾何變量及變形變量的定義Fig.1 Geometric variable and deformation variable definition of excavation with diaphragm wall

圖2 圍護墻后地表沉降預估曲線Fig.2 Settlement forecast curve of surface behind diaphragm wall

基坑模型中土層的厚度取上海市區濱海平原區域土層厚度的平均值。Roboski[9]研究發現基坑邊緣與模型邊界的距離大于基坑開挖深度的5倍時,模型邊界條件對基坑變形的影響可以忽略不計,為了盡可能減小這一影響,基本模型的幾何尺寸取600 m×120 m。模型邊界條件設為底面固定,豎向邊界約束水平方向位移。基坑圍護結構采用梁單元模擬,采用彈簧單元模擬水平支撐系統,采用罰函數接觸算法模擬土與地下連續墻界面非連續接觸特性。對于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類基坑,地下連續墻厚度分別采用800 mm、800 mm和1 000 mm,支撐采用鋼筋混凝土。材料參數[10]見表3。

表3有限元模型結構參數

Table 3Parameters of structures of FEM model

1.2 土體本構模型選擇及其參數的計算

數值分析在巖土工程中得到廣泛的應用,其中至關重要的是選取合理的土體本構模型,不合理的土體本構模型無法保證計算結果的合理性。敏感環境下基坑工程的重點問題是墻后土體的變形情況,為了滿足設計的要求,宜采用修正劍橋模型(MCC)進行上海地區敏感環境下基坑開挖數值模擬分析,該土體本構模型能較準確地反映出基坑開挖過程中軟黏土應變硬化特性和加卸載的區別,能得到合理的墻體變形及墻后土體變形的計算結果,其參數有8個,可以通過地質勘查報告和經驗公式確定。上海地區典型土層分布,②～⑥層主要為黏土層,各黏土層本構關系采用修正劍橋模型,第⑦為砂土層,其本構關系采用摩爾庫倫模型(MC),有4個參數。兩種本構模型土體參數[7]見表4。

2 工程實例驗證

為了驗證模型和參數的準確性,將選取本文中幾組單一基坑計算數據與上海王寶和大酒店二期工程和上海華山醫院基坑的墻后地表沉降和墻體水平位移的實測數據[10-11]進行對比驗證:①上海王寶和大酒店二期基坑工程,開挖深度14.3 m。采用厚度為1 000 mm地下連續墻作為圍護結構,平均插入深度30 m;②上海華山醫院基坑工程采用厚度為800 mm地下連續墻作為圍護結構,平均開挖深度11 m,平均插入深度20 m。圖3(a)和(b)是兩個基坑工程墻后地表沉降曲線計算值與實測值對比。圖4(a)和(b)是兩個基坑工程地下連續墻水平位移曲線計算值與實測值對比。

表4上海地區典型土層土體本構參數

Table 4Soil constitutive parameters of Shanghai typical soil layers

圖3 地表沉降計算值與實測值的對比Fig.3 Comparison between calculated and measured results of ground surface settlement

圖4 地下連續墻水平位移計算值與實測值的對比Fig.4 Comparison between calculated and measured results of horizontal displacement of diaphragm wall

由圖3和圖4可知,兩個基坑工程地下連續墻水平位移和地表沉降的計算值與實測值對比較為吻合。因此本文所建模型、土體本構模型及土體參數具有較好的準確性。

3 坑靠坑有限元計算結果分析

3.1 雙基坑不同開挖順序計算值對比

在基坑群工程中各基坑不同開挖順序會引起不同的圍護結構及地表疊加變形。選取開挖深度H=21 m,基坑間距s=4H的一組雙基坑計算值,分析不同開挖工況下坑靠坑開挖耦合效應影響的大小。圖5是雙基坑工程兩種開挖工況下地下連續墻水平位移大小對比關系,可知雙基坑先后開挖引起的地下連續水平位移小于同步開挖的情況。兩種開挖工況引起的差異變形主要發生在開挖面以上,對開挖面以下基本沒有影響。圖6是雙基坑工程兩種開挖工況下墻后土體豎向位移大小對比關系,可知雙基坑先后開挖引起的墻后地表沉降大于同步開挖的工況。由于實際工程周圍環境更加復雜,兩種開挖工況差異變形值大于模型中的差異變形值。在實際坑靠坑工程中,應充分利用基坑開挖的時空效應,采用對稱同步開挖以減小坑靠坑開挖耦合效應的影響。本文以下研究坑靠坑開挖耦合效應均考慮最不利的先后開挖工況,即先開挖完基坑1,再開挖基坑2,每完成一次開挖立即支撐,如圖1所示。

圖5 不同開挖工況下地下連續墻位移大小關系Fig.5 Relationship between horizontal displacement of diaphragm walls under different excavation conditions

圖6 不同開挖工況下墻后土體豎向位移大小關系Fig.6 Relationship between vertical displacement of soil mass under different excavation conditions

3.2 圍護結構水平位移分析

3.2.1圍護結構水平位移曲線

Clough等[12]根據有無支撐作用認為圍護結構水平位移分為3種模式:①圍護結構未支撐開挖時產生的懸臂式位移;②當支撐系統加上后再開挖,由支撐系統約束作用產生的深槽內向位移;③兩者之間的混合位移。圖7(a)-(c)是不同基坑間距開挖與單一基坑開挖,基坑1右側地下連續墻水平位移曲線。各種工況下地下連續墻變形形狀均呈旋轉形,水平位移隨著開挖深度的變大而先變大,達到一定值后再變小。考慮坑靠坑開挖耦合效應,地下連續墻曲線形態與單一基坑的曲線形態基本一致,而水平位移值都小于單一基坑開挖的水平位移值,地下連續墻出現回移,改變支撐體系原有受力特點。

圖7 不同基坑間距開挖與單一基坑開挖地下連續墻水平位移曲線Fig.7 Horizontal displacement curves of diaphragm walls with different spacing from single excavation

3.2.2地下連續墻最大水平位移

從圖7(a)-(c)中可以得到地下連續墻最大水平位移位置,當開挖深度為11 m、16 m和 21 m時,最大水平位移分別位于1.36倍、1.18倍和0.95倍開挖深度處。最大變形位置隨著基坑開挖深度變大而逐漸上移。鄧航、梁發和葉華等[13]監測位于濱江軟土地區的上海某變電站深基坑工程,監測數據表明:圍護結構側向位移隨開挖深度增大而增大,且最大側移均位于開挖面附近,計算結果與監測數據一致。產生這一規律是因為基坑開挖深度為11 m,其坑底位于③層淤泥質粉質黏土的軟弱土層。開挖深度為16 m、21 m的基坑,其開挖深度范圍內是③④層軟弱土層,開挖軟弱土層會使開挖面附近產生較大的墻體位移,開挖面以下墻體處于性質較好的⑤⑥⑦土層,墻體水平位移變小。對于開挖深度為11 m的地下連續墻其墻身基本處在②③④軟弱土層,開挖引起的變形大于開挖深度為16 m和21 m工況,且坑靠坑開挖耦合效應更明顯。因此對于深基坑開挖應重視③④層土開挖時引起的變形控制,這對控制基坑整體變形和保護周圍環境有重要意義。

3.2.3地下連續墻開挖耦合效應分析

圖8是不同基坑間距和不同開挖深度下雙基坑開挖與單一基坑(基坑1)開挖,地下連續墻最大側移的差值w同基坑間距s與開挖深度H比值的關系。從圖8中可知,保持開挖深度一定時,w隨著基坑間距s與開挖深度H比值的增大而減小,且減小幅度變緩。當基坑間距為4H時,三種開挖深度下,w分別為6 mm、4 mm、3 mm。當基坑間距達到10H時,三種開挖深度下,w均小于1 mm。在基坑間距相等的情況下,w隨著H增大而減小,且減小的幅度也是變緩。

圖9-(c)是不同基坑間距和不同開挖深度基坑開挖與單一基坑開挖,地下連續墻同一深度處水平位移差值y同深度T的關系。基坑開挖深度一定時,隨著基坑間距s增大,y不斷減小。當基坑間距s為4H和6H時,y隨墻深度方向不斷減小,最大差值在墻頂處;基坑間距s達到8H和10H,y隨墻深度方向基本不變。保持基坑間距不變,隨著基坑開挖深度的增加,y不斷減小。基坑間距為10H,三種基坑開挖深度下,地下連續墻同一位置處水平位移差值y均小于2 mm。

圖8 圍護墻最大水平位移差值同基坑間距與開挖深度比值的關系Fig.8 Relationship between maximum horizontal displacement difference and the ratio of spacing to excavation depth

圖9 地下連續墻同一深度處水平位移差值與深度關系Fig.9 Relationship betweenhorizontal displacement difference and depth of diaphragm wall at the same depth

3.3 墻后土體豎向位移

3.3.1單一基坑開挖完成墻后地表沉降形態

Heish和Ou[14]對10個臺北地區實際基坑工程研究分析,得出墻后的地表沉降形態與圍護結構變形形態有關,地表沉降形態分為凹槽形和三角形。凹槽形形態的產生是因為基坑開挖初期產生的圍護結構變形不大,對墻后土體的擾動不明顯,而后續開挖時,由于支撐的作用使得支撐處圍護結構的變形小于開挖面處的圍護結構變形,圍護結構變形對土體的較大擾動發生在深層土體處,這使得地表沉降最大值發生于距圍護墻后一定距離處,形成凹槽形曲線。本文中模擬的所有基坑工程都是先小開挖后加支撐再進行后續開挖,由于地表的小開挖所引起圍護墻變形不大,圍護墻的較大變形發生在后續施工,因此地連墻支護基坑的地表沉降曲線為凹槽形。

Hsieh和Ou[14]在提出墻后地表沉降凹槽形曲線的基礎上,又提出了主影響區域和次影響區域的概念,即在距離圍護結構2H范圍內的區域是沉降較大的主影響區域;在距圍護結構2H～4H的范圍內沉降較小為次影響區域,在大于4H以外的范圍沉降衰減為零。

3.3.2地表沉降開挖耦合分析

圖10(a)-(c)是不同基坑間距雙基坑開挖與單一基坑(基坑1)開挖地表沉降曲線的關系,墻后土體豎向位移dv同基坑間距s與開挖深度H比值的關系。從圖10中可以看出,保持基坑距離一定,地表豎向位移疊加效果隨著開挖深度的增加而減小。同時,在開挖深度不變的情況下,隨著基坑間距s/H變大,坑靠坑開挖耦合效應引起的豎向疊加位移變小,坑靠坑開挖耦合效應不斷減弱。當基坑間距為4H時,墻后豎向最大位移增加了10～20 mm,且最大豎向位移的位置在兩基坑的中間處,沉降曲線形態變為U形。當基坑間距為6H時,墻后豎向最大位移增加了4～6 mm,豎向位移疊加主要位于H～4H的影響區。當基坑間距為8H時,墻后豎向位移最大值及位置基本未變,豎向位移疊加主要位于2H～4H的次影響區,沉降曲線形態未變。當基坑間距為10H時,坑靠坑基坑開挖耦合效應對地下連續墻的影響基本消失。

在圍護結構和支撐系統剛度達到設計要求時,隨著開挖深度的增加,地下連續墻設計插入深度也會加大,基坑開挖深度為16 m,墻底位于性質較好的⑥層黏土層;基坑開挖深度為21 m,墻底處于⑦層粉砂土性質良好的土層。從圖4可以看出地下連續墻墻底移動很小,開挖深度為16 m、21 m的圍護墻轉動比開挖深度為11 m要小,地表沉降主要由圍護墻轉動引起[15]。所以保持基坑距離一定,地表豎向位移疊加效果隨著開挖深度的增加而減小。

圖10 地表豎向位移沉降曲線Fig.10 Vertical displacement curves of ground surface

圖11是不同基坑間距和不同開挖深度雙基坑開挖豎向位移與單一基坑(基坑1)開挖,距基坑1右側地下連續墻四倍開挖深度處豎向位移差值u同基坑間距s與開挖深度H比值的關系。當基坑間距為4H時,由于此處土體緊貼基坑2左側圍護墻限制了土體沉降,導致豎向位移差值不是最大。基坑間距在6H～10H之間變化時,隨著基坑間距的增大,豎向位移差值u不斷減小且減小幅度變緩。當基坑間距為6H時,三種開挖深度的豎向位移差值u分別為41 mm、29 mm、16 mm。當基坑間距達到10H時,三種開挖深度的豎向位移疊加值u均小于4 mm,坑靠坑開挖耦合效應引起的豎向位移基本消失。

圖11 豎向位移差值同基坑間距與開挖深度比值關系Fig.11 Relationship between vertical displacement difference and the ratio of spacing to excavation depth

4 結 論

本文建立了不同基坑間距和不同開挖深度的坑靠坑開挖模型,首先分析了單一基坑完成開挖后,其地下連續墻水平位移和地表沉降的形態,模擬計算值與實測值對比較吻合,驗證所建模型、土體本構模型以及土體參數具有較好的準確性。然后分析了后續基坑開挖對已開挖完基坑地下連續墻水平位移和地表沉降形態的影響及其開挖耦合效應影響范圍大小隨基坑間距變化的規律。得到主要結論:

(1) 后續基坑開挖對已開挖完基坑相鄰側地下連續墻水平位移疊加效應隨著基坑間距的增大而減小,且減小幅度變緩,當基坑間距為6倍開挖深度時,三種開挖深度下,地下連續墻同一位置處水平位移差值均小于3 mm,坑靠坑開挖耦合效應對地下連續墻影響消失。

(2) 后續基坑開挖對已開挖完基坑相鄰側4倍開挖深度內地表豎向位移疊加效應隨著基坑間距的增大逐漸變小,當基坑間距為10倍開挖深度時,三種開挖深度下,4倍開挖深度處的豎向位移疊加差值均小于4 mm,坑靠坑開挖耦合效應對地表豎向位移疊加效應消失。

(3) 當基坑間距大于10倍開挖深度時,不用考慮坑靠坑開挖耦合效應影響,坑靠坑工程中各子基坑圍護結構設計和對周圍環境保護措施都可按單一基坑實施。