同步實施的相鄰基坑相互作用機理

隨著我國城市化進程的不斷加快和地下空間的大規模開發利用，基坑工程作為城市建設的重要手段，數量越來越多，面積越來越大，施工越來越復雜.一方面，由于基坑數量增多，城市用地緊張，許多基坑不得不與其他基坑相鄰；另一方面，為了減小超大基坑的變形及其對周圍環境的影響，需要將超大基坑劃分為相鄰基坑進行施工.因此，相鄰基坑工程日益增多.許多相鄰基坑工程往往采用同步實施的施工方法，從而加快建設進程，而同步實施的相鄰基坑的受力變形特性與單個基坑存在較大差異，這一問題引起了學者們的廣泛關注.

理論研究方面，岳樹橋等采用薄層單元法，推導了相鄰基坑間有限寬度土體的主動土壓力計算公式.陳小雨等根據極限平衡理論，得到了相鄰基坑相互影響的臨界間距表達式.現場實測方面，Zeng等根據監測數據，對相鄰基坑的圍護墻水平位移、墻頂垂直位移及地表沉降等變形特性進行了研究.李成巍等則提出了相鄰基坑同步實施的總體思路和技術措施，并通過實測數據驗證了方法的可行性和有效性.數值分析方面，李明廣重點關注開挖方式和基坑間距等因素對相鄰基坑的影響.葉建峰等對相鄰基坑的失效機理和破壞模式進行了分析.盡管許多學者從多種角度對同步實施的相鄰基坑展開了研究，但相鄰基坑的相互作用機理尚不清晰，阻礙了工程實踐的發展.

本文采用數值方法，首先通過工程實例對計算方法進行驗證，在此基礎上建立起基于小硬變硬化(HSS)本構模型的相鄰基坑理想模型，通過對比單個基坑模型和不考慮墻土摩擦的相鄰基坑模型，得到了同步實施的相鄰基坑的受力變形特性.基于土拱效應原理，揭示了相鄰基坑相互作用機理，并研究了基坑間距對基坑受力變形的影響規律.

1 計算方法驗證

1.1 工程概況

在上海世界博覽會B片區地下空間工程中，基坑C1和基坑D被一條道路分隔而形成相鄰基坑，剖面如圖1所示.基坑C1的開挖深度為15.45 m，其地下連續墻長31.9 m，厚0.8 m；基坑D的開挖深度為18.50 m，其地下連續墻長40.9 m，厚1 m.基坑C1和基坑D分別設置3道和4道鋼筋混凝土支撐，并分4層和5層開挖.兩基坑幾乎同步實施，并在基坑開挖前中間道路的施工已完成.Zeng等對該工程進行了詳細報道，本文不再贅述.

1.2 數值模擬

為了消除邊界對基坑的影響，墻A至模型左側邊界的距離和墻D至模型右側邊界的距離均超過5倍開挖深度.圍護墻和道路板采用板單元模擬.混凝土支撐采用點對點錨桿模擬.在Plaxis 2D中點對點錨桿無重度，所以未模擬立柱.鉆孔灌注樁采用嵌入式梁單元模擬.混凝土的彈性模量取25 GPa，泊松比取0.2.為考慮汽車荷載、材料堆積荷載等因素的影響，在兩基坑中間和基坑D右側施加20 kPa的豎向荷載.

根據實際施工過程確定施工步：首先開挖基坑C1的第1層土，再開挖基坑D的第1層土，之后依次同步開挖兩基坑的第2、第3、第4層土.由于基坑C1和基坑D為基坑群中的兩個子基坑，兩基坑在其第4層土開挖結束后受到了周圍基坑開挖的顯著影響，故本文不考慮基坑D第5層土的開挖.

1.3 結果驗證

圖2所示為分別位于墻A、墻B和墻D上的3個測點的實測數據與相應數值模擬結果的對比，圖中為水平位移，C1-3表示基坑C1開挖第3層土，其余類似.由圖2可以看出，數值模擬結果與實測數據整體吻合較好，驗證了本文建模方法和模型參數的合理性和準確性.

當=05時，土體寬度進一步減小，由墻體不均勻變形引起的土拱效應進一步減弱，墻B上部向坑外的位移對土壓力的影響越來越大，因此墻B上部所受土壓力并未減小，反而因承受被動土壓力而增大.在考慮墻土摩擦的情況下，由于基坑間距減小，坑間地表沉降增大，由墻土摩擦引起的土拱效應增強，所以開挖面附近墻B所受土壓力減小，而當不考慮墻土摩擦時，墻B在開挖面附近所受的土壓力增大.

2 理想模型及其變形特性

對于由墻土摩擦引起的土拱效應，Handy提出了小主應力拱跡線理論，墻后土體的應力狀態可用圖6(a)所示的莫爾圓表示.圖中，為大主應力，為小主應力，為切應力，為水平正應力，為豎向正應力，為墻土摩擦角，為大主應力與水平方向的夾角.由此可知小主應力跡線為一條向下彎曲的曲線.對于由墻體不均勻變形引起的土拱效應，根據Handy的小主應力拱跡線理論，最后一道支撐處土體的應力狀態可用圖6(b)所示的莫爾圓表示.圖中，為土體內摩擦角，為小主應力與豎直方向的夾角.由此可知大主應力跡線為一條凸向坑外穩定土體的曲線.因此，主應力旋轉角能夠直接反映土拱效應的變化.在最后一道支撐附近，上下土層之間發生土壓力轉移，主應力旋轉明顯，因此選擇9 m深度處觀察坑間土體主應力旋轉角的變化，如圖7所示.圖中，為點到墻B的距離，為主應力旋轉角，規定主應力順時針旋轉為正，逆時針旋轉為負.由于主應力旋轉角成中心對稱，所以只取=(0～05)進行分析.

Zhang等認為同步實施的相鄰基坑不存在相互影響的臨界間距約為1.7，陳小雨等則認為土壓力的臨界間距約為2，墻體變形的臨界間距約為3.基于此，本文選取單獨開挖、=15和=05共3個代表工況分析基坑的受力變形特性.圖4所示為開挖至坑底時圍護墻的水平位移，規定向基坑內的變形為正，向基坑外的變形為負.當=15時，墻A和墻B的水平位移最大值均大于單獨開挖時的水平位移最大值，墻A頂部向基坑內移動，墻B頂部向基坑外移動，從基坑變形的角度看，兩基坑向中間傾斜.當=05時，墻A的水平位移最大值進一步增大，而墻B的水平位移最大值減小，并且小于單獨開挖時的水平位移最大值，兩墻的墻頂位移與=15時的墻頂位移大致相同.

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3 相鄰基坑相互作用機理

3.1 土壓力分布

由圖5(b)可知，當=05時，在考慮墻土摩擦的情況下，土壓力并沒有進一步向線性分布發展，而是回到R型分布.在不考慮墻土摩擦的情況下，墻B上部所受土壓力減小，開挖面附近所受土壓力增大.

圖5所示為3個代表工況下圍護墻所受土壓力的分布圖.由圖5(a)可知，在考慮墻土摩擦的情況下，單獨開挖時，圍護墻所受土壓力呈R型分布.當=15時，與單獨開挖相比，墻B上部所受土壓力減小，開挖面附近所受土壓力增大，土壓力分布由R型分布向線性分布發展.在不考慮墻土摩擦的情況下，單獨開挖和=15時的土壓力均大于相應的考慮墻土摩擦時的土壓力.

圖5(c)為在考慮墻土摩擦時單獨開挖、=15和=05的土壓力對比.可見，隨著基坑間距的減小，土壓力分布先由R型分布向線性分布發展，再回到R型分布.

3.2 土拱效應對土壓力的影響

圖9所示為水平位移最大值隨間距的變化，圖中為不同間距下的水平位移最大值，為單獨開挖時的水平位移最大值.可知，隨著基坑間距減小，墻B的水平位移最大值先增大后減小，墻A的水平位移最大值不斷增大.兩墻水平位移最大值的變化規律與其在14 m深度處所受土壓力的變化規律基本一致.

當=15時，與單獨開挖相比，作用在墻B上的土體寬度減小，導致土層之間的摩擦力減小，由墻體不均勻變形引起的土拱效應減弱，被支撐土體和開挖面附近土體之間的土壓力轉移減弱，所以土壓力趨近于呈線性分布.在考慮墻土摩擦的情況下，土體中的部分應力向墻體轉移，因此單獨開挖和=15時的土壓力均小于相應的不考慮墻土摩擦時的土壓力.

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3.3 主應力旋轉

根據實際工程建立的數值模型存在許多干擾因素，因此本文以上述模型為基礎，通過適當調整參數建立如圖3所示的理想模型.在該模型中，兩側邊界為法向約束，底部邊界為全約束.左右兩基坑完全相同，寬度為100 m，開挖深度為14 m.分4層同步開挖，每層分別開挖2、4、4及4 m.設置3道支撐，3道支撐所在深度分別為1、5及9 m.圍護墻深度均為30 m，厚度均為0.8 m，非相鄰圍護墻稱為墻A，相鄰圍護墻稱為墻B，基坑間距記為.為了研究相鄰基坑相互影響機理，本文還建立了單獨開挖的基坑模型，并且通過控制圍護墻界面單元摩擦角為0°，建立了不考慮墻土摩擦的基坑模型.后文中若無特別說明，分析均針對考慮墻土摩擦的情況.

在考慮墻土摩擦的情況下，當=15時，緊靠墻B處墻土摩擦導致主應力順時針旋轉，主應力旋轉角為正值；隨著的增大，墻土摩擦作用減弱，土層之間的摩擦作用導致主應力逆時針旋轉，因此在01范圍內，主應力旋轉角強烈變化，由正值變為負值；在01～05范圍內，隨著的進一步增大，上下土層之間的摩擦作用逐漸減弱，主應力旋轉角逐漸減小為0°=05時，由墻土摩擦引起的土拱效應較強，主應力旋轉角主要為正值且大致成線性變化不考慮墻土摩擦的情況下，=15和=05時，緊靠墻B處主應力旋轉角明顯減小，而=05時主應力旋轉角依然為正，可能是因為受上部土體大主應力為水平方向(90°)的影響.

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4 基坑間距影響分析

建立多個不同間距的相鄰基坑模型，研究基坑間距對基坑受力變形的影響.4.25 m位于第一道支撐和第二道支撐之間且靠近第二道支撐(見圖5)，14 m 為最終開挖面所在的深度.取兩處作為典型深度研究墻A和墻B所受土壓力隨間距的變化，如圖8所示，圖中為單獨開挖時的土壓力.可知，隨著基坑間距的減小，墻B在4.25 m深度處所受的土壓力先減小后增大，在 14 m 深度處所受的土壓力先增大后減小.由墻體不均勻變形引起的土拱效應的減弱和由墻土摩擦引起的土拱效應的增強導致了墻B在兩典型深度處所受土壓力的變化.隨著基坑間距的減小，墻A在4.25 m深度處所受的土壓力略有增大，在14 m深度處所受的土壓力先減小后略有增大，墻A所受土壓力的變化則是兩墻變形協調的結果.

土拱效應是影響土壓力大小和分布的重要因素.文獻[11]認為土拱效應是土工試驗中最普遍的現象之一.基坑圍護墻后也存在土拱效應.當圍護墻由靜止狀態向主動極限狀態發展時，墻后土體相對于圍護墻和滑裂面向下運動，墻土摩擦角和土體內摩擦角的發揮導致應力重分布.此外，Hashash等發現，對于設置內支撐的柔性圍護結構，墻體的不均勻變形和圍護墻側向剛度的變化，被支撐土體和其下方土體之間也存在土拱效應，支撐下方土體的部分應力會轉移至被支撐土體.因此，單獨開挖時圍護墻所受土壓力呈R型分布.對于圍護結構為柔性的相鄰基坑，在坑間土體中會出現兩種土拱效應的疊加.

可將變化曲線大致劃分為3部分：當≥25時，墻A和墻B水平位移最大值基本不變；當10≤<25時，兩墻水平位移最大值均大于單獨開挖時的水平位移最大值，但變化量較小；當<10時，水平位移最大值發生顯著變化，并且與單獨開挖相比，墻A水平位移最大值增大，墻B水平位移最大值減小.

5 結論

本文依托實際工程，采用數值模擬的方法，得到了同步實施的相鄰基坑的受力變形特性，揭示了相鄰基坑相互作用機理，研究了基坑間距對基坑受力變形的影響規律，得出以下主要結論.

另外，紙基地膜的纖維素材料具有一定的吸濕性能，不但具有調節土壤濕度的作用，而且空氣濕度也有一定的調節作用，可以有效抑制大棚中因過度潮濕而帶來的菌核病和灰霉病等病害的發生和傳播。

語篇銜接與人際意義——以外媒一篇關于“網絡戰爭”的新聞評論為例 ………………………… 戴禎瓊（6.41）

(1)坑間土體中存在兩種土拱效應，一種是由墻體不均勻變形引起的土拱效應，另一種是由墻土摩擦引起的土拱效應，兩者共同影響作用在圍護墻上的土壓力.隨著基坑間距的減小，由墻體不均勻變形引起的土拱效應減弱，導致開挖面附近土體向被支撐土體的土壓力轉移減弱.由墻土摩擦引起的土拱效應增強，導致作用在相鄰圍護墻上的土壓力減小.

(2)可能偏差。對于精煤段，這兩種旋流器5個粒級的可能偏差各有不同，但50～0.5 mm綜合粒級的可能偏差，三產品重介質旋流器為0.022 kg/L，而主再選兩產品重介質旋流器為0.033 kg/L，顯然前者優于后者。對于矸石段，50～0.5 mm綜合粒級三產品重介質旋流器的可能偏差為0.034 kg/L，主再選兩產品重介質旋流器的可能偏差為0.035 kg/L，從各粒級的情況來看，除了13～6 mm粒級以外，前者的可能偏差均優于后者。

(2)在兩種土拱效應的作用下，隨著基坑間距的減小，作用在相鄰墻體上的土壓力先由R型分布向線性分布發展，再向R型分布發展.非相鄰墻體水平位移最大值增大，相鄰墻體水平位移最大值先增大后減小，兩基坑向中間傾斜.

(3)水平位移最大值隨基坑間距的變化可以分為3部分：當≥25時，相鄰和非相鄰墻體的水平位移最大值基本不變；當10≤<25時，與單獨開挖相比，兩墻水平位移最大值均增大，但變化量較小；當<10時，水平位移最大值發生顯著變化，并且與單獨開挖相比，非相鄰墻體水平位移最大值增大，相鄰墻體水平位移最大值減小.