非對稱堆載對坑中坑圍護結構的影響研究

饒凱

（江西贛江中醫藥科創城建設投資集團有限公司，南昌 330115）

1 引言

隨著我國基礎建設的迅速發展，地下空間得到不斷開發，基坑工程的數量日益增加，其中，坑中坑式基坑也越來越常見。龔曉南[1]等最初對坑中坑進行了分類歸納，越來越多的學者已經意識到坑中坑問題不容忽視；申明亮[2]等通過采用有限元軟件ANSYS建立典型坑中坑數值模型，得出了坑中坑開挖過程中最敏感的應力區；豐土根[3]等編制了有限元計算程序建立坑中坑模型，得出坑址系數，深度比及面積比等對圍護結構變形的影響規律；陳樂意[4]等對軟土地區進行了基坑數值模擬，研究了開挖深度的選取和坑中坑位置對圍護結構水平位移的影響。本文采用有限元分析軟件PLAXIS對坑中坑在非對稱堆載條件下開挖進行了數值模擬，研究了整個支護結構的受力與變形。

2 工程概況

以南昌某坑中坑工程為例，外坑寬度B=30 m，開挖深度H=8.8 m，外坑地連墻嵌入深度D=17.2 m，內坑寬度b=16.0 m，內坑開挖深度為h=7.4 m，內墻嵌入深度為d=8.6 m。圖1為該坑中坑的示意圖。外坑地連墻采用厚為0.8 m的地下連續墻作為支護結構；外坑設置了1道鋼筋混凝土支撐和兩道鋼支撐，內坑設置了1道鋼筋混凝土支撐和1道鋼支撐。

圖1 坑中坑示意圖

3 模型試驗

3.1 試驗材料

模型箱、沙子、有機玻璃棒、PVC塑料管、三合板、熱熔膠、百分表、應變片、采集儀、砝碼。

3.2 試驗步驟

在模擬樁上架設傳感器→填埋砂體（夯實）→架設百分表→放置堆載→儀器連接開始監測→開挖并記錄數據。試驗圖片如圖2、圖3所示。

圖2 地表沉降測點布置實物圖

圖3 堆載示意圖

3.3 結果分析

地表沉降隨工況變化曲線如圖4所示。由圖可知，隨著堆載數量的增加，地表呈現懸臂式沉降規律；隨著堆載的增加，堆載對地表沉降的影響范圍也逐漸增大，地表最大變形發生在基坑邊緣5～10 cm處。

圖4 地表沉降變化曲線

不同工況下，樁體水平位移圖見圖5所示，由圖可知，隨著堆載的增大，外坑樁體水平位移整體呈現增大的趨勢，外坑樁體的水平位移隨深度呈現弓字形趨勢，最大位移均在樁深0.4 m處。

圖5 樁體水平位移圖

4 有限元數值模擬研究

4.1 計算模型

本文采用的計算模型如圖6所示。通過改變坑中坑兩側的荷載，分別設計4種不同的坑外堆載P1、P2組合（P1=P2=10 kPa；P1=20 kPa，P2=10 kPa；P1=30 kPa，P2=10 kPa；P1=40 kPa，P2=10 kPa）考察基坑開挖至內坑坑底時，非平衡堆載對坑中坑支護結構的影響。

圖6 有限元模型

4.2 計算結構及分析

4.2.1 外坑地連墻水平位移分析

當基坑開挖至內坑坑底時，左側地連墻在4種不同的坑外堆載P1、P2組合下的水平位移如圖7所示。

圖7 左側地連墻水平位移圖

右側外坑墻體外的堆載P2保持不變，伴隨著左側堆載P1的增加，外坑左側地連墻的水平位移整體逐漸增大，堆載P1為40 kPa時，相對于堆載P1為10 kPa時增大了19.33%。

4.2.2 外坑地連彎矩最大值分析

表1為基坑開挖至內坑坑底時外坑地連墻在4種不同的坑外堆載P1、P2組合下的彎矩最大值。通過模擬可知在不同超載組合下，左右兩側地連墻的彎矩（M1，M2）變化規律基本一致。提取有限元模擬數據，得到4種不同的坑外堆載P1、P2組合下地連墻彎矩最大值見表1。

表1 墻體最大彎矩

從表1可知，隨著超載P1的不斷增大，左側地連墻彎矩最大值逐漸增大，右側地連墻彎矩最大值逐漸減少。在實際工程中，當兩側的圍護結構最大彎矩值相差較小時，為了施工方便，設計其配筋時可以按照最大彎矩值進行設計。從表1可知，當左側超載P1≤30 kPa時，兩側地連墻彎矩最大值變化率＜10%，差值較小，可忽略不計；當左側超載P1≥40 kPa時，兩側地連墻彎矩最大值變化率＞10%，應分別考慮墻體兩側彎矩，找到最優方案，減少工程造價成本。

5 結語

1）開挖坑中坑式基坑時，在外坑不平衡堆載的情況下，左側地連墻的側向位移隨著左側超載P1的增大而整體增大。

2）在不同的外坑超載組合下，隨著左側外坑超載不斷增大，左側灌注樁的水平位移不斷增大，發生最大水平位移的逐漸上移。

3）在不同的外坑超載組合下，地連墻彎矩最大值發生位置基本相同，左側超載≤30 kPa，左右地連墻彎矩差值不大，可以采用傳統的對稱方法進行設計。左側超載為40 kPa、右側超載保持不變時，左右地連墻的差距率＞10%，應分別考慮其設計優化方案。

4）左右側灌注樁的彎矩基本相同，彎矩隨超載的增大基本保持不變。并且發生最大彎矩時的位置基本相同，因此，說明外坑外的堆載對內坑圍護結構的影響比較小。