熊中華

(河海大學(xué) 巖土工程研究所， 江蘇 南京 210098)

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的日益發(fā)展，高層建筑、地下商場、交通樞紐等工程逐漸增多，城市地下空間得到不斷開發(fā)，基坑工程的數(shù)量也因此迅速增大。為了滿足建筑物施工與使用過程中的各種需求，需要在原有基坑內(nèi)部進(jìn)行二次開挖，以得到能容納地下室、電梯井、承臺等結(jié)構(gòu)的內(nèi)部小坑，稱為坑中坑或內(nèi)坑?？又锌邮交硬煌诔Ｒ?guī)基坑，如圖1所示，目前學(xué)術(shù)界對坑中坑式基坑的研究甚少，成果不多。龔曉南院士[1]曾結(jié)合上?；庸こ淌鹿瘦^早提出對坑中坑基坑工程進(jìn)行研究；吳銘炳[2]在充分考慮內(nèi)坑、外坑相互影響的情況下，對軟土地基坑中坑支護(hù)設(shè)計計算深度的取值進(jìn)行了探討；徐意智[3]針對坑中坑工程設(shè)計中選取大基坑計算深度時所面臨難題，提出了等效計算深度的概念并驗證了其可行性。與常規(guī)基坑相比，坑中坑式基坑內(nèi)坑的開挖打破基坑內(nèi)部應(yīng)力平衡，應(yīng)力重新分布并形成二次應(yīng)力場，嚴(yán)重影響基坑的整體穩(wěn)定性[4]。但由于通常情況下內(nèi)坑開挖范圍較小，容易為工程設(shè)計人員所忽略而按照常規(guī)基坑進(jìn)行設(shè)計，造成基坑工程事故[5,6]。文獻(xiàn)[6]展示了一個坑中坑工程事故實例，由內(nèi)坑開挖所導(dǎo)致的土體開裂寬度達(dá)170 mm，最大地面沉降竟達(dá)300 mm。由此可見，內(nèi)坑開挖對整個基坑的變形影響深重，應(yīng)當(dāng)引起重視。一些學(xué)者通過不同方式對內(nèi)坑開挖引起基坑變形的特性進(jìn)行了研究[7,8]，獲得了一些有益的成果。但是這些研究并沒有考慮到大量坑中坑式基坑工程內(nèi)坑開挖位置、深度、面積等因素的隨機(jī)性，所有工程中的內(nèi)坑不可能都出現(xiàn)在同一個位置。因此，有必要在充分考慮上述因素的情況下對內(nèi)坑不同開挖位置、開挖深度、開挖面積時基坑的變形進(jìn)行分析，以便探究內(nèi)坑開挖影響下的坑中坑式基坑變形特性。

圖1 坑中坑式基坑剖面

1 內(nèi)坑開挖對外坑變形影響機(jī)制

內(nèi)坑處于外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的被動側(cè)，內(nèi)坑的開挖使得外坑被動土壓力區(qū)土體卸載，圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)附近土體水平方向應(yīng)力水平減小，而豎向應(yīng)力保持不變。主被動區(qū)土壓力平衡破環(huán)，應(yīng)力重新分布，被動區(qū)土壓力合力作用點降低，削弱被動區(qū)土體阻止圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移及轉(zhuǎn)動的抗力，而抗力的喪失將直接導(dǎo)致墻體側(cè)移增大，進(jìn)而加劇墻體外側(cè)地面的沉降。當(dāng)內(nèi)坑小而淺，離圍護(hù)結(jié)構(gòu)又較遠(yuǎn)時，內(nèi)坑的開挖對被動區(qū)土壓力分布的擾動較小，引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移及地面沉降較小。當(dāng)內(nèi)坑深而大，距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)又較近時，被動區(qū)土壓力分布劇烈變化，主、被動區(qū)土壓力失衡，將導(dǎo)致過大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移及地面沉降，嚴(yán)重的將導(dǎo)致基坑整體失穩(wěn)破壞。

2 坑中坑參數(shù)及有限元模型

運用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬分析。ABAQUS擁有能夠真實反映土體性狀的本構(gòu)模型，具有強(qiáng)大的接觸面處理功能，能很好的模擬土與結(jié)構(gòu)之間的相互作用，對巖土工程具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

圖2 有限元模型

為了便于分析，有限元模型暫考慮單一內(nèi)坑的情況。土體簡化成均質(zhì)土體，參數(shù)如表1所示，其中修正劍橋模型參數(shù)由三軸壓縮試驗獲取?？又锌邮交佑邢拊Ｐ腿鐖D2所示，挖深H=10 m，挖寬B=32 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用80 cm厚地下連續(xù)墻，插入外坑底部以下8 m，彈性模量E=20 GPa，混凝土支撐截面尺寸為80 cm×80 cm。內(nèi)坑開挖前分三步開挖外坑土體：在0 m處設(shè)置第一道水平支撐，開挖至-3 m；設(shè)置第二道支撐，開挖至-6 m；設(shè)置第三道支撐，開挖至-10 m。土體采用CPE4單元，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用B21單元，支撐采用二維桿單元。內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用60 cm厚地下連續(xù)墻，彈性模量E=20 GPa。運用修正劍橋模型進(jìn)行模擬。為盡量減小邊界條件對計算結(jié)果的影響，模型坑外土體寬度方向延伸至距離外坑坑壁8H處，并約束兩側(cè)邊水平方向位移，深度方向取4H，并約束底部水平和豎向兩個方向的位移。

表1 土的參數(shù)

3 內(nèi)坑開挖引起的外坑變形特性

圖3～5為內(nèi)坑開挖前各開挖步土體所產(chǎn)生的水平位移云圖(模型右半部分)，圖6為內(nèi)坑開挖前各步開挖所引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移，圖7為圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩分布圖，圖8～10為內(nèi)坑開挖前各開挖步土體豎向位移云圖，圖11為內(nèi)坑開挖前各步開挖所引起的地面沉降曲線。

圖3 第一步開挖土體水平位移

圖4 第二步開挖土體水平位移

圖5 第三步開挖土體水平位移

圖6 各步開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移

圖7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩分布

圖8 第一步開挖土體豎向位移

圖9 第二步開挖土體豎向位移

圖10 第三步開挖土體豎向位移

圖11 各步開挖地表沉降量

由圖6、圖7、圖11可知：

(1)開挖深度對圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及地面沉降影響顯著，隨著深度的增加兩者都顯著增大。

(2)第一步開挖最大位移發(fā)生在開挖面之下，第三步開挖最大位移發(fā)生在開挖面之上附近，這可能與支撐具體位置及圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)。第一步開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移發(fā)生在-7m處，最大彎矩發(fā)生在-6 m處；至第三步開挖最大位移發(fā)生在-8 m處，最大彎矩發(fā)生在-9 m處。最大位移發(fā)生位置在最大彎矩發(fā)生位置附近，內(nèi)力與變形情況相符。

(3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移發(fā)生在地表以下0.7H～0.8H處，隨著開挖深度增加，發(fā)生位置略有下降；地表沉降最大值發(fā)生在距坑壁約0.7H處，位置幾乎不變，兩者最大位移發(fā)生位置尺寸相當(dāng)。

3.1 坑趾系數(shù)的影響

圖12對圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響

圖13對地表沉降量的影響

3.2 深度比的影響

圖14 α對圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響

圖15 α對地表沉降量的影響

由圖14、圖15可知圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及地表沉降量與深度比α呈正相關(guān)關(guān)系，α越大，外坑變形越大。由圖3可知內(nèi)坑開挖前圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移為41.6 mm，α取值為0.2、0.4、0.6時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移分別為43.2 mm、47.0 mm、53.3 mm，增幅依次為3.8%、13.0%、28.1%。由圖6可知內(nèi)坑開挖前，地表最大沉降量為21.6 mm，α取值為0.2、0.4、0.6時，地表最大沉降量分別為22.4 mm、24.6 mm、27.9 mm，增幅依次為3.7%、13.9%、29.2%。可見圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移和地表最大沉降量隨著α的增大都急劇增大，呈現(xiàn)“加速”增長趨勢，當(dāng)α=0.6時的增幅幾乎與開挖一整層土產(chǎn)生的變形相當(dāng)。分析可知，在離外坑壁較近的位置開挖深度較大的內(nèi)坑時，本質(zhì)上是減小外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的有效插入深度，這對外坑抵抗側(cè)向位移及地表沉降是非常不利的，同時這也是文獻(xiàn)[2，3]尋求圍護(hù)結(jié)構(gòu)等效深度計算方法的初衷。工程實際中建議嚴(yán)格控制內(nèi)坑的開挖深度，采取適當(dāng)?shù)膬?nèi)坑支護(hù)措施，或者在設(shè)計中加大外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度來改善深內(nèi)坑開挖對外坑變形的不利影響。

3.3 面積比的影響

固定深度比α為0.4，面積比β取值分別為0.25、0.50、0.75，得到面積比影響下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及地表沉降曲線的變化，如圖16、17所示。

圖16 β對圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響

圖17 β對地表沉降量的影響

由圖16、圖17可知面積比影響下，外坑的變形趨勢與深度比的影響類似，隨著β的增大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移和地表最大沉降量都明顯增大：當(dāng)α由0.25增大到0.5時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移增大3.2%，地表最大沉降量增大3.5%，而當(dāng)α由0.5增大到0.75時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移增大7.4%，地表最大沉降量增大7.7%?？梢?，面積比影響下外坑的變形也呈現(xiàn)“加速”增長趨勢。經(jīng)分析，面積比對外坑變形的影響機(jī)理可能與深度比的影響機(jī)理稍有差別：面積比的增大不僅能顯著減小外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的有效插入深度，而且大面積的垂向卸荷改變坑底原始應(yīng)力狀態(tài)，增大上下土面應(yīng)力差(文獻(xiàn)[4]也指出各因素中面積比對應(yīng)力場擾動最大)，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)外圍土體產(chǎn)生側(cè)向剪切應(yīng)變，增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移趨勢，最終也導(dǎo)致坑外地表沉降增大。建議工程實際中，在不更改原有設(shè)計的情況下盡量縮減內(nèi)坑的開挖面積，并做好內(nèi)坑的支護(hù)措施，以達(dá)到抑制外坑變形增大的目的。

4 結(jié) 論

(3)較大的深度比將嚴(yán)重減小外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的有效插入深度，對外坑的變形與穩(wěn)定非常不利。

(4)大面積的內(nèi)坑開挖不但減小外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的有效插入深度，而且引起較大的外坑側(cè)向剪切變形及地表沉降。

本文未討論有限元模型參數(shù)變化對基坑變形特性的影響。筆者曾改變土的參數(shù)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移及地表沉降具體大小有所改變，但最終分析得出的基坑變形特性與上述四點是相同的。

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