郭力群，程玉果，陳亞軍

（華僑大學 土木工程學院，福建 廈門361021）

隨著城市地下空間開發(fā)向著“綜合化、規(guī)模化、集約化、深層次和一體化”發(fā)展［1］，為縮短項目工期，在有限空間內同時或相繼開挖幾個基坑的情況越來越多，時間的交錯致使空間利用也出現交錯的現象.從上海黃浦區(qū)155地塊和軌道交通10號線南京東路站綜合開發(fā)項目10個相鄰基坑［2］、上海外灘通道綜合改造工程［3］等相鄰基坑工程的施工實踐來看，相鄰基坑在土體變形、支護結構內力及變形、降水措施安排，以及施工組織等方面都存在不可忽視的相互影響.相鄰基坑相繼或同步開挖的相互影響，國內外的研究較少.陳東杰［4］分析了基坑間距、開挖順序、開挖面大小、圍護墻剛度、土體加固等因素對基坑變形的影響；王顯星［5］研究表明土體開挖卸載對擬建基坑的影響比對已建成的基坑的影響要大，且開挖卸載對內側圍護墻的受力更為有利.陳書申［6］基于小變位土壓力理論提出了考慮相鄰基坑整體位移的穩(wěn)定分析方法.本文對相鄰基坑采用排樁支護同步降水開挖，并運用Z－Soil軟件進行數值模擬分析.

圖1 基坑圍護樁（墻）后地表沉降曲線Fig.1 Curve of surface settlement behind wall

1 相鄰基坑數值模擬

1.1 相鄰基坑沉降影響范圍

1998年，Hsieh等［7］根據大量基坑的實測資料，得出了基坑支護墻后地表沉降曲線，如圖1所示.該沉降曲線表明：坑外2H（H為基坑開挖深度）范圍內，為沉降強影響區(qū)；2H～4H范圍內，為沉降弱影響區(qū)；在坑外4H以外，地表沉降衰減到可以忽略的程度.

根據該沉降曲線，對不同間距下相鄰基坑的沉降曲線進行疊加可得到相鄰基坑坑間土堤的沉降曲線.若兩相鄰基坑尺寸相同、開挖深度相同、支護形式相同，且在兩基坑同步開挖的前提下，繪制出間距為1H～8H的相鄰基坑圍護墻后，坑間土堤地表的理想預測沉降曲線如圖2所示.為了對圖2的預測曲線進行驗證，采用巖土工程有限元軟件Z－Soil.PC建立二維固滲耦合有限元模型，對不同間距下相鄰基坑的變形性狀進行分析.

1.2 相鄰基坑模型概況

首先建立1個獨立基坑開挖的數值模型，并在此基礎上分別建立間距為1H～8H（H為基坑開挖深度）的相鄰基坑的數值模型.基坑開挖深度均為6m，基坑的寬度均為60m，采用直徑1m，間距1.5m的排樁支護.根據基坑之間的間距不同，坑間土堤的寬度為6～48 m.相鄰基坑開挖邊線距離模型邊界為40m，約為6倍基坑開挖深度；模型厚度為34m，約為5倍基坑開挖深度，根據經驗，可基本消除邊界的影響.模型兩邊的垂直邊界限制模型邊界的水平位移為0，并設定水力邊界條件，地下水位為地表下1m；模型底部同時設置水平和豎位移為0.其中，間距為4H的相鄰基坑的模型，如圖3所示.

1.3 計算工況

圖2 相鄰基坑間土堤地表沉降預測曲線Fig.2 Prediction curve of embankment′s surface settlementin adjacent pit

圖3 間距為4 H相鄰基坑數值模型Fig.3 Numerical model of adjacent pit of space 4 H

計算工況設計為兩個基坑同時降水開挖，采用Biot固結理論進行固滲耦合分析.1）工況0，計算初始地應力場，并將位移清零；2）工況1，同時施工兩個基坑的排樁；3）工況2，將兩個基坑的坑內地下水降至坑底1 m；4）工況3，兩個基坑開挖到底.

1.4 單元本構及計算參數

排樁采用線彈性的梁單元模擬，樁土間的接觸采用接觸單元模擬，降水引起的基坑內地下水位降低采用滲流單元模擬，土體采用連續(xù)體單元，選用軟件內置的小應變硬化土模型（HSS模型）進行模擬.HSS模型是由HS模型擴展而來的［8－13］，在描述土體的剪切應變、壓縮應變、小應變等方面具有優(yōu)勢.

在文獻［14］數值模型參數室內試驗的基礎上，結合《工程地質手冊》［15］以及Z－Soil內置的HSS模型參數估算程序，確定出土體的材料力學參數，如表1所示.表1中：h為土層層厚；γ為重度；e0為孔隙率；c為粘聚力；φ為內摩擦角；為卸載再加載模量為初始模量；為割線模量；H和M均為硬化參數．

表1 土體的材料力學參數Tab.1 Mechanical parameters of soil

2 結果與討論

2.1 相鄰基坑土體變形分析

間距為4H的相鄰基坑同時開挖后，其水平和豎向位移云圖如圖4所示.從圖4可知：土體的水平位移和豎向位移均以坑間土堤中線為中心左右對稱；基坑外兩側土體及坑間土堤土體均表現為沉降，坑底土體表現為隆起.坑間土堤的變形同時受“基坑1”和“基坑2”的影響，土體沉降和外側坑邊土體完全不同，坑間土堤土體的水平位移也比外側坑邊土體的水平位移小.

圖4 相鄰基坑水平（左）與豎向（右）位移云圖（4 H）Fig.4 Horizontal（left）and vertical displacement（right）displacement contours of adjacent pit（4 H）

2.2 相鄰基坑沉降影響范圍分析

從模擬結果中提取獨立基坑及不同基坑間距下坑間土堤的地表沉降曲線，如圖5所示.從圖5可知：獨立基坑開挖時，地表沉降曲線和圖1給出的統(tǒng)計曲線基本吻合.相鄰基坑開挖時，坑間土堤的沉降曲線以土堤中線為中心左右對稱，基坑間距為1H，2H時，土堤沉降較大；基坑間距為3H時，坑間土堤沉降較均勻，土堤大部分沉降約為最大沉降值的0.8倍；基坑間距為4H時，坑間土堤沉降較均勻，大部分沉降值為最大沉降值的0.6倍；基坑間距為5H～8H時，坑間土堤最大沉降與獨立基坑開挖的最大沉降值相等；土堤中線處沉降最小.

圖5 相鄰基坑坑間土堤地表沉降計算曲線Fig.5 Calculation curve of embankment surface settlement in adjacent pit

從圖5可知：坑間土堤沉降最大處均出現在距離坑邊約0.5H范圍內，這和單基坑模擬開挖的規(guī)律相符；當基坑間距大于4H時，坑間土堤中段的沉降曲線幾乎表現為上凸的拋物線；當基坑間距小于等于4H時，坑間土堤中段的沉降曲線幾乎為直線，說明沉降比較均勻.通過圖2與圖5對比可知：預測沉降曲線和計算沉降曲線差異較大.總體表現為預測值比模擬值大，基坑間距大于4H的土堤沉降曲線相似，基坑間距為小于4H的土堤沉降曲線差異大.這可能有如下2個主要原因.

1）圖1所示的沉降曲線為統(tǒng)計曲線，僅表示支護墻后土體沉降的總體趨勢；圖2的沉降預測曲線是在圖1的基礎上按照不同間距對土體沉降進行簡單疊加.基坑變形受水文地質條件及周邊環(huán)境的影響大，致使二者的沉降曲線產生明顯差異.

2）當相鄰基坑距離較近時，坑間土堤的土體寬度有限，基坑支護結構所受到的主動土壓力為有限土壓力；而圖2的沉降預測曲線是按照坑間土堤的主動土壓力為經典土壓力得出的.

2.3 基坑間距對支護樁的影響分析

為了進一步分析相鄰基坑的影響范圍，對圖3所示“基坑1”近端樁和遠端樁進行受力和變形分析.提取出不同間距下樁所受的主動土壓力分布圖及樁的彎矩圖，如圖6所示.從圖6可知：主動土壓力的分布形態(tài)不同，遠端樁的土壓力大于近端樁的土壓力；近端樁4H，6H土壓力分布接近，而近端樁2H不同，表現出有限土壓力的特征，與之對應2H情況下樁身彎矩也小.

提取出不同間距下樁的懸臂段和嵌固段的最大彎矩及樁頂的最大水平位移，如表2所示.表2中：分別為懸臂段和嵌固段最大彎矩；Δ為樁頂水平位移.

從表2可知，近端樁懸臂段的最大彎矩比遠端樁略小，這與獨立基坑不同.隨著基坑間距的增大，近端樁懸臂段的彎矩幾乎沒有變化.近端樁的嵌固段的最大彎矩和樁頂水平位移均比遠端樁小.隨著基坑間距的增大，遠端樁的彎矩和樁頂位移均無變化，表現出獨立基坑的性狀；當基坑間距小于等于4H時，近端樁嵌固段的彎矩隨著距離的增大而增大，樁頂位移也隨著距離的增大而增大；當基坑間距大于4H時，近端樁嵌固段的彎矩隨間距的變化極小，樁頂位移也幾乎沒有變化.

圖6 樁后主動土壓力及樁的彎矩圖Fig.6 Active soil pressure and the bending moment diagram of the piles

表2 樁的最大彎矩值與樁頂水平位移值Tab.2 Maximum bending moment of piles and the horizontal displacement of pile top

經歸一化處理后，近端樁與遠端樁在不同間距下的彎矩比和樁頂水平位移比，如圖7所示.從圖7可知：懸臂段的最大彎矩比接近于1，嵌固段的最大彎矩比與樁頂水平位移比均小于1，且二者變化趨勢幾乎相同，并隨著基坑間距的增大，兩個比值的增幅趨緩.

圖7 近端樁與遠端樁的對比圖Fig.7 Comparison between near pile and remote pile

從表2及圖7均可以看出：當基坑間距小于等于4H時，近端樁嵌固段的彎矩及樁頂水平位移變化較大；當基坑間距大于4H時，近端樁嵌固段的彎矩及樁頂水平位移變化均很小；懸臂段的彎矩則在整個過程相對穩(wěn)定，說明基坑間距變化對其影響不大.

相鄰基坑間距小于等于4H時，相鄰基坑對支護結構的內力和變形產生明顯的相互影響，近端樁的內力和變形可按有限土壓力理論進行分析，可減小樁身直徑和配筋；而當間距大于4H時，相鄰基坑的相互影響較弱，近端樁的內力變形分析可按獨立基坑處理.

3 結論

通過對不同間距下兩個相鄰基坑同步開挖的數值模擬，以及對坑間土堤地表沉降曲線的分析和對支護樁的彎矩和水平位移的對比分析，得出了如下3點結論.

1）近端樁懸臂段的彎矩均比遠端樁大，二者均不隨著坑間距變化.近端樁嵌固段彎矩及樁頂水平位移均比遠端樁小，且隨著基坑間距的增大而增大，但二者隨著基坑間距的增大，增幅均減小.

2）相鄰基坑間距小于等于4H時，坑間土堤需考慮相鄰基坑施工引起的共同沉降.進行支護結構受力分析及配筋時，可考慮采用有限土壓力理論計算，減小樁徑及配筋.相鄰基坑間距大于4H時，坑間土堤變形接近獨立基坑，對支護結構的內力及變形影響較小.

3）相鄰基坑間距小于等于4H時，相鄰基坑的的相互影響較強，可定義為強相互影響基坑；而間距大于4H時，相鄰基坑的相互影響較弱，可定義為弱相互影響基坑.

［1］錢七虎，陳曉強.城市化發(fā)展呼吁積極和科學開發(fā)利用城市地下空間［J］.科技導報，2010，28（10）：3.

［2］趙永光，耿進柱，趙興波.群坑開挖耦合效應及其對周邊環(huán)境影響的數值分析［J］.建筑施工，2009，31（3）：177－180.

［3］鄭晏華.上海外灘通道綜合改造工程中群坑施工的綜合組織策劃與環(huán)境保護［J］.建筑施工，2010，32（12）：1185－1186.

［4］陳東杰.上海鐵路南站相鄰基坑施工技術研究［D］.上海：同濟大學，2004：12－13.

［5］王顯星.開挖卸載對相鄰基坑圍護結構內力的影響［J］.鐵道建筑技術，2005（2）：46－49.

［6］陳書申，詹素華.開挖深度懸殊的相鄰基坑的支護結構穩(wěn)定分析［J］.福建建筑高等專科學校學報，2002，4（2）：63－65.

［7］HSIEH Pio－go，OU Chang－yu.Shape of ground surface settlement profiles caused by excavation［J］.Canadian Geotechnical Journal，1988，35：1004－1017.

［8］SCHANZ T，VERMEER P A，BONNINER P G.The hardening soil model：Formulation and verifacation［C］∥Beyond 2000in Computational Geotechnics.Rotterdam：［s.n.］，1999：281－297.

［9］VERMEER P A.Double hardening model for sand［J］.Geotechnique，1978，28（4）：413－433.

［10］OHDE J.Zur theorie der druckverteilung im baugrund［J］.Der Bauingenieur，1939，20：451－459.

［11］JANBU N.Soil compressibility as determined by oedometer and triaxial test［C］∥Proceedings of the 3rd European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Wiesbaden：［s.n.］，1963：19－25.

［12］BENZ T.Small strain stiffness of soils and its numerical consequences［D］.Stuttgart：University of Stuttgart，2006：75－91.

［13］MATSUOKA H，NAKAI T.Stress－deformation and strength characteristics of soil under three different principal stresses［J］.Japan Society of Civil Engineers，1974，232：59－70.

［14］程玉果.基于HSS模型的群體基坑開挖的性狀及相互影響分析［D］.泉州：華僑大學，2013：40－43.

［15］《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊［M］.4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：159－160.