軟土地區(qū)基坑分區(qū)開挖參數(shù)分析

黃沛，劉國彬，霍潤科

?

軟土地區(qū)基坑分區(qū)開挖參數(shù)分析

黃沛1，劉國彬1，霍潤科2

(1. 同濟大學(xué)地下建筑與工程系，上海，200092；2. 西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安，710055)

在敏感環(huán)境下施工時，為減小基坑開挖對臨近結(jié)構(gòu)的影響，常將深大基坑用分隔墻分割成若干個小基坑。以上海軟土地區(qū)某工程為背景，借助數(shù)值計算，分析深大基坑分區(qū)開挖時分區(qū)寬度、分區(qū)開挖次序和分隔墻插入比對臨近被保護結(jié)構(gòu)一側(cè)地下連續(xù)墻和墻后土體變形的影響。研究結(jié)果表明：當先遠后近(遠近相對于被保護結(jié)構(gòu)而言)方式開挖，分區(qū)寬度等于基坑開挖深度時，分區(qū)開挖的作用效果最好，此時墻體水平位移和墻后地表沉降比未分區(qū)時分別小39%和41%；當先近后遠的方式開挖時，分隔墻離基坑邊緣越近，分區(qū)開挖的作用效果越明顯；在同等分區(qū)寬度下，先遠后近開挖所引起的墻體變形和墻后地表沉降比先近后遠開挖的低；分隔墻的插入比對基坑圍護墻位移和墻后土體沉降影響比較小。

深基坑；分區(qū)；軟土

隨著城市快速發(fā)展，大型地下空間開發(fā)顯得越來越重要。受城市復(fù)雜的周邊環(huán)境和狹小空間的制約，這些大型地下空間在修建過程中往往不得不緊挨著周邊的高層建筑或者運營地鐵等敏感結(jié)構(gòu)。為了減小基坑開挖對臨近敏感結(jié)構(gòu)的影響，在施工過程中往往要采取一系列嚴格的變形控制措施。近年來,在軟土地區(qū)一些大型基坑開挖過程中，分隔墻得到了廣泛的使用，它可以將大型基坑分割為若干個小基坑，從而達到減小基坑開挖所引起的地層變形和方便施工的目的。目前對垂直于分隔墻一側(cè)圍護墻(圖1中的墻和)墻體變形以及墻后地表沉降，相關(guān)學(xué)者進行了大量的研究。Ou等[1?2]根據(jù)實測數(shù)據(jù)和數(shù)值計算，分析了分隔墻對基坑圍護結(jié)構(gòu)變形和墻后地表沉降的影響。Hsieh等[3]根據(jù)現(xiàn)場實測地下連續(xù)墻的測斜值分析了分隔墻與基坑外圍地下連續(xù)墻之間接頭對基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的影響。Hsieh等[4]結(jié)合連續(xù)梁的變形特性，提出了適用于平面應(yīng)變狀態(tài)下有分隔墻的基坑地下連續(xù)墻變形預(yù)測公式。Ou等[5?6]根據(jù)三維數(shù)值計算，分析了分隔墻間距、坑底以上分隔墻的高度、分隔墻的插入深度、坑角效應(yīng)、基坑寬度對基坑圍護墻水平位移的影響。Wu等[7]對比了11組有分隔墻和11組無分隔墻基坑的地表沉降和圍護墻水平位移，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，分隔墻可以有效地減小地下連續(xù)墻的水平位移及墻后的地表沉降。目前對采用分隔墻分區(qū)開挖時，人們對平行于分隔墻一側(cè)的圍護墻(圖1中的墻和)墻體變形及墻后土體沉降的研究還很少。在實際工程中被保護結(jié)構(gòu)位于平行于分隔墻一側(cè)的情況也很多。為了研究軟土地區(qū)基坑開挖過程中分隔墻和分區(qū)開挖對平行方向(圖1中的墻)圍護墻位移及墻后土體變形的影響，本文通過FLAC3D建立二維數(shù)值計算模型，根據(jù)25組數(shù)值計算結(jié)果，分析大型基坑采用分隔墻分區(qū)開挖時分區(qū)寬度(為分隔墻與被保護結(jié)構(gòu)一側(cè)基坑邊緣的間距)、分區(qū)開挖次序以及分隔墻插入比(為分隔墻插入深度，為基坑最終開挖深度)對基坑地下連續(xù)墻水平位移和墻后地表沉降的影響。

圖1 分區(qū)開挖示意圖

1 工程概況

本工程屬于上海市某大型地下停車庫的一部分。工程場地地貌類型單一，屬長江三角洲下游濱海平原地貌類型。土體主要由飽和黏土、粉土以及砂土組成。由工程現(xiàn)場勘探可知與工程建設(shè)密切相關(guān)的土體從上到下依次可以分為9層，各層土的層厚和物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。場地常年平均地下水水位埋深為地下0.3~1.5 m。根據(jù)現(xiàn)場水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，基坑開挖期間地下水水位變化不大。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

注：和s分別為土的重度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、孔隙比和彈性模量；，和為修正劍橋模型計算參數(shù)。

基坑的寬度和開挖深度分別為72 m和14.9 m，工程標準段橫斷面如圖2所示。基坑的外側(cè)圍護結(jié)構(gòu)采用厚度和深度分別為0.8 m和30 m的地下連續(xù)墻(墻和)。分隔墻的施工工藝和厚度與外側(cè)地下連續(xù)墻的相同，基坑被分隔墻分割為L區(qū)和R區(qū)(如圖2所示)2個基坑。每個區(qū)的支撐體系均采用三道鋼筋混凝土支撐，各道支撐的幾何尺寸、平均水平間距和支撐軸線標高如表2所示。基坑采用順做法施工，各區(qū)的開挖主要分為4個工況，每個工況的開挖深度如表3所示。

圖2 工程標準段斷面圖

表2 基坑支撐幾何參數(shù)

注：L區(qū)和R區(qū)如圖2所示，下表與此相同。

表3 基坑開挖主要工況

2 計算模型

計算模型如圖3所示，模型二維尺寸為232 m× 80 m。模型邊界距基坑圍護結(jié)構(gòu)80 m，坑底厚度取65 m[8?9]。模型底面為固定邊界，約束水平位移和豎直位移；側(cè)面和為位移邊界，約束水平位移；頂面為自由邊界。模型共有4 788個實體單元和150個結(jié)構(gòu)單元。

圖3 計算模型

2.1 計算假定

1) 計算采用總應(yīng)力法分析。由工程勘察可知上部黏土的透水性較差，因此，在計算過程中不考慮地下水滲流的影響。

2) 不考慮地下連續(xù)墻和分隔墻施工，以及基坑內(nèi)鉆孔灌注樁施工對初始應(yīng)力場的影響。

3) 為保證計算結(jié)果的可比性，在計算過程中，不考慮實際工程中坑底局部的地基加固，以及基坑周邊結(jié)構(gòu)下部群樁對基坑變形的影響。

2.2 單元類型及計算參數(shù)

地下連續(xù)墻和分隔墻用實體單元進行模擬，按彈性體考慮。考慮到現(xiàn)場環(huán)境對地下連續(xù)墻施工質(zhì)量的影響，混凝土彈性模量取18 GPa，泊松比取0.2。地下連續(xù)墻和分隔墻與土體之間的相互作用通過接觸面單元模擬，接觸面的法向剛度和切向剛度取周圍“最硬”相鄰區(qū)域等效剛度的10倍[10]；接觸面摩擦角取0.8倍的墻體周圍土體有效內(nèi)摩擦角[11]。混凝土支撐用beam單元進行模擬，混凝土支撐彈性模量取18 GPa，泊松比取0.2。基坑內(nèi)格構(gòu)柱和鉆孔灌注樁采用Pile單元模擬，樁土之間摩擦角取0.7倍的樁周土體有效內(nèi)摩擦角，樁法向剛度和切向剛度取周圍“最硬”相鄰區(qū)域等效剛度的10倍[12]。基坑的開挖和底板澆筑用空模型進行模擬。

在分析過程中，土體本構(gòu)采用修正劍橋模型(MCC)，修正劍橋模型[13]的相關(guān)計算參數(shù)根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告計算和文獻[14?15]確定，各參數(shù)取值如表1所示。

2.3 主要研究參數(shù)

本文主要研究基坑分區(qū)開挖對左側(cè)地下連續(xù)墻(墻)水平位移和墻后地表沉降的影響，在計算分析中主要變換的參數(shù)如下。

1) 基坑分區(qū)寬度取0.5(為基坑最終開挖深度)，1.0，1.5，2.0，2.5和3.5。

2) 開挖次序：R區(qū)開挖結(jié)束后開挖L區(qū)(先遠后近)和區(qū)開挖結(jié)束后開挖R區(qū)(先近后遠)。

3) 分區(qū)寬度=時，分隔墻插入比取0.62，0.69，0.77，0.9，1.0，1.2和1.47。

3 計算結(jié)果分析

為了體現(xiàn)分區(qū)開挖對基坑圍護結(jié)構(gòu)及墻后地表變形的影響，在分析中加入未分區(qū)開挖時基坑圍護墻水平位移曲線和墻后地表沉降曲線。

3.1 分區(qū)寬度的影響

不同分區(qū)寬度下基坑開挖結(jié)束后地下連續(xù)墻最大水平位移曲線如圖4所示。不同分區(qū)寬度下基坑開挖結(jié)束后基坑圍護墻后最大地表沉降曲線如圖5所示。

(a) 先遠后近；(b) 先近后遠

(a) 先遠后近；(b) 先近后遠

由圖4(a)和圖5(a)可知：對先遠后近的開挖方式，當分區(qū)寬度=時，地下連續(xù)墻的水平位移和墻后的地表沉降最小。說明對先遠后近開挖，當分區(qū)寬度為1.0倍基坑開挖深度時，基坑開挖對臨近地層產(chǎn)生的影響最小；當=時，墻的水平位移比未分區(qū)時小39%，墻后的地表沉降比未分區(qū)時小41%；當=0.5時，墻的變形和墻后地表變形比=時略大；當＞時，墻和墻后地表的變形隨著分區(qū)寬度的增加而增加；當=3.5時，圍護墻變形和地表沉降接近于未分區(qū)時的變形。

由圖4(b)和圖5(b)可知：對先近后遠的方式，當分區(qū)寬度為0.5時，地下連續(xù)墻的水平位移和墻后的地表沉降最小，此時，墻的水平位移和墻后地表沉降比未分區(qū)時分別小15%和19%；隨著分區(qū)寬度的增加，墻的水平位移和墻后地表沉降也逐漸增加。這說明先近后遠開挖時，較小的分區(qū)寬度有利于減小基坑開挖對臨近地層產(chǎn)生的影響。

3.2 開挖次序的影響

圖6所示為分隔墻插入比=1時，不同開挖次序下地下連續(xù)墻最大水平位移隨分區(qū)寬度變化。由圖6可知：在分區(qū)寬度相同時，先遠后近開挖所引起的地下連續(xù)墻水平位移比先近后遠開挖時的小；當=時，先遠后近開挖引起的最大地下連續(xù)墻水平位移比先近后遠小28%。

圖6 分區(qū)開挖次序?qū)Φ叵逻B續(xù)墻(AC)水平位移的影響

圖7所示為分隔墻插入比=1時，不同開挖次序下地下連續(xù)墻后最大地表沉降值隨分區(qū)寬度變化。由圖7可知：當≤2.5時，先遠后近開挖所引地起墻后地表沉降小于先近后遠開挖；當=時，先遠后近開挖引起墻后最大地表沉降比先近后遠小40%。

圖7 分區(qū)開挖次序?qū)?AC)后地表沉降的影響

由以上分析可知：開挖次序的選擇對基坑圍護結(jié)構(gòu)和墻后地表變形有較大的影響，在現(xiàn)場條件容許情況下，應(yīng)該盡量選擇先遠后近的次序開挖。

3.3 分隔墻插入比的影響

分區(qū)寬度=時，基坑左側(cè)地下連續(xù)墻()最大測斜值隨著分隔墻插入比變化如圖8所示。從圖8可見：當從0.62增加到1.47時，先遠后近和先近后遠2種開挖次序引起的最大墻體水平位移只分別減小了6.8%和9.6%。

圖8 分隔墻(EF)插入比對墻(AC)水平位移的影響

當分區(qū)寬度=時，基坑左側(cè)墻后最大地表沉降值隨分隔墻插入比變化如圖9所示。從圖9可見：當從0.62增加到1.47時，先遠后近和先近后遠2種開挖次序引起的最大墻體水平位移僅分別減小了4.2%和7.3%。

圖9 墻后最大地表沉降隨插入比變化

由以上分析可知：增大分隔墻插入比可以減小基坑開挖引起的墻體水平位移和墻后土體沉降，但是減小的幅度非常有限。因此，在實際工程中，分隔墻的插入比只需滿足基坑開挖穩(wěn)定性要求即可，不必刻意通過增大分隔墻的插入比的方式來減小基坑開挖對周邊地層的影響。

4 結(jié)論

1) 基坑分區(qū)開挖時，分區(qū)寬度對地下連續(xù)墻及墻后土體變形影響較大。對先遠后近次序開挖，分區(qū)寬度等于基坑開挖深度(=)時，分隔墻的作用效果最好，此時，墻體水平位移和墻后地表沉降比未分區(qū)時分別小39%和41%；隨著分區(qū)寬度的增加，分區(qū)開挖的作用效果逐漸減小。采取先近后遠的方式開挖時，較小的分區(qū)寬度有利于減小基坑開挖引起的圍護墻和墻后地表變形。

2) 在分區(qū)寬度相同的情況下，基坑開挖次序?qū)訃o墻和墻后土體變形影響較大。在分區(qū)寬度≤2.5時，先遠后近次序開挖所引起的墻體變形和墻后地表沉降均比先近后遠次序開挖的沉降小。=時，先遠后近開挖引起的最大地下連續(xù)墻水平位移和墻后地表沉降比先近后遠分別小28%和40%。

3) 分隔墻的插入比()對減小基坑開挖引起的墻體位移和墻后土體沉降作用不明顯，在實際工程中，分隔墻插入比滿足基坑開挖穩(wěn)定性要求即可。

[1] Ou C Y, Hsieh P G, Lin, Y L. Performance of excavations with cross walls[J]. J Geotech Geoenviron Eng, 2011, 137(1): 94?104.

[2] Ou C Y, Lin Y L, Hsieh, P G. Case record of an excavation with cross walls and buttress walls[J]. Journal of Geo Engineering, 2006, 1(2): 79?86.

[3] Hsieh H S, Lu Y C, Lin T M. Effects of joint details on the behavior of cross walls[J]. Journal of Geo Engineering, 2008, 2(3): 55?60.

[4] Hsieh P G, Ou C Y, Shih C. A simplified plane strain analysis of lateral wall deflection for excavations with cross walls[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2012, 49(10): 1134?1146.

[5] Ou C Y, Hsieh P G, Lin Y L. A parametric study of wall deflections in deep excavations with the installation of cross walls[J]. Computers and Geotechnics 2013, 50(5): 55?65.

[6] Hsieh P G, Ou C Y, Lin Y L. Three-dimensional numerical analysis of deep excavations with cross walls[J]. Acta Geotechnica, 2013, 8(1): 33?48.

[7] Wu S H, Ching J, Ou C Y. Predicting wall displacements for excavations with cross walls in soft clay[J]. J Geotech Geoenviron Eng, 2013, 139(6): 914?927.

[8] 王衛(wèi)東, 徐中華, 王建華. 上海地區(qū)深基坑周邊地表變形性狀實測統(tǒng)計分析[J]. 巖土工程學(xué)報, 2011, 33(11): 1659?1666. WANG Weidong, XU Zhonghua, WANG Jianhua. Statistical analysis of characteristics of ground surface settlement caused by deep excavations in Shanghai soft soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(11): 1659?1666.

[9] WANG Jianhua, XU Zhonghua, WANG Weidong. Wall and ground movements due to deep excavations in shanghai soft soils[J]. J Geotech Geoenviron Eng, 2010, 136(7): 985?994.

[10] 陳育民, 徐鼎平. FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2008: 141?162. CHEN Yumin, XU Dingping. Principles and applications of FLAC and FLAC3D[M]. Beijing: China Water Power Press, 2008:141?162.

[11] Itasca Consulting Group Inc. Fast Lagrangian analysis of continua in 3 dimensions, version 3.0[M]. Minneapolis: Itasca Consulting Group, Inc, 2005: 139?145.

[12] 徐中華. 上海地區(qū)支護結(jié)構(gòu)與主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的深基坑變形性狀研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué)土木工程系, 2007: 25?71. XU Zhonghua. Deformation behavior of deep excavations supported by permanent structure in Shanghai soft deposit[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University. Department of Civil Engineering, 2007: 25?71.

[13] 劉國彬, 王衛(wèi)東. 基坑工程手冊[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2009: 209?260. LIU Guobin, WANG Weidong. Excavation engineering handbook[M]. Beijing: Chinese Construction Industry Press, 2009: 209?260.

[14] 丁勇春, 王建華, 徐斌. 基于FLAC3D 的基坑開挖與支護三維數(shù)值分析[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報, 2009, 43(6): 976?980. DING Yongchun, WANG Jianhua, XU Bin. Three-dimensional numerical analysis of braced excavation based on FLAC3D[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2009, 43(6): 976?980.

[15] 陳建峰, 孫紅, 石振明，等. 修正劍橋滲流耦合模型參數(shù)的估計[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報, 2003, 31(5): 544?548. CHEN Jianfeng, SUN Hong, SHI Zhenming, et al. Estimation of parameters of modified cam-clay model coupling biot theory[J]. Journal of Tongji University, 2003, 31(5): 544?548.

Parameter analysis of zoned excavation in soft soil area

HUANG Pei1, LIU Guobin1, HUO Runke2

(1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;2. College of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture & Technology, Xi’an 710055, China)

In order to reduce the impact of deep excavation on adjacent structure, the deep and large excavation was usually divided into several small ones by cross walls during excavating in sensitive environment. Based on a deep and large excavation in Shanghai soft clay, the influence of partition width, excavation sequence and insertion ratio of the cross wall on the deformations of diaphragm wall and behind soils nearby the protected structures were studied through a series of numerical analysis. The results show that the most ideal partition width equals the final excavation depth for the far-to-near (far or near is relative to the protected structure) excavation. In this case, the horizontal displacement of the diaphragm wall and the surface settlement behind the wall decrease by 39% and 41% respectively in comparison with the unzoned excavation. For the near-to-far excavation, narrow partition width is more beneficial than wide partition width during zoned excavation. Under the same partition width, the deformation of the diaphragm wall and the surface settlement behind the wall caused by the far-to-near excavation is less than that of the near-to-far excavation. The insertion ratio of the cross wall only has a comparatively slight impact on the diaphragm walls deformations and behind soils settlements.

deep excavation; zoned excavation; soft soil

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.040

TU473

A

1672?7207(2015)10?3859?06

2015?01?25；

2015?03?29

國家自然科學(xué)基金資助項目(41172237)(Project (41172237) supported by the National Natural Science of China)

黃沛，博士研究生，從事軟土地區(qū)隧道及基坑工程研究；E-mail：cwjzxwzj@163.com

(編輯 陳愛華)