基坑局部超挖對(duì)周邊支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理

黃天明，程雪松，鄭剛，聶東清，劉　杰，鄧楚涵

綜合

基坑局部超挖對(duì)周邊支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理

黃天明，程雪松，鄭剛，聶東清，劉杰，鄧楚涵

（天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津大學(xué)土木工程系，天津300072）

雖然已有很多由局部超挖引起基坑大范圍破壞的工程案例，但局部超挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)整體的影響卻較少有深入研究。文中采用顯式有限差分法，對(duì)不同條件下的基坑局部開(kāi)挖進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，局部開(kāi)挖不僅會(huì)導(dǎo)致開(kāi)挖范圍內(nèi)支護(hù)樁內(nèi)力大幅增長(zhǎng)，還會(huì)導(dǎo)致周邊一定范圍內(nèi)支護(hù)樁內(nèi)力增長(zhǎng)。研究成果為坑中坑設(shè)計(jì)及基坑分區(qū)開(kāi)挖等基坑局部深挖問(wèn)題提供了參考。

基坑；局部超挖；基坑事故；有限差分法

0　引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，城市土地資源也越加緊缺，城市建設(shè)也從地面逐漸向地下發(fā)展。例如大型商場(chǎng)、地下停車(chē)場(chǎng)、地鐵車(chē)站以及大型交通樞紐工程的建設(shè)，這些都離不開(kāi)基坑工程的建設(shè)?；訌拿娣e、深度和長(zhǎng)度方面均達(dá)到前所未有的規(guī)模，與此同時(shí)，基坑周邊環(huán)境的復(fù)雜程度也日益增加。在基坑施工過(guò)程中，由于追趕工期或者坑中坑開(kāi)挖等原因，局部超挖的情況經(jīng)常出現(xiàn)，由超挖或者局部超挖引發(fā)的基坑事故更是屢見(jiàn)不鮮，事故造成的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)效應(yīng)也都是十分慘重的。

2003年1月23日，深圳市南山區(qū)南山大道某基坑西側(cè)因坑中坑開(kāi)挖施工發(fā)生了坍塌事故[1]。該基坑西側(cè)采用攪拌樁復(fù)合土釘墻支護(hù)，正常開(kāi)挖深度為7 m。由于開(kāi)挖基樁承臺(tái)，需要開(kāi)挖坑中坑，施工單位沒(méi)有對(duì)坑中坑采取支護(hù)措施，放坡開(kāi)挖，承臺(tái)坑底部連成一片形成了2個(gè)坑中坑，深度分別為0.9 m及1.9 m，導(dǎo)致基坑局部總深度分別達(dá)到8.0 m及9.0m，事故發(fā)生時(shí)，-8.0 m坑已完全開(kāi)挖，-9.0 m坑尚未完全開(kāi)挖到底。1月23日當(dāng)晚，西側(cè)北半段坍塌，坍塌范圍長(zhǎng)度約22 m，寬度約10 m，紅線外約6m寬人行道路塌落到坑內(nèi)，西側(cè)南半段因有出土車(chē)道等原因，沒(méi)有坍塌，但變形略有增加。

2011年6月中旬，位于天津臨港濱海軟土地基的某長(zhǎng)條形基坑發(fā)生坍塌事故[2]。該基坑長(zhǎng)28.75m，寬12.33m（短邊寬6.88m），開(kāi)挖深度8.7 m，采用SMW工法樁加一道鋼筋混凝土水平支撐支護(hù)。事故發(fā)生時(shí)，主體基坑土方剛開(kāi)挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高，局部小面積繼續(xù)開(kāi)挖了約1.5m，使超挖部位的SMW工法樁型鋼斷裂，連鎖引發(fā)相鄰的SMW工法樁型鋼連續(xù)斷裂，造成基坑1條長(zhǎng)邊支護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)坍塌，水平支撐下墜并嚴(yán)重變形，另外3條邊的支護(hù)結(jié)構(gòu)也向坑內(nèi)傾斜變形。

通過(guò)前述案例可發(fā)現(xiàn)基坑垮塌的范圍會(huì)不局限于基坑局部開(kāi)挖的位置，局部超挖會(huì)引起基坑沿長(zhǎng)度方向連續(xù)垮塌。例如，同樣是在深圳市南山區(qū)的某基坑[1]，采用攪拌樁-預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合土釘墻支護(hù)，由于開(kāi)挖尺寸為2.5m×2.0m×1.2 m（長(zhǎng)×寬×高（下同））的集水坑導(dǎo)致了長(zhǎng)約36 m的基坑坍塌事故；上海寶山區(qū)某基坑[3]，采用鉆孔灌注樁加旋噴樁的方式，坑內(nèi)1道鋼管斜撐支護(hù)，開(kāi)挖上口為尺寸3 m×3.7 m×2 m的坑中坑，導(dǎo)致了長(zhǎng)36m、寬13m路面發(fā)生嚴(yán)重塌陷。

在坑中坑研究方面，龔曉南[4]曾指出研究坑中坑對(duì)基坑圍護(hù)穩(wěn)定有重大影響，國(guó)內(nèi)也不斷有學(xué)者對(duì)坑中坑進(jìn)行分析研究，并對(duì)坑中坑的設(shè)計(jì)提出了簡(jiǎn)化計(jì)算方法[5]。然而現(xiàn)有的基坑局部開(kāi)挖設(shè)計(jì)分析理論都是基于對(duì)基坑進(jìn)行二維的分析或者基于二維的理論而得出的，局部超挖造成的基坑垮塌卻具有空間連續(xù)性，很少有學(xué)者對(duì)局部開(kāi)挖造成的沿基坑長(zhǎng)度方向的荷載傳遞機(jī)理進(jìn)行研究，這使得坑中坑的設(shè)計(jì)缺乏充分的理論支持。

本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)懸臂排樁基坑緊鄰支護(hù)樁部位局部超挖的情況進(jìn)行分析，初步揭示了局部超挖在基坑長(zhǎng)度方向上的影響機(jī)理。

1　有限差分?jǐn)?shù)值模型模擬

顯式有限差分法通過(guò)直接求解含有運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)方程得出數(shù)值問(wèn)題的解，這樣的求解方法求解大變形或者不穩(wěn)定的物理系統(tǒng)時(shí)，能夠確保數(shù)值方法的穩(wěn)定。在基坑發(fā)生局部開(kāi)挖的情況時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生較大變形，故選用有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

數(shù)值模型如圖1，模型大小為28 m×18 m× 20 m（X×Y×Z），在垂直于X與Y方向的4個(gè)豎直邊界面上約束法向位移，在垂直于Z的底部邊界上約束X、Y、Z三個(gè)方向的位移。設(shè)定Y方向的最左側(cè)邊界為對(duì)稱邊界，最右側(cè)邊界遠(yuǎn)端為不受影響的邊界，局部開(kāi)挖模型最左側(cè)若干根支護(hù)樁前3 m內(nèi)的土體。整個(gè)模型共有163 200個(gè)實(shí)體單元，172 569個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1　有限差分模型Fig.1 Finite difference model

在基坑長(zhǎng)度方向上，土體網(wǎng)格單元較密，0.3m一個(gè)網(wǎng)格，支護(hù)樁直徑0.6 m，長(zhǎng)度16 m。若采用單根結(jié)構(gòu)樁（pile單元）模擬基坑中的支護(hù)樁，則2根結(jié)構(gòu)樁間的土體單元由于沒(méi)有支護(hù)，將會(huì)發(fā)生較大變形，與實(shí)際情況不符。因此本文數(shù)值模擬中，單根支護(hù)樁采用2根pile單元和33根beam單元組成的組合結(jié)構(gòu)模擬，如圖1。16 m的樁單元分為32個(gè)結(jié)構(gòu)單元，將樁單元節(jié)點(diǎn)用beam單元連接，pile單元與beam單元的彈性模量為30 MPa，泊松比為0.2，將單根支護(hù)樁的截面特性拆分賦予到2根pile單元上。這樣處理后的樁單元即能模擬支護(hù)樁的力學(xué)、變形特性，又能使樁間土體網(wǎng)格不產(chǎn)生較大變形。樁單元與土體間的作用通過(guò)對(duì)樁單元賦予剪切耦合彈簧特性和法向剪切彈簧特性來(lái)模擬?；诱Ｖёo(hù)樁按從左到右依次命名為1~30號(hào)樁?；觾?nèi)局部開(kāi)挖采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)同樣采用pile單元模擬，材料參數(shù)與正常支護(hù)結(jié)構(gòu)相同。

1.1基坑局部開(kāi)挖荷載傳遞機(jī)理

為研究局部開(kāi)挖造成的荷載傳遞效應(yīng)，數(shù)值模擬的計(jì)算流程為正常開(kāi)挖5 m、6 m或7 m后局部開(kāi)挖1~8號(hào)樁前4.8 m×3 m×2.5 m土體（圖1），大面積開(kāi)挖每步開(kāi)挖1 m深土體，局部開(kāi)挖每步開(kāi)挖0.5 m深土體。由于坑中坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較小，因此取大基坑支護(hù)樁樁身彎矩為研究對(duì)象（假定支護(hù)樁的破壞由抗彎承載力決定）。

分別選用砂土與黏土的參數(shù)以研究不同土性下的傳遞機(jī)理，土體采取摩爾庫(kù)倫模型模擬。其中砂土黏聚力取0 kPa，摩擦角φ采用30°，彈性模量E沿埋深z線性增加[5]，按（1.125+4.5×z）MPa取值，泊松比取0.3；黏土黏聚力cu?。?+3×z）kPa，摩擦角采用0°，彈性模量E按（2.25+ 1.35×z）MPa取值，泊松比取0.495。

1.1.1砂土中局部開(kāi)挖荷載傳遞機(jī)理

以下主要以大面積開(kāi)挖5m后進(jìn)行局部超挖的工況進(jìn)行荷載傳遞機(jī)理的分析。

大面積開(kāi)挖5 m，局部開(kāi)挖各步1~20號(hào)支護(hù)樁樁頂水平向位移如圖2所示。可見(jiàn)局部開(kāi)挖造成了局部開(kāi)挖范圍內(nèi)樁頂位移增長(zhǎng)較大，而局部開(kāi)挖范圍外樁頂位移增長(zhǎng)相對(duì)較小。由此可見(jiàn)，在此情況下局部開(kāi)挖對(duì)周?chē)h(huán)境造成的影響主要集中在局部開(kāi)挖范圍內(nèi)。

圖2　局部開(kāi)挖樁頂位移Fig.2 Displacement of pile tops in partial excavation

1~20號(hào)支護(hù)樁最大彎矩值如圖3，局部開(kāi)挖范圍內(nèi)支護(hù)樁彎矩呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，而鄰近局部開(kāi)挖位置的支護(hù)樁彎矩也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，局部開(kāi)挖范圍外支護(hù)樁樁身彎矩隨與局部開(kāi)挖位置距離增大而減小。最大彎矩作用點(diǎn)深度如圖4所示，可見(jiàn)隨著局部開(kāi)挖深度不斷增長(zhǎng)，局部開(kāi)挖范圍內(nèi)和鄰近位置的支護(hù)樁樁身彎矩最大值位置也從埋深7 m處不斷下移至9.5m左右。

如果按事故中常見(jiàn)的情況，不對(duì)坑中坑的開(kāi)挖進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，僅對(duì)大面積開(kāi)挖至5 m時(shí)情況進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，即將本數(shù)值模型大面積開(kāi)挖至5m，將得到的支護(hù)樁最大彎矩111.4 kN·m稱為初始彎矩參考標(biāo)準(zhǔn)值，而局部開(kāi)挖2.5 m后樁身最大彎矩值已達(dá)276.2 kN·m，是初始彎矩參考標(biāo)準(zhǔn)值的2.48倍。

圖3　砂土中局部開(kāi)挖樁身彎矩Fig.3 The moment of pile when partial excavate in sandy soil

圖4　砂土中局部開(kāi)挖樁身最大彎矩位置Fig.4 The maximummoment position of pile when partial excavate in sandy soil

1.1.2黏土中局部開(kāi)挖荷載傳遞機(jī)理

黏土中各支護(hù)樁最大彎矩值分布如圖5所示，可見(jiàn)局部開(kāi)挖時(shí)，最大彎矩值同樣出現(xiàn)在緊鄰局部超挖位置第1根樁處，局部開(kāi)挖2.5 m后樁身最大彎矩值已達(dá)298.1 kN·m，是大面積開(kāi)挖5 m最大彎矩值126.9 kN·m的2.35倍，最大彎矩分布與砂土工況類(lèi)似，為便于分析，下文中僅采用砂土的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖5　黏土中局部開(kāi)挖樁身彎矩Fig.5 The moment of pile when partial excavate in clay soil

1.2不同正常開(kāi)挖深度下局部開(kāi)挖的荷載傳遞

為研究不同大面積開(kāi)挖深度下進(jìn)行局部開(kāi)挖的影響，分別模擬了砂土中正常開(kāi)挖6m、7m后進(jìn)行8根樁范圍內(nèi)局部開(kāi)挖2.5m的工況。

大面積開(kāi)挖6 m后進(jìn)行局部開(kāi)挖，支護(hù)樁樁身最大彎矩值350.0 kN·m，增大1.81倍，未超過(guò)大面積開(kāi)挖6 m的參考極限值362.8 kN·m；大面積開(kāi)挖7 m后進(jìn)行局部開(kāi)挖，支護(hù)樁樁身最大彎矩值410.7 kN·m，增大1.45倍，未超過(guò)大面積開(kāi)挖7m的參考極限值532.9 kN·m（圖6、圖7）。說(shuō)明大面積開(kāi)挖的深度越大，由于局部開(kāi)挖造成彎矩增長(zhǎng)的倍數(shù)就越小；而如果大面積開(kāi)挖完成后，基坑的安全冗余度并不夠大，大面積開(kāi)挖深度越淺進(jìn)行局部開(kāi)挖反而越有可能造成基坑破壞。

圖6　大面積開(kāi)挖6m后局部開(kāi)挖最大彎矩Fig.6 The maximummoment in partial excavation after large area excavation of 6 m

圖7　大面積開(kāi)挖7m后局部開(kāi)挖最大彎矩Fig.7 The maximummoment in partial excavation after large area excavation of 7 m

雖然大面積開(kāi)挖6 m、7m后進(jìn)行局部開(kāi)挖，開(kāi)挖范圍內(nèi)支護(hù)樁樁身彎矩并未達(dá)到相應(yīng)的參考極限值，但隨著大面積開(kāi)挖深度的增加，局部開(kāi)挖范圍外的支護(hù)樁最大彎矩增長(zhǎng)倍數(shù)逐漸接近局部開(kāi)挖范圍內(nèi)樁身最大彎矩增長(zhǎng)倍數(shù)，如圖3、圖5及圖7所示，說(shuō)明大面積開(kāi)挖深度越深，荷載傳遞更加明顯。

綜上，隨著大面積開(kāi)挖深度的增加，局部開(kāi)挖范圍內(nèi)的支護(hù)樁最大彎矩增長(zhǎng)逐漸變緩，而局部開(kāi)挖范圍外的支護(hù)樁最大彎矩卻不斷增長(zhǎng)。

1.3基坑局部開(kāi)挖范圍的影響

為研究不同局部開(kāi)挖范圍對(duì)支護(hù)樁身荷載分布的影響，分別模擬了砂土中大面積開(kāi)挖5m后在1、2、3、4、6、7、8、12、15、20根樁范圍內(nèi)局部開(kāi)挖2.5 m深的土體。由圖8可見(jiàn)開(kāi)挖范圍增長(zhǎng)到4根樁前，最大彎矩值隨局部開(kāi)挖范圍的增長(zhǎng)近于線性增長(zhǎng)。局部開(kāi)挖范圍增長(zhǎng)到4根樁時(shí)，樁身最大彎矩值已達(dá)219.2 kN·m，超過(guò)大面積開(kāi)挖5 m深時(shí)的參考極限值；開(kāi)挖范圍達(dá)到12根樁時(shí)，支護(hù)樁最大彎矩即達(dá)295.8 kN·m，接近局部開(kāi)挖20根樁范圍的最大彎矩值310.0 kN·m。

習(xí)近平總書(shū)記高度重視文藝人才隊(duì)伍建設(shè)，他在文藝工作座談會(huì)上指出：“繁榮文藝創(chuàng)作、推動(dòng)文藝創(chuàng)新，必須有大批德藝雙馨的文藝名家。要把文藝隊(duì)伍建設(shè)擺在更加突出的重要位置，努力造就一批有影響的各領(lǐng)域文藝領(lǐng)軍人物，建設(shè)一支宏大的文藝人才隊(duì)伍?！彼谥袊?guó)文聯(lián)十大、中國(guó)作協(xié)九大開(kāi)幕式上又指出：“我國(guó)文藝事業(yè)要實(shí)現(xiàn)繁榮發(fā)展，就必須培養(yǎng)人才、發(fā)現(xiàn)人才、珍惜人才、凝聚人才?！笨倳?shū)記的重要講話深刻闡述了文藝人才隊(duì)伍建設(shè)在繁榮發(fā)展文藝事業(yè)中的重要作用，對(duì)加強(qiáng)文藝人才隊(duì)伍建設(shè)提出了明確要求，為我們加強(qiáng)新時(shí)期文藝人才隊(duì)伍建設(shè)指明了前進(jìn)方向，提供了根本原則方針。

圖8　大面積開(kāi)挖5m后最大彎矩值隨開(kāi)挖范圍變化Fig.8 The maximummoment of pile increase with the range of partial excavation after large area excavation of 5 m

支護(hù)樁樁頂最大位移值隨局部開(kāi)挖范圍增長(zhǎng)如圖9所示，由圖可知樁頂位移值隨局部開(kāi)挖范圍增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

圖9　最大位移值隨開(kāi)挖范圍變化Fig.9 The maximumdisplacement of pile increase with the range of partial excavation

為研究不同局部開(kāi)挖深度對(duì)支護(hù)樁身荷載分布的影響，又分別模擬了大面積開(kāi)挖6 m、7m后在1、2、3、4、6、7、8、12、15、20根樁范圍內(nèi)局部開(kāi)挖2.5m深的土體。

如圖10，大面積開(kāi)挖6 m后，在12根樁范圍內(nèi)局部超挖2.5 m深的深坑，支護(hù)樁樁身彎矩達(dá)381.4 kN·m，超過(guò)大面積開(kāi)挖6 m時(shí)的參考極限值362.9 kN·m；在局部開(kāi)挖范圍增長(zhǎng)到20根樁后，支護(hù)樁最大彎矩值達(dá)到402.8 kN·m，是大面積開(kāi)挖6m參考設(shè)計(jì)值的2.08倍，此時(shí)的彎矩也已達(dá)到非常危險(xiǎn)的水平。對(duì)比大面積開(kāi)挖5 m的工況可見(jiàn)，大面積開(kāi)挖深度越淺，支護(hù)樁彎矩隨開(kāi)挖范圍增長(zhǎng)到相應(yīng)的參考極限值越快。

圖10　最大彎矩值隨開(kāi)挖范圍變化Fig.10 The maximummoment with the excavation range

大面積開(kāi)挖7 m后，在20根樁范圍內(nèi)局部超挖2.5m深的局部深坑，支護(hù)樁樁身彎矩達(dá)479.2 kN·m，達(dá)到參考設(shè)計(jì)值的1.68倍，并未超過(guò)大面積開(kāi)挖7 m的參考極限值532.9 kN·m；在局部開(kāi)挖范圍增長(zhǎng)到12根樁后，支護(hù)樁最大彎矩值即達(dá)到447.4 kN·m，達(dá)到參考設(shè)計(jì)值的1.57倍，此時(shí)的彎矩也已達(dá)到非常危險(xiǎn)的水平。

由此可見(jiàn)局部開(kāi)挖支護(hù)樁內(nèi)力和樁頂位移與局部開(kāi)挖范圍的大小有著緊密的聯(lián)系，施工中進(jìn)行基坑開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)考慮基坑開(kāi)挖過(guò)程中的空間效應(yīng)，盡量減少大范圍的基坑開(kāi)挖。

2　結(jié)語(yǔ)

1）基坑局部開(kāi)挖會(huì)使得一定范圍內(nèi)支護(hù)樁水平位移增大，局部開(kāi)挖范圍內(nèi)的支護(hù)樁位移增長(zhǎng)大于周邊的支護(hù)樁。

2）局部開(kāi)挖過(guò)程中，局部開(kāi)挖范圍內(nèi)樁身彎矩值不斷增長(zhǎng)，但彎矩值小于大面積開(kāi)挖到相同深度時(shí)樁身最大彎矩值，局部開(kāi)挖鄰近一定范圍內(nèi)的支護(hù)樁內(nèi)力也會(huì)增長(zhǎng)。

3）支護(hù)樁最大彎矩值會(huì)隨著基坑局部開(kāi)挖范圍增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，也會(huì)隨著基坑局部開(kāi)挖的深度增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

4）上述研究表明基坑局部深挖對(duì)臨近土壓力和支護(hù)樁內(nèi)力有重要影響。因此在針對(duì)靠近基坑邊緣的坑中坑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不但需要針對(duì)坑中坑所在的基坑剖面進(jìn)行二維設(shè)計(jì)，提高此剖面內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度或插入深度，同時(shí)需要對(duì)基坑進(jìn)行三維分析設(shè)計(jì)，增強(qiáng)臨近局部超挖一定范圍內(nèi)的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

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Influence mechanism of foundation pit partial over-excavationon surrounding supporting structure

HUANG Tian-ming, CHENG Xue-song, ZHENG Gang, NIE Dong-qing, LIU Jie, DENG Chu-han
（MOE Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety, Department of Civil Engineering of Tianjin University, Tianjin 300072, China）

Although there aremany extensive collapse cases of foundation pit thatcaused by partial excavation,deep study on the influence of partial over-excavation on supporting structure is less.We used the finite differencemethod to analyze the partial excavation in foundation pit in different condition.The results show that partial excavation can lead to significant increments of the internal forces of the piles in the excavation range,and can lead to increment of the internal forces of the adjacent piles.The result can offer some reference for the foundation pit partial over-excavation problems,which include the pits in foundation-pitdesign and partition excavation,etc.

foundation pit;partial over-excavation;foundation pit collapse;finite differencemethod

U655；TU463

A

2095-7874（2016）04-0001-05

10.7640/zggw js201604001

2015-10-16

2016-03-30

國(guó)家自然科學(xué)基金（51508382）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2012BAJ01B02-03）；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2014M561186）

黃天明（1991—），男，安徽巢湖人，碩士，主要從事基坑工程等領(lǐng)域的科研工作。E-mail：htm3@sina.com