坑中坑式內撐支護基坑圍護結構變形特性研究

陳秋旺

(福建西海岸建筑設計院 福建福州 350011)

0 引言

經濟的飛速發展，推動了城市地下空間建設。為改善用地緊張緩解交通堵塞改善民生條件等問題，基坑工程不可避免地需要往大深方向發展。與此同時，建筑物或構筑物迎來了多功能性需求，比如需要在基坑內部設置電梯井或集水井，或者因周邊建筑裙樓高度不一導致基坑開挖深度各異等，形成了二級基坑開挖，將此類基坑稱之為“坑中坑式基坑”(以下簡稱坑中坑)。

針對坑中坑設計，巖土工程師們往往采取保守設計，在內坑設置較深且剛度較大的地下圍護結構，這就造成了一定的材料浪費。即便如此，當二級基坑(以下簡稱內坑)近鄰一級基坑(以下簡稱外坑)時，坑中坑整體穩定性又難以保證，因此工程設計與施工大多根據現場經驗進行判斷，關于坑中坑理論設計遠遠滯后于工程實踐。如何準確分析內坑對坑中坑式基坑變形的影響，是目前基坑工程的研究熱點與難點。

國內學者龔曉南[1-2]一度認為，應該重視坑中坑式基坑施工安全，設計過程不可忽略內坑對外坑的影響。吳銘炳等[3]依托某實際工程，對坑中坑圍護結構變形與土壓力進行了現場監測，并結合設計經驗，提出了坑中坑支護設計計算深度建議值。陳暢等[4]根據多年的工程經驗，認為內坑存在是坑中坑設計的重點與難點，而承壓含水層土壓力分布與附近堆載等是影響坑中坑變形的主要因素。徐為民等[5]研究了土釘支護坑中坑的滑塌原因，并據此提出了相關設計方法，認為外坑支護體系對內坑支護體系影響微弱。豐土根等[6]以內撐支護基坑為例，分別探討了內坑相對尺寸與位置對內外坑圍護結構側移的影響，指出設置內坑支撐對控制外坑圍護結構的變形有顯著作用。

本研究以實際工程為研究背景，通過有限元數值軟件Optum G2，建立了可以分析內坑影響的坑中坑數值模型，對坑中坑圍護結構的變形特性進行較為系統的研究，同時展開參數分析。相關成果可為坑中坑式基坑設計提供理論參考借鑒。

1 工程概況

某大型公共建筑物占地面積約31 511m2，總建筑面積達28 242m2。該建筑物擁有橢圓形外觀，且周邊分布裙樓。因主建筑物基坑深度較大，而裙樓基坑深度較淺，基坑系統需要進行二級開挖，構成了典型的坑中坑式基坑，如圖1所示。

圖1 某大型公共建筑物工程平面示意圖

假設坑外地表標高為0.0m(GL 0.0m)，不考慮基坑周邊荷載影響。基于平面應變條件，取橫向基坑建立幾何模型，外坑開挖寬度D與深度H分別為60.0m與6.0m。內外坑圍護結構為沉管灌注樁，其結構示意圖如圖2所示。

圖2 圍護樁結構示意圖

外坑管樁相對外坑坑底嵌入深度L為6.5m，則圍護結構底標高為GL-12.5m，外坑管樁樁徑為600@1000mm。在離地表距離為2.0m處，對外坑設置一道水平支撐。取外坑平臺寬度即內外坑圍護結構間距W為18.0m，內坑開挖寬度d與深度h分別為35.7m與5.5m，對應內坑坑底標高為GL-11.5m，內坑管樁相對內坑坑底嵌入深度l為5m，對應圍護結構底端標高為-16.5m，內坑管樁尺寸600@1000mm；在離地表-7.0m深度處(GL-7.0m)，對內坑也設置一道水平支撐，因此，可得到相應的幾何模型，如圖3所示。

圖3 坑中坑式內撐支護基坑幾何模型

2 數值模擬及參數選取

利用具有強收斂性與網格自適應算法的二維數值模擬軟件Optum G2，采用可以考慮土體加/卸載特性的硬化摩爾庫倫本構模型(Hardening Mohr-Coulomb，簡稱HMC模型)。HMC模型在MC模型的基礎上引入土體硬化特征，且同時具備功能參數少且易獲取等特點。

該坑中坑施工周期長，且基坑開挖前已完成降水疏干，因此，研究過程理應關注坑中坑長期性能，采用有效應力參數，默認地基土為排水條件。

為更加準確模擬墻-土界面相互作用關系，Optum G2引入了Mohr-Coulomb屈服準則描述墻-土界面摩阻力的發揮及彈-塑性變形特性；定義墻-土界面折減系數為Rinter，界面強度可采用圍護結構周邊土體強度參數與Rinter的乘積獲得：

Rinter=τi/τf

(1)

其中，τi為地基排水條件下墻-土界面的折減強度，τf則為圍護結構周邊的土體抗剪強度。

參照地勘報告，對建筑物附近地基土土層等厚處理，將相鄰近似土層進行整合歸并，實現簡化分析。為充分考慮基坑開挖影響深度，選擇下列代表性土層進行建模計算，表1給出了各土層厚度及物理力學參數。因此，可取數值模型尺寸為180m×67.4m，并采用標準邊界條件。數值計算模型如圖4所示。

表1 土層厚度及物理力學參數

圖4 數值計算模型

為便于建模與分析，根據等效剛度法，將離散的管樁結構等效為地下連續墻，顯然，其厚度將發生變化。表2給出了轉換計算得到的坑中坑支護體系力學參數，相應的計算公式[7]如下：

表2 圍護結構與水平支撐計算參數

(2)

其中，b為相鄰樁中心距；

h等效連續墻厚度；

d為灌注樁樁徑。

根據幾何模型(圖3)與計算參數(表1～表2)建立數值模型如圖4所示。采用分步開挖基坑，施工步驟如下所示：

①初始地應力計算；

②澆筑圍護結構體系，對應數值模型中激活外坑地下連續墻與內坑地下連續墻；

③開挖外坑第一層至GL-2.5m；

④在外坑GL-2.0m處的設置一道水平支撐；

⑤開挖外坑坑底至GL-6.0m；

⑥開挖內坑第一層至GL-7.5m；

⑦在內坑GL-7.0m處設置一道水平支撐；

⑧開挖內坑坑底至GL-11.5m。

3 對比分析

為充分描述內坑開挖對坑中坑圍護結構變形特性的影響，分析過程定義圍護結構最大側移增長率為:

ξ=(δ-δ0)/δ0×100%

(3)

式中，δ0為內坑未開挖，而地基開挖至外坑坑底時外坑地下連續墻最大側移值；

δ為坑中坑開挖結束時外坑地下連續墻的最大側移值。

取基坑左側地下連續墻位移為研究對象，經彈塑性變形分析得到坑中坑開挖結束時外坑地下連續墻的最大側移值δ為35.30mm，而實測值為32.10mm，計算誤差為9.97%，如圖5所示；計算得到內坑圍護結構最大側移值為11.27mm，實測內坑最大側移值12.36mm(圖6)，誤差為10.09%，誤差控制在10%左右，可認為數值計算結果與實測值吻合良好，誤差控制在合理范圍內，同時證明了采用HMC本構模型可以較為準確合理地反映土體卸荷引起的坑中坑圍護結構變形規律。

圖5 基坑開挖完畢后外坑圍護結構水平位移

圖6 基坑開挖完畢后內坑圍護結構水平位移

另外，計算得到地基開挖至外坑坑底時，外坑地下連續墻最大側移值δ0為29.8mm，圍護結構最大側移增長為18.45%。這說明了一定尺寸的坑中坑開挖，對外坑圍護結構的側移有顯著影響。因此，坑中坑設計，考慮內坑的影響十分必要，施工過程應采取合理措施加固坑中坑式基坑，從而降低內坑對基坑的影響，提高整體穩定性，避免安全隱患。

4 敏感性因素分析

4.1 坑距比

圖7 坑距比對外坑圍護結構最大側移增長百分比的影響

4.2 內外坑深度比

圖8 內外坑深度比對外坑圍護結構最大側移增長百分比的影響

4.3 外坑圍護結構插入比

圖9 外坑插入比對外坑圍護結構最大側移增長百分比的影響

圖10給出了具體原因。分別取不同外坑圍護結構插入比下內外坑開挖完畢引起的外坑圍護結構側移最大側移值δ與δ0的影響。觀察圖10可以發現，外坑插入深度的增加，最大側移值δ與δ0幾乎呈同步減少，且減少幅度亦十分接近。在兩者同步減少情況下，ξ顯然變化不大。應該注意，盡管λout對ξ影響較小，但并不意味著設計過程可以忽略該參數。由圖8可知，當λout=0.5時，ξ約為25%，可以說對基坑變形有較大影響。當λout從0.5增加至2.5時，δ與δ0均小了大概10mm，因此，適當增大外坑圍護結構的插入深度，可以有效控制圍護結構的變形并提高基坑的穩定性。

圖10 外坑插入比對外坑圍護結構最大側移值的影響

圖11 內坑插入比對外坑圍護結構最大側移增長百分比的影響

4.4 內坑圍護結構插入比

5 結論

(1)采用HMC本構模型模擬地基土，經數值計算得到了坑中坑開挖對基坑圍護結構變形的影響，對比內外坑圍護結構側移值與實測值，驗證了所建模型的合理性與準確性。通過引入圍護結構最大側移增長百分比ξ，揭示了坑中坑式基坑開挖變形特性，詮釋了內外坑相互作用機理，說明了設計與施工考慮坑中坑影響的必要性。

(3)增大λout及λin，將顯著降低內外坑圍護結構的側移值，但均對ξ影響不明顯。若坑中坑開挖深度有限時，λin取小值，同時適度增大λout，可有效控制基坑變形，并提高基坑整體穩定性能。