基坑圍護中局部深坑優化設計分析

劉 侃 （上海申元巖土工程有限公司，上海 200011）

1 引言

基坑圍護工程中，鑒于地下結構的功能需求，同一工程的基坑坑底深度不盡相同。一般情況下主要在地下室電梯井、集水井以及基礎承臺區域出現坑內局部貼邊深坑的情況，貼邊落深一般從1m到3m多不等。常規設計經驗中，貼邊深坑的計算模式與一般開挖區域相同，按最大開挖深度考慮，這在一定程度上偏于保守。就上海地區而言，尤其對于普遍挖深在4.0m～7.0m的三級基坑，基坑圍護結構一般采用攪拌樁重力壩或SMW工法樁的形式，局部深坑處以最大開挖深度處理，圍護結構較普遍區域增強明顯，增加總的工程量及造價。

對于局部貼邊深坑的研究可歸于“坑中坑”的研究范疇。但國內外目前無論是對于典型坑中坑基坑，或局部貼邊深坑的研究均相對較少，文獻研究內容深度、廣泛性一般，缺乏系統性并對基坑圍護工程直接有益的研究成果。龔曉南[1]關于深基坑工程的幾點討論中最早分析了坑中坑對圍護結構穩定性的影響。陳樂意等[2]通過數值模擬探討了開挖深度以及坑中坑位置對圍護結構水平位移的影響。申明亮等[3]根據內、外坑的相對位置關系進行了應力場分析及土壓力計算。徐意智等[4]探討了一種局部貼邊深坑的等效深度計算方法。

本文通過數值模擬研究局部貼邊深坑的影響規律，分析等效深度經驗計算方法，并結合實際工程驗證分析，為上海地區基坑考慮局部貼邊深坑的情況提供設計建議。

2 局部深坑數值模擬分析

2.1 數值模型及參數

本文主要研究普遍開挖深度4.0m～7.0m的基坑，首先基于常見的SMW工法樁圍護形式開展數值模擬分析，討論局部深坑不同深度和不同位置對基坑圍護結構的影響規律。

本次數值模擬分析基于常用大型巖土工程有限元軟件展開。模擬土層參考上海地區典型土層，參數取自工程勘察報告，如表1所示。

基本土體參數 表1

土體本構模型選用軟土硬化模型（HS模型），HS模型共有6個主要模型參數，其具有一定的合理性和優越性。各參數的選取參照王衛東等[5]關于上海地區土體硬化模型的相關文獻。

數值模擬基本工況：

①基坑普遍開挖深度，6.0m，分別考慮局部落深坑1.0m、2.0m和3.0m的情況。則局部落深坑底的開挖深度分別為7.0m、8.0m、9.0m。

②局部落深位置，分別為距離圍護結構邊0倍、0.5倍、1倍、2倍、3倍、5倍的局部深坑深度范圍。

③圍護結構形式，工法樁采用H700×300×13×24型鋼，H型鋼長度以局部落深坑底的開挖深度7.0m、8.0m、9.0m確定，即1.0m局部深坑的情況，H型鋼長16.0m；2.0m局部深坑的情況，H型鋼長18.0m；3.0m局部深坑的情況，H型鋼長20.0m；

④挖土工況，首先挖深1.3m后，施工第一道支撐；后每挖土1m或2m為一個工況，最后一個工況為開挖局部深坑，共7個工況。

建模舉例如圖1所示，為2.0m局部深坑距離圍護結構邊1.0倍深度的情況。

圖1 SMW工法樁圍護結構基坑建模示意圖

2.2 計算結果分析

整理各工況的數值分析結果，得到圍護結構水平位移的變形規律，即局部深坑離圍護結構距離越遠，對其影響越小，基坑圍護結構變形越小。下面對計算結果作具體分析：

①圖2～圖4為SMW工法樁圍護結構水平位移變化規律。由于水平支撐的存在，圍護樁的最大水平位移發生在中間位置坑底附近，這與實際工程是相似的。

②局部深坑深度有1.0m、2.0m或3.0m，局部落深對圍護結構水平位移的影響，隨局部深坑距圍護結構的距離增大逐漸減弱。數值計算的具體規律：

a.局部深坑距離圍護結構在5倍深坑深度及以上時，深坑開挖對圍護結構的變形影響很小，且圍護結構的水平位移與無局部深坑時（6.0m挖深）的水平位移變形量接近一致。

b.局部深坑距離圍護結構在3～5倍深坑深度時，深坑開挖對圍護結構的變形影響尚不顯著；

本案例從變量分析入手引導學生進行層層實驗探究，領悟實驗設計的過程和方法；以問題串方式引導學生層層深入分析思考，掌握實驗設計原則和方法，學會確定變量、控制變量，從而有效提高學生的生物實驗設計能力，培養其自主探究能力，提高生物學學科核心素養。

c.局部深坑距離圍護結構在1～3倍深坑深度時，深坑開挖對圍護結構的變形影響開始變得明顯，3倍距離情況時，圍護結構變形稍有增大，局部深坑在距離圍護結構3倍深度以內以后，對圍護結構水平變形的影響逐步明顯。到1倍距離情況時，局部深坑對圍護結構水平位移的影響已經很顯著。

d.局部深坑距離圍護結構在0～1倍深坑深度時，圍護結構變形最明顯，已接近于考慮7.0m、8.0m和9.0m完全挖深的情況。

圖2 部落深1.0m圍護結構水平位移

圖3 局部落深2.0m圍護結構水平位移

圖4 局部落深3.0m圍護結構水平位移

e.實際工程中，板式結構基坑圍護設計經驗一般將5倍距離范圍內的局部落深均予以考慮，并均以最大挖深考慮，從上述數值計算變形結果可以看出設計經驗偏保守，尤其對于3～5倍距離較遠的情況下，宜作優化設計。

3 等效深度Heq計算分析

徐意智等[4]基于基本幾何參數定義，探討了一種等效深度計算方法，可將坑中坑基坑等效為常規基坑，以便于簡化設計：

式中：坑趾系數χ=w/H；內外坑開挖寬度比α=b/B；內外坑開挖深度比β=h/H。

基于上述算法，根據各等效深度系數λ值計算所得的各工況下等效深度Heq為：

等效深度Heq計算 表2

總體來說，對于局部落深貼邊的情況，圍護設計可仍按最不利情況處理。對于局部落深0.5～2倍距離的情況，計算等效深度Heq有一定程度的減小，設計中建議做適當優化處理。對于局部落深3～5倍距離的情況，計算等效深度Heq有較大幅度的減小，尤其5倍距離時，幾乎接近于普遍開挖深度6.0m，設計中建議根據計算等效深度Heq進行優化處理。

4 工程驗證分析

本文通過數值模擬分析了局部落深對圍護結構變形的影響規律，并給出了上海地區基坑圍護結構采用SMW工法樁形式時等效深度Heq的計算方法。下面根據實際工程作驗證分析。

上海臨港奉賢園區服務中心項目圍護結構部分區域采用了攪拌樁內插H型鋼的形式。本工程基坑普遍挖深5.65m，局部集水井落深1.5m，大部分集水井落深坑距離圍護結構約1.5m，為1倍開挖深度距離。常規設計經驗，貼邊落深處考慮坑深7.15m，圍護結構采用φ700@500雙軸水泥土攪拌樁（L=16.2m）內插H700×300×13×24型鋼（L=17.0m）；采用前述等效深度Heq分析方法，計算的等效深度Heq=6.6m，圍護結構H型鋼長度減小為L=15.0m，攪拌樁深度減小為L=14.2m。針對上述兩種工況，采用上海同濟啟明星軟件進行設計計算，結果如表3所示。

工程實例對比分析 表3

從上述計算結果可以看出，常規設計中考慮完全挖深7.15m時，H型鋼長17.0m；而考慮等效深度計算Heq時，挖深等效為6.6m，H型鋼長15.0m。兩種情況下H型鋼插入比相當，后者較前者H型鋼和攪拌樁長度均減少2.0m，但計算所得圍護結構水平變形相當，其他穩定性參數也均滿足設計要求，計算說明本文考慮等效深度的計算方法具有一定的可行性，可作為優化設計參考。

5 結論

本文基于上海地區典型土層中SMW工法樁圍護結構形式開展數值模擬，分析了不同局部落深深度、不同深坑位置對于圍護結構水平位移的影響，總體變形規律與工程設計經驗相符合。進一步分析了坑中坑參數定義，結合經驗性的等效深度理論計算公式，計算了各工況下的等效深度Heq，驗證了經驗公式的適用性。基于實際工程案例，結合同濟啟明星計算和常規設計經驗，對上述經驗方法進行了工程驗證分析。

基于本文數值分析以及等效深度Heq經驗計算，設計中對于不同位置的局部深坑，貼邊深坑建議以最不利深度考慮，不作優化；3倍以內距離深坑基于等效深度可做適當優化，3～5倍距離深坑影響程度比較小，基于等效深度可合理優化，減少圍護結構工程量。