相鄰基坑圍護結構變形及控制的模擬與實測

胡敏云,夏佳莉,壽樹德,袁 靜,張 勇

(1.浙江工業大學 交通巖土工程研究所,浙江 杭州 310023;2.浙江省建筑設計研究院,浙江 杭州 310027)

隨著地下空間的開發和利用,基坑工程遇到的情況越來越復雜,城市用地緊張且實際工程受工期限制,相鄰基坑往往會出現交叉施工的情況。與獨立基坑受力相比,相鄰基坑間的相互作用關系受多種因素影響、錯綜復雜。目前,關于相鄰基坑開挖的影響問題已開展了諸多研究。薛澳等[1]與呂文龍等[2]的研究表明,鄰近基坑開挖會引起主基坑的坑底隆起量減小;徐偉等[3]與陳小雨[4]分別通過實測與數值模擬得出結論,相鄰基坑開挖可引起坑間土體穩定性降低、圍護結構受力和變形增大,導致坑底隆起變大;沈健[5]通過數值計算分析,認為基坑最終變形量受相鄰基坑開挖工序影響不大;陳湘桂等[6]通過對連續基坑開挖的監測,得出了與此一致的結論;陳東杰[7]通過對工程實測數據的分析得出不同的施工工序對基坑變形有不同的影響,同步開挖工況下對圍護結構變形的影響最小;胡敏云等[8]通過有限元軟件對相鄰基坑同步施工進行數值模擬,分析了圍護結構的變形、支撐軸力及墻后土壓力受相鄰開挖影響的變化關系,給出了同步開挖下相鄰基坑變形機理。

綜上所述,相鄰基坑施工產生的影響是多方面的,需要對圍護結構和土體變形進行綜合分析,現有對相鄰基坑開挖工序產生影響的研究結論還不一致,應該有針對性地開展研究。筆者以深厚軟土地區某相鄰基坑群項目為工程背景,建立三維有限元模型,探究相鄰基坑先后開挖工況下圍護結構受力變形的發展規律,并通過數值模擬分析基坑圍護結構設計參數改變對控制鄰近基坑施工影響的效果,結合工程實測分析,提出有效控制變形的工程措施用以指導工程設計。

1 相鄰基坑先后開挖數值模型建立

1.1 工程概況

杭州市某地塊基坑項目大體呈長方形,擬下設3層地下室(以下簡稱主基坑),地下室基坑開挖深度約為15 m,主基坑尺寸為214 m×180 m,已完成基礎底板澆筑。主基坑東側有擬建地鐵車站基坑,車站基坑長邊與主基坑長邊大體平行,挖深26 m;與主基坑相鄰距離最近處約5 m。車站基坑采用明挖法施工,后于主基坑施工。另外,南側有已建隧道基坑,與主基坑交叉施工,已完工,其對主基坑受力和變形的影響分析參見文獻[8],筆者不作贅述。場地東側180 m位置處有河道,周邊已有建筑與主基坑最近處相鄰140 m。場地平面圖與支護結構剖面圖如圖1所示,剖切位置為1-1。

圖1 場地平面圖與支護結構剖面圖

1.2 場地地質條件

表1 土層HSS本構模型參數取值

1.3 幾何模型

采用PLAXIS 3D有限元軟件對基坑群進行全工況建模。為消除邊界影響,模型尺寸按基坑開挖深度的6倍進行設置,該模型尺寸長×寬×深相應設為650 m×400 m×70 m,四面體結構單元進行網格劃分:基坑圍護結構地連墻用板單元模擬并設置水平位移約束,水平支撐采用梁單元模擬;砼支撐設置強度為32.5 GPa,鋼支撐設置強度為210 GPa;采用坑內降水開挖。場地周邊已有建筑物用“塊”狀物模擬。根據工程實況及場地特征建立基坑模型及網格劃分,結果如圖2所示。

圖2 基坑模型及網格劃分圖

1.4 相鄰基坑先后施工工況

數值模擬中的施工步驟與實際施工工況一致,即主基坑和東側相鄰車站基坑先后進行開挖,具體施工工況如表2所示。

表2 施工工況

2 有限元計算結果分析

2.1 主基坑支護結構水平位移變化

圖3給出了不同工況下主基坑擋墻側移變形。由圖3(a)可知:在主基坑獨立施工階段,當開挖至第1層(-7 m)時,擋墻的最大側移量為15.4 mm,在深度為-10.2 m處;當開挖至第3層(-15 m)時,最大側移量為22.5 mm,出現在深度為-11.5 m處;隨著開挖深度加深,相鄰側擋土結構水平位移變大,最大側移出現的深度也隨之加深。然而,當相鄰基坑開始施工后,主基坑相鄰區擋土結構側移發展方向發生了轉變,出現向坑外的“回彈”,如圖3(a)所示。同時考察了主基坑非相鄰側擋墻結構的側移,由圖3(b)可知:受相鄰基坑開挖影響,該側的擋墻位移向坑內增加了7%。綜上可知:先后開挖的相鄰基坑,已開挖基坑擋墻的側移變形趨勢為整體向后開挖基坑側發展,這與基坑采用內支撐擋墻式支護有關,樁墻+支撐式圍護體系的受力變形具有整體性。

圖3 主基坑圍護結構側移圖

2.2 相鄰基坑間地表沉降分析

圖4為不同施工階段下地表沉降的位移云圖:主基坑獨立施工階段,相鄰基坑間地表最大沉降量為13 mm,非相鄰側為10 mm;東側相鄰基坑開挖完成后,相鄰側地表最大沉降量增大至18 mm,非相鄰側增大至13 mm。相鄰基坑的施工會使得相鄰區域地基土的擾動進一步加深。

圖4 基坑外地表豎向位移云圖

2.3 圍護結構變形機理分析

圖5為相鄰基坑施工完成后的土體總位移云圖。根據主基坑的坑底土體位移大小,可以劃分出3個區域:區域A為輕度受影響;區域B為中度受影響;區域C為重度受影響。根據相鄰基坑間土體沉降大小,又可劃分出2個區域:區域2的土體沉降為19～20 mm,屬于重度受影響;區域3,4的土體側移量為15～17 mm,受相鄰基坑開挖擾動的影響較小。由圖5可知:相鄰一側土體受相鄰基坑開挖影響程度明顯大于非相鄰側,且距離越近,受影響程度越大。

圖5 相鄰基坑土體總位移云圖

綜合以上計算結果分析,可得到先后開挖下相鄰基坑的變形影響規律,如圖6所示。鄰近深基坑開挖會引起土體向后開挖基坑側移動,導致已開挖基坑支護體系有向后開挖深基坑“傾倒”的態勢,表現為已開挖基坑支撐軸力減小,先開挖基坑相鄰側的擋墻會出現向坑外回彈,相鄰側坑底隆起量會變小。這些變形的“恢復”并不代表先開挖基坑的受力變形朝著安全的方向發展,原因是:相鄰基坑間的土體會受到后開挖基坑施工的進一步擾動,地表沉降會加劇,且非相鄰側擋墻側移會隨開挖繼續變大。因此,相鄰基坑開挖影響下的基坑安全性的評估需要全面考察基坑整體的變形監測數據、綜合分析相鄰側和非相鄰側支護結構和土體變形,在正確評價基坑變形和環境影響的基礎上給出科學判斷。

圖6 相鄰基坑(先后施工)變形影響規律

3 基坑圍護設計對控制相鄰基坑影響變形的效果分析

相鄰基坑的施工會對先期開挖基坑的圍護結構變形以及周邊環境產生一定影響,因此在基坑設計中應加以考慮。現探討在基坑支護設計方面抑制相鄰基坑施工影響的方法和效果,將原有模型中的主基坑和相鄰地鐵車站基坑平面形狀均簡化為矩形,工況不變。

3.1 設置板帶支撐

對于大型軟土深基坑,采用板式支撐可以增強圍護結構整體剛度,提高支護結構工作的整體性能。在原來支撐基礎上,將基坑角部位置的第1道和第2道獨立支撐聯結成板帶式支撐。在數值模型中用板單元模擬板帶支撐,賦予混凝土材料屬性,強度設置為32.5 GPa,并與未加設板帶支撐對比,探討加設板帶支撐對控制相鄰基坑變形影響的效果。加設板帶后的模型如圖7所示。

圖7 板帶支撐模型

相鄰基坑開挖完成后,相鄰側擋墻變形計算結果如圖8所示。未加設板帶支撐的情況下,擋墻最大側移為25 mm,出現在深度-10.6 m處;加設板帶支撐后,最大側移為22.1 mm,出現最大值的深度不變,而變形減小了11.6%,可以得出將獨立支撐聯結成板帶式支撐可以有效抑制圍護墻受相鄰基坑影響的最大側向變形量。

圖8 板帶支撐計算結果

3.2 被動區加固

為了提高軟土基坑抗隆起穩定性,往往在基坑開挖前對坑底土進行加固處理,土體加固模型如圖9所示。在計算模型中通過改變對應范圍內的土體強度實現加固,將其強度設為21 MPa,并設置加固方案以對比加固范圍的影響:第1組加固深度為d/4,其中d為開挖深度;第2組加固深度為d/3;第3組加固深度為d/2;第4組加固深度為3d/4;第5組加固深度為1d;第6組未設置加固區。將相鄰基坑開挖完成后的相應擋土結構側移計算結果進行整理,如圖10所示。

圖9 土體加固模型

圖10 不同加固范圍下擋土結構變形控制效果對比

由計算結果可得:被動區土體加固能夠有效控制擋土墻的側移,且當加固范圍達到開挖深度的d/2時,與未加固的方案對比,可以減小35%的擋土結構側移,此時具有最高工程性價比,因此,被動區土體加固寬度取值為d/3～d/2。

根據上述結果,進一步討論加固深度的影響,設置如下對照組:第1組加固深度為3 m;第2組加固深度為6 m;第3組加固深度為9 m;第4組不進行加固。在相鄰基坑開挖完成后,坑底隆起最大位置處的計算結果如圖11所示。由圖11可知:坑底隆起量雖然隨著加固深度增加而減小,但是加固深度過深會造成材料的浪費。綜合以上分析,建議被動區加固深度取值為3～6 m,即d/3～d/2。

圖11 不同加固深度坑底隆起變形抑制效果對比

4 工程實測分析

綜合分析場地條件、基坑深度和大小、相鄰基坑間距等因素,主基坑采用在基坑角部位置將獨立支撐聯結成板帶支撐,設置三軸水泥攪拌樁進行被動區土體加固的方式,抑制相鄰基坑的影響,控制基坑側移和坑底隆起變形,基坑開挖工況如表2所示。

4.1 監測點布置

主基坑監測點布置如圖12所示:相鄰基坑間布置的測斜點為CX20,非相鄰側的測斜點為CX5,可對比相鄰與非相鄰側圍護結構的變形情況;地表沉降測點有DB19與DB20,在測點位置處其基坑間距分別為8.53,22.85 m。

圖12 基坑側測點示意圖

4.2 圍護結構側移分析

相鄰側和非相鄰側圍護結構側移監測點CX20和CX5的監測結果如圖13所示。圖13分別給出若干不同工況節點對應的主基坑擋土結構側移情況:從相鄰基坑開挖之初到結束,主基坑相鄰側擋土墻的側移始終在向坑外回彈,擋墻出現的最大回彈量為15 mm;在開挖面以上不同深度處的擋墻回彈量不一致,與支撐的布置和強度有關。擋土結構出現回彈是由于相鄰基坑挖土卸載,引起墻后土壓力減小,亦可導致支撐軸力減小。

圖13 擋土結構側移

主基坑非相鄰側測點CX5處擋土結構側移受東側相鄰基坑開挖影響不斷向坑內發展,樁身側移最大值增加5 mm,樁頂側移大約增加2 mm;相比于相鄰側,非相鄰側擋土結構整體受到的影響較小,實測得到的整體規律與有限元結果一致。

4.3 地表沉降分析

地表沉降測點DB20,DB19的監測數據結果如圖14所示。通過對比兩測點的地表沉降可得出:相鄰基坑開挖會加劇兩基坑間土體的沉降,DB20樁后土體沉降在主基坑開挖完成后為7.5 mm;受相鄰基坑開挖其沉降最大值達到18 mm,而在相鄰間距更近的DB19測點處,地表沉降受影響后增加了20 mm的變形量。由圖14可知:相鄰基坑的影響與間距有關,相鄰基坑間距越小,相鄰基坑間的土體受開挖擾動越大,其沉降量也大,與有限元計算得到的變形規律一致。

圖14 相鄰基坑間土體地表沉降變化

5 結 論

通過數值模擬,探究了深厚軟土地區帶支撐支護的相鄰基坑先后開挖工況下的相互影響作用,討論了不同的工程措施對控制變形的效果,研究成果可用于指導工程設計。結合工程實測數據分析得到:1) 當相鄰基坑近距離施工時,后開挖基坑施工將對先開挖基坑的圍護結構受力變形造成影響,即先開挖基坑的相鄰側擋土結構側移量減小、非相鄰側擋墻側移加劇;先開挖基坑兩側的地表沉降量均增大,尤其是相鄰基坑間的地表沉降加劇;先開挖基坑相鄰側的坑底隆起量減小,且基坑間距越近,受影響程度越大。2) 采用內支撐擋墻式支護結構的軟土基坑變形具有整體性,對鄰近基坑施工的敏感性高,受相鄰基坑開挖影響,本主基坑非相鄰側擋土結構側移增大,最大位移可增加86%,而相鄰側擋墻側移發展方向會發生轉變,最大位移回彈量可達到34%。因此工程監測中需要關注基坑整體受力和變形的發展趨勢,對相鄰基坑施工影響進行綜合判斷。3) 采用加強基坑支撐剛度和軟土基坑坑底加固等工程措施有利于消減相鄰基坑開挖帶來的不利影響。在基坑的側移方向設置板帶支撐有利于控制圍護結構的側向位移;坑底土體加固能有效抑制圍護結構的側向位移和坑底隆起,建議被動區土體加固寬度為d/2,加固深度為d/3～d/2。