“坑中坑”模式下基坑應(yīng)力變形分析

衛(wèi)俊杰

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司,上海市200092）

“坑中坑”模式下基坑應(yīng)力變形分析

衛(wèi)俊杰

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司,上海市200092）

通過對(duì)基坑施作形式為“坑中坑”時(shí)的地表沉降分析、基坑隆起分析、水平變形分析及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力分析,得出基坑施作方式為“坑中坑”時(shí),要針對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不同部位采用相應(yīng)的控制措施。大基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形要遠(yuǎn)大于小基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。因此,當(dāng)基坑施作方式為“坑中坑”時(shí),危險(xiǎn)源在于大基坑的變形,地表沉降。相對(duì)而言,小基坑較為安全。

坑中坑；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；變形；受力

1 概述

大量的高層建筑、地鐵建筑、商場(chǎng)及車庫(kù)等大規(guī)模地下空間的利用開發(fā),加上城市建設(shè)步伐加快,國(guó)民經(jīng)濟(jì)和城市人口的急劇增加,深基坑的應(yīng)用越來(lái)越多,越來(lái)越重要[1-5]?？紤]土體支護(hù)的綜合作用,土體強(qiáng)度穩(wěn)定和變形問題,將深基坑的開挖成為基礎(chǔ),以及地下空間施工的綜合性巖土工程難題,選取合理可靠的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu),保證施工過程中支護(hù)體系的安全性,同時(shí)還要滿足結(jié)構(gòu)變形受力和周圍土體位移,這樣才能保證開挖過程中周圍土體,以及周圍建筑物的安全[6-10]。

王廣國(guó)[11]等首次對(duì)基坑開挖大變形問題采取相應(yīng)理論研究,分析指出在考慮基坑大變形問題過程中,應(yīng)用小變形理論產(chǎn)生的問題,并且會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)誤差,同時(shí)根據(jù)小變形誤差的大小,定量分析了大小變形理論所對(duì)應(yīng)的使用范圍。俞建霖[12]采用三維有限元方法對(duì)基坑開挖過程中的基坑幾何尺寸效應(yīng)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移,以及土壓力分布等問題進(jìn)行深基坑的數(shù)值分析研究。高文華[13]對(duì)深基坑分布開挖和地基的流變特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析,同時(shí)研究了深基坑支護(hù)過程中墻體受力變形的特性。李佳川[8]對(duì)大量地下連續(xù)墻使用的深基坑開挖工程進(jìn)行了復(fù)雜的三維分析,其中采用了八節(jié)點(diǎn)非協(xié)調(diào)的參有限元方法?？紫轾i等[14]對(duì)明珠二號(hào)線上海體育館地鐵車站穿越施工地鐵一號(hào)線車站工程進(jìn)行研究,結(jié)果分析表明:施工過程會(huì)破壞原來(lái)土體平衡,對(duì)既有車站土體產(chǎn)生一定擾動(dòng),會(huì)在一定程度上引起新開挖車站的不均勻沉降。

結(jié)合實(shí)際工程研究的基坑是大基坑中同時(shí)施工一個(gè)小基坑,呈現(xiàn)出是“坑中坑”的形式。對(duì)此,將著重研究在這種“坑中坑”的形式下,基坑周圍地表的沉降,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移,以及坑底的隆起和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。

2 工程概況

某深基坑工程為軌道交通2號(hào)線三陽(yáng)廣場(chǎng)站—東林廣場(chǎng)站區(qū)間配套工程。基坑長(zhǎng)約428 m,寬約40 m,局部?jī)?nèi)凹為30 m。設(shè)計(jì)地面標(biāo)高為3.0～3.4 m,頂板覆土≥2.5 m。該項(xiàng)工程基坑為整體深坑及坑中坑形式,整體深坑深度約為18 m,淺坑深度為11 m,局部落低處深度為7 m,具體詳見圖1。

圖1 地鐵基坑區(qū)間斷面圖

3 深基坑數(shù)值模擬

3.1 基坑模型及力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬采用大型有限元差分軟件FLAC3D,模型寬120 m,高50 m,模型橫向長(zhǎng)度取300 m（由于實(shí)際橫向長(zhǎng)度過長(zhǎng),進(jìn)行了選取,沿橫向取兩個(gè)端頭井,以及中間變截面處標(biāo)準(zhǔn)段）,尺寸如圖2所示,基坑所處地層情況分為7種,具體可見表1所列。選取標(biāo)準(zhǔn)斷面模型如圖3所示,基坑采用坑中坑的模式,上部基坑為寬度40 m,深度為11 m,下部基坑寬度為20 m,深度為7 m。

圖2 FLAC3D整體模型圖

表1 地鐵基坑圍巖物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)一覽表

圖3 FLAC3D基坑模型圖

其中,土體采用摩爾庫(kù)倫材料進(jìn)行模擬,主要參數(shù)見表1所列。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模擬,屬性為混凝土材料；支撐采用梁?jiǎn)卧M,第一道支撐為混凝土撐,其余支撐為鋼支撐。

3.2 基坑監(jiān)測(cè)線布置

該基坑主要考慮基坑周圍土體的豎向位移和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移,以及坑底的隆起值,其中土體的豎向監(jiān)測(cè)線共5條,分別為VA、VB、VC、VD、VE,具體監(jiān)測(cè)線位置如圖4所示。

3.3 模擬開挖過程

深基坑在開挖過程中分為四種工況,具體情況見表2。

圖4 基坑周圍土體豎向監(jiān)測(cè)線布置圖

表2 基坑開挖順序表

基坑施工流程圖如圖5所示。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 土體的豎向位移分析

考慮到基坑的形式的不規(guī)則,在開挖過程中,基坑周圍土體的位移隨著開挖步的進(jìn)行而不斷變化,觀察五條水平監(jiān)測(cè)線在四種工況下的變化可見以下系列趨勢(shì)圖（見圖6～圖10）。

圖6 VA監(jiān)測(cè)線豎向位移圖

圖7 VB監(jiān)測(cè)線豎向位移圖

圖8 VC監(jiān)測(cè)線豎向位移圖

圖9 VD監(jiān)測(cè)線豎向位移圖

圖10 VE監(jiān)測(cè)線豎向位移圖

由圖7～圖10可以看出,隨著基坑開挖尺寸的增加,基坑周邊的地表沉降逐漸增大,地表沉降的影響范圍也逐漸增大。此外,由這些圖中的工況三和工況四的對(duì)比分析可知,地表沉降在小基坑開挖后出現(xiàn)了較大幅度的增長(zhǎng)。由圖7可以看出,對(duì)于基坑端頭這一側(cè)監(jiān)測(cè)VB線時(shí),工況三（大基坑）開挖完成后,基坑VB線地表最大的沉降為2.5 mm,工況四（小基坑）開挖完成后,基坑VB線地表最大的沉降為4.9 mm。小基坑開挖后,地表沉降增加幅度為96%。沉降槽出現(xiàn)位置距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)7.5 m處,靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)一側(cè)出現(xiàn)隆起,隆起值為5.0 mm。這一監(jiān)測(cè)線最后的地表沉降值與地表隆起值之比為0.98。

對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)這一側(cè)監(jiān)測(cè)VC線時(shí),工況三（大基坑）開挖完成后,基坑VC線地表最大的沉降為3.1 mm,工況四（小基坑）開挖完成后,基坑VC線地表最大的沉降為11.0 mm。小基坑開挖后,地表沉降增加幅度為255%。沉降槽出現(xiàn)位置距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)7.5 m處,靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)一側(cè)出現(xiàn)隆起,隆起值為2.1 mm。這一監(jiān)測(cè)線最后的地表沉降值與地表隆起值之比為5.24。

對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)這一側(cè)監(jiān)測(cè)VD線時(shí),工況三（大基坑）開挖完成后,基坑VD線地表最大的沉降為3.1 mm,工況四（小基坑）開挖完成后,基坑VD線地表最大的沉降為6.7 mm。小基坑開挖后,地表沉降增加幅度為116%。沉降槽出現(xiàn)位置距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)10.0 m處,靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)一側(cè)出現(xiàn)隆起,隆起值為5.5 mm。這一監(jiān)測(cè)線最后的地表沉降值與地表隆起值之比為1.22。

對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)這一側(cè)監(jiān)測(cè)VE線時(shí),工況三（大基坑）開挖完成后,基坑VE線地表最大的沉降為3.1 mm,工況四（小基坑）開挖完成后,基坑VE線地表最大的沉降為7.8 mm。小基坑開挖后,地表沉降增加幅度為152%。沉降槽出現(xiàn)位置距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)10.0 m處,靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)一側(cè)出現(xiàn)隆起,隆起值為2.8 mm。這一監(jiān)測(cè)線最后的地表沉降值與地表隆起值之比為2.79。

對(duì)比圖7～圖10,可以看出,端頭VA這一監(jiān)測(cè)線的地表沉降值最大,高達(dá)15.9 mm,端頭VB這一監(jiān)測(cè)線與VC這一監(jiān)測(cè)線地表沉降值相差不大,VC與VE的最大地表沉降也基本一樣。

因此小基坑開挖后要著重考慮采用加強(qiáng)圍護(hù)措施防止地表沉降過大。由圖7至圖10,可以看出,由于基坑形式是不規(guī)則的多邊形,基坑不同部位的圍護(hù)結(jié)構(gòu)施作的影響范圍不一樣,其對(duì)應(yīng)的地表沉降影響規(guī)律基本一樣,但是沉降槽的出現(xiàn)位置有所區(qū)別,在控制地表沉降時(shí)應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的情況進(jìn)行相應(yīng)的范圍內(nèi)控制。

4.2 坑底的隆起（見圖11）

圖11 基坑底部隆起曲線圖

由圖11可以看出隨著基坑開挖尺寸的進(jìn)行,基坑底部隆起值由工況一的14.5 mm增加到了工況四的18.0 mm,增加幅度為24.1%。工況一到工況三,其隆起值由14.5 mm增加到了16.0 mm,工況三到工況四,其隆起值由16.0 mm增加到了18.0 mm。對(duì)比分析可知,基坑在小基坑開挖后會(huì)出現(xiàn)在兩側(cè)的基坑隆起值降低,中間的隆起值增大。因此大基坑開挖完成后至小基坑開挖前,基坑的隆起值變化不大,小基坑開挖后,坑底隆起值會(huì)出現(xiàn)增幅達(dá)24.1%的變化。

4.3 基坑的水平位移（見圖12、圖13）

圖12 基坑整體水平位移圖

圖13 小基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移圖

對(duì)比圖12和圖13可以看出,大基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移為15.0 mm,小基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移為6.5 mm?；铀轿灰频淖兓燃s56%。

圖14是圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形放大了400倍后的形狀。由其變形可以看出,外圍的圍護(hù)結(jié)構(gòu)有往基坑內(nèi)擠壓的趨勢(shì),內(nèi)部的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形較小。

圖14 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形圖

“坑中坑”的基坑施作方式對(duì)下部小基坑而言,從控制位移變形方面是起顯著作用的。

4.4 應(yīng)力分析（見圖15～圖18）

圖15 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力圖

圖16 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)力圖

圖17 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大剪切應(yīng)力圖

圖18 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大軸力圖

由圖15～圖18可以看出,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主大主應(yīng)力為5.7 MPa,最小主應(yīng)力為2.5 MPa,最大剪切應(yīng)力為3.7 MPa。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的拐角處出現(xiàn)應(yīng)力集中?；拥淖畲筝S力為1.1 kN。

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)根據(jù)工程所處區(qū)段的地形地貌、水文地質(zhì)條件、巖層特性和施工要求而確定。該基坑保護(hù)等級(jí)為一級(jí),基坑開挖深度較深,坑中坑區(qū)域最深已達(dá)18 m,在開挖深度達(dá)到6 m以上的時(shí)候,應(yīng)該需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)基坑及周邊環(huán)境的安全,基坑邊緣外側(cè)1～3倍基坑開挖深度范圍內(nèi)需要保護(hù)的周邊環(huán)境應(yīng)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象,必要時(shí)需要增加監(jiān)測(cè)范圍。在該基坑開挖過程中密切監(jiān)測(cè)立柱沉降、圍護(hù)墻頂沉降、周圍土體地表沉降、圍護(hù)墻體的測(cè)斜位移及支撐內(nèi)力的變化,科學(xué)評(píng)估基坑開挖對(duì)圍護(hù)體系自身形變及周邊環(huán)境的影響。因整個(gè)基坑監(jiān)測(cè)范圍較大,若全部列出,其篇幅太大,且沒必要,故只給出相關(guān)的部分現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面布置示意圖,見圖19所示。

圖19 現(xiàn)場(chǎng)部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繁多,現(xiàn)選取有代表性的三組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。選取數(shù)值模擬VC監(jiān)測(cè)線上距離圍護(hù)墻體5 m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB19-1的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行沉降值對(duì)比分析,見圖20所示；選取數(shù)值模VC監(jiān)測(cè)線與圍護(hù)墻體相交點(diǎn)的豎向深層墻體水平位移監(jiān)測(cè)線與對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX19的監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析,見圖21所示；選取標(biāo)準(zhǔn)斷面第一層支撐數(shù)值計(jì)算和對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZL17-1.4的軸力值進(jìn)行對(duì)比分析,見圖22所示。

圖20 數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降值對(duì)比圖

圖21 數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)水平位移值對(duì)比圖

圖22 數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)支撐內(nèi)力值對(duì)比圖

由圖20～圖22分析可得,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值和數(shù)值模擬結(jié)果可以基本吻合,都較好地反應(yīng)了基坑在開挖過程中的變形情況和支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況。同時(shí),兩者之間也存在一定的誤差,造成這種誤差的原因可能有兩點(diǎn):（1）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的誤差,由于人為,以及監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備等因素,造成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果不符；（2）數(shù)值計(jì)算的誤差,表現(xiàn)在土體力學(xué)物理參數(shù),以及土體本構(gòu)模型的選取差異造成的誤差,勘察結(jié)果與實(shí)際地層不符。當(dāng)然,這兩方面都避免不了存在一定的誤差。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值計(jì)算得到的基坑開挖變形,以及支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)軸力值變化規(guī)律,其誤差是可以接受,這也證明了采用該數(shù)值計(jì)算的可靠性。故建議在類似基坑開挖之前,尤其是類似本文所述的“坑中坑”類型基坑的復(fù)雜基坑,采用數(shù)值模擬的方法,按照實(shí)際基坑開挖步驟進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,以便大致預(yù)知基坑開挖過程中可能的變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征,做好提前的防范措施,保證基坑施工和鄰近建筑物的安全。

6 結(jié)論

以某地下深基坑開挖工程為依托,對(duì)“坑中坑”基坑施作方式下的位移受力進(jìn)行數(shù)值模擬研究,經(jīng)分析得出下面幾點(diǎn)結(jié)論:

（1）對(duì)于基坑形式為不規(guī)則的多邊形,基坑不同部位的圍護(hù)結(jié)構(gòu)施作的影響范圍不一樣,其對(duì)應(yīng)的地表沉降影響規(guī)律基本一樣,但是沉降槽的出現(xiàn)位置有所區(qū)別,在控制地表沉降時(shí)應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的情況進(jìn)行相應(yīng)的范圍內(nèi)控制。

（2）在基坑開挖過程中,對(duì)比與大基坑施作完成后的地表沉降值,在小基坑施作完成后,地表沉降會(huì)出現(xiàn)較大的突變,其突變幅度高達(dá)255%。出現(xiàn)在VC監(jiān)測(cè)線處。

（3）對(duì)比與大基坑施作完成后的基坑隆起值,在小基坑施作完成后,基坑隆起會(huì)出現(xiàn)較小的變化,其增加幅度為24.1%。

（4）基坑的水平變形主要是大基坑的外圍護(hù)變形,最大變形出現(xiàn)在基坑拐角處。小基坑的水平變形較小?；邮┳髦谐霈F(xiàn)“坑中坑”的施作方式對(duì)控制小基坑的水平變形而言是有利的。

（5）圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布在基坑拐角處出現(xiàn)應(yīng)力集中,但滿足混凝土的抗壓要求。撐的支撐軸力最大值為1.1 kN,滿足撐的抗壓要求。整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

[1]賀會(huì)團(tuán),趙維炳.土壓力問題研究綜述[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào), 2005,3(4):10-15.

[2]譚躍虎,錢七虎.作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力測(cè)試與分析[J].建筑技術(shù),1998(增刊):110-115.

[3]何頤華,楊斌,金寶森,等.深基坑護(hù)坡樁土壓力的工程測(cè)試及研究[J].土木工程學(xué)報(bào),1997,20(1):110-120.

[4]魏汝龍.總應(yīng)力法計(jì)算土壓力的幾個(gè)問題 [J].巖土工程學(xué)報(bào), 1995,17(6):120-12.

[5]陳書申.經(jīng)典土壓力理論的局限與小變位土壓力計(jì)算的建議[J].土工基礎(chǔ),1997,11(2),15-21.

[6]李世祥.基坑工程的反分析研究[D].南京:河海大學(xué),1998.

[7]戴繼.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的三位有限元分析[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué),2004.

[8]李佳川.地下連續(xù)墻深基坑開挖的空間效應(yīng)分析[J],上海建設(shè)科技,1995,（1）:21-22.

[9]王曉妮.多支撐支護(hù)深基坑開挖的數(shù)值模擬[D].南京:河海大學(xué), 2006.

[10]胡孔國(guó),吳京,宋啟根.深基坑開挖和支護(hù)全過程分析的彈塑性有限元法[J].建筑結(jié)構(gòu),1999,(3):34-36.

[11]王廣國(guó),杜明芳,侯學(xué)淵.深基坑的大變形分析[J],巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2000,19(4):509-512.

[12]俞建霖,龔曉南.軟土地基基坑開挖的三維性狀分析[J],浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),1998,32(5):552-557.

[13]高文華.流變性軟土地基模型的時(shí)效性分析與剛度計(jì)算[J],巖土力學(xué),1998,19(4):25-30.

[14]孔祥鵬,劉國(guó)彬,廖少明.明珠線二期上海體育館地鐵車站穿越施工對(duì)地鐵一號(hào)線車站的影響 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2004,23(5):821-824.

TU753

A

1009-7716（2017）07-0297-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.090

2017-03-23

衛(wèi)俊杰（1985-）,男,江蘇南通人,工程師,從事地下工程設(shè)計(jì)工作。