巨型基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境空間效應(yīng)影響分析

祁瑞武，鄧會(huì)元，戴國(guó)亮

(1.東南大學(xué) 混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210096；2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 210096)

目前我國(guó)城市化進(jìn)程高速發(fā)展，超高層建筑的大量興建以及地下空間的開發(fā)利用，大量的深基坑工程面臨著由于基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響。在城市復(fù)雜環(huán)境中的深基坑開挖，工程師們對(duì)于如何對(duì)基坑周圍的土體變形移動(dòng)做出可靠的預(yù)測(cè)特別關(guān)注。Peck[1]基于對(duì)土體移動(dòng)來估算對(duì)臨近建筑物及地下管線的不利影響。Burlard等[2]指出深基坑開挖中坑內(nèi)土體被挖空必然導(dǎo)致坑外土體發(fā)生向坑內(nèi)移動(dòng)塌陷的趨勢(shì)，由此引起支護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍地層的變位，從而對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生不利的影響。Blackburn等[3]、劉建航等[4]及Wang等[5]對(duì)基坑周邊土體移動(dòng)機(jī)理以及規(guī)律進(jìn)行了深入研究。由此可見，對(duì)于深基坑開挖過程下對(duì)于周圍土體的變形進(jìn)行研究具有十分重要的工程實(shí)際意義。基坑開挖面積的加大，基坑開挖深度的增加帶來了顯著的三維空間效應(yīng)，鄭剛等[6]采用有限元法分析了坑角效應(yīng)對(duì)基坑周邊建筑物的影響。其他的數(shù)值計(jì)算成果[7-8]也都證實(shí)了坑角效應(yīng)的存在。

面對(duì)復(fù)雜的周圍環(huán)境，在開挖過程中若不對(duì)土體的變形進(jìn)行有效的控制，則會(huì)對(duì)臨近建筑、地下管線以及道路產(chǎn)生不同程度的損害。2008年11月杭州地鐵湘湖站施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生塌陷，地面出現(xiàn)長(zhǎng)75 m的坑陷，道路下的市政管道設(shè)施受到嚴(yán)重破壞，并有多人被埋，是目前國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)史上傷亡最為嚴(yán)重的事故之一[9-10]。2009年6月上海市某高層住宅轟然倒塌，樁基礎(chǔ)連根拔起，上部結(jié)構(gòu)卻基本完整，部分原因與南側(cè)正在開挖的地下車庫(kù)基坑有關(guān)[11]。所以在深基坑的設(shè)計(jì)施工過程中不僅僅要注重基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及變形設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)，對(duì)于周圍環(huán)境的影響要提前進(jìn)行分析。Chang[12]認(rèn)為對(duì)于特殊的開挖(如較大尺度或深度)，考慮到經(jīng)驗(yàn)法缺乏堅(jiān)實(shí)的理論支持，建議采用數(shù)值法。

深基坑開挖影響周圍土體的原因可以從如下過程簡(jiǎn)述中得出，基坑開挖后土體水平方向的應(yīng)力得以釋放，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)并不是理想剛體故產(chǎn)生變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)同土體一同產(chǎn)生水平位移，同時(shí)土體產(chǎn)生豎向位移，由此對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生不容忽視的影響。根據(jù)考慮時(shí)空效應(yīng)估算法，可知基坑的變形與基坑的空間尺寸，基坑暴露的時(shí)間有關(guān)[13]。此外，劉建航[14]對(duì)上海地區(qū)大量的實(shí)際基坑工程以及試驗(yàn)研究進(jìn)行歸納總結(jié)，認(rèn)為基坑的空間尺寸、基坑的開挖時(shí)間對(duì)基坑變形有一定的相關(guān)性。在實(shí)際工程中，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系除了滿足強(qiáng)度要求外，還要控制其變形，防止對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生過大的影響甚至引起破壞[15]。高幸等[16]通過 FLAC3D軟件模擬并結(jié)合實(shí)際工程數(shù)據(jù)推導(dǎo)出了空間效應(yīng)影響系數(shù)、坑角距離和坑角角度之間的函數(shù)關(guān)系。故基坑開挖存在空間效應(yīng)，小型基坑的空間效應(yīng)不明顯，大型基坑的空間效應(yīng)不容忽視且對(duì)基坑安全存在顯著影響。

本文以南京市某巨形深基坑這一實(shí)際工程為例進(jìn)行分析，結(jié)合有限元軟件進(jìn)行建模分析。研究?jī)?nèi)容包括支護(hù)墻自身變形，對(duì)坑外地表沉降影響，深層土體變形影響。

1 工程實(shí)測(cè)研究

1.1 工程概況

本項(xiàng)目為南京世茂G11地塊基坑工程(見圖1)，基坑平均地面標(biāo)高為±0.0 m，基坑開挖周長(zhǎng)約473.9 m，面積約為10 806.9 m2，平均開挖深度約為20.35 m，基坑長(zhǎng)邊方向?yàn)?40.85 m，短邊方向?yàn)?4.55 m。本工程擬建場(chǎng)地位于南京市建鄴區(qū)，北面集慶門大街，東面云錦路，西面江東中路，南面幸福河，基坑開挖面積大、深度大，時(shí)空效應(yīng)顯著，工程周邊環(huán)境較為復(fù)雜，基坑施工對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)要求高，施工場(chǎng)地大，施工難度大。

圖1 建設(shè)場(chǎng)地平面圖

根據(jù)基坑的平面形狀采用剛度大的以地下連續(xù)墻作為支護(hù)體系和鋼筋混凝土撐作為支撐體系的基坑支護(hù)方案。采用受力明確的角撐、對(duì)撐桁架體系；在支撐的材料選擇方面，考慮到本工程基坑面積大、挖深大，導(dǎo)致支撐軸力大，支撐材料選用整體性好、剛度大的四層現(xiàn)澆鋼筋混凝土支撐，每道撐間距如圖2所示。

圖2 基坑剖面圖

1.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

在實(shí)際施工中，為準(zhǔn)確掌握基坑開挖引起的變形對(duì)周圍環(huán)境的影響，判斷基坑以及周圍環(huán)境的安全狀態(tài)，在基坑周圍共布設(shè)多個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示。其中北側(cè)集慶門道路沉降共布置23個(gè)道路監(jiān)測(cè)點(diǎn)，選取R19-1、R19-2、R19-3、R19-4作為基坑長(zhǎng)邊中部的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別距離基坑25 m、30 m、40 m、50 m；選取R23、R24分別為長(zhǎng)邊及短邊的角部重點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別距離基坑15 m、20 m；西側(cè)道路沉降共布置30個(gè)道路監(jiān)測(cè)點(diǎn)，選取R26-1、R26-2、R26-3、R26-4作為基坑長(zhǎng)邊中部的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別距離基坑10 m、25 m、40 m、50 m。分別將各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)期間內(nèi)沉降位移的時(shí)間分布曲線繪制于圖3中，可以發(fā)現(xiàn)：目前基坑實(shí)際工況正處于第二層開挖階段，靠近基坑處沉降明顯，離基坑越遠(yuǎn)，沉降值不斷減小，中部沉降遠(yuǎn)大于角部沉降，兩者相差四倍左右；長(zhǎng)邊沉降遠(yuǎn)大于短邊沉降，長(zhǎng)邊最大沉降在9 mm，短邊最大沉降在4.5 mm左右，兩者相差兩倍。由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)受限于實(shí)際工程進(jìn)度，加之本項(xiàng)目需要對(duì)后續(xù)施工引起的周圍地表沉降有一個(gè)合理的預(yù)測(cè)，故需進(jìn)行有限元數(shù)值模擬。

圖3 周邊道路沉降時(shí)間曲線

2 基坑數(shù)值模擬方案及設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算模型

利用有限元軟件考慮對(duì)周圍環(huán)境的影響，以下建立了簡(jiǎn)化后的基坑模型，江東中路距離基坑為39.7 m，集慶門大街距離基坑約為24.3 m，通過大型通用有限元模擬軟件PLAXIS 3D對(duì)基坑及周圍環(huán)境進(jìn)行數(shù)值建模?；幽Ｐ图巴馏w為實(shí)體模型，立柱樁樁基采用Embedded Beam樁單元。整體模型的邊界尺寸為500 m×500 m×75 m，模型的前后左右約束相應(yīng)的側(cè)向位移，底部約束豎向位移。整體模型如圖4所示。

圖4 基坑及土體模型示意圖

2.2 模型參數(shù)

2.2.1 土層模型參數(shù)

擬建南京G11基坑位置場(chǎng)地的土層分布均勻，模型計(jì)算所用的土體物理參數(shù)選取鄰近的鉆孔號(hào)WK28地層資料作為建模所用的土體參數(shù)。徐中華等[17]提出高級(jí)本構(gòu)模型更能夠合理體現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形以及坑外土體的位移。本土體模型選用土體硬化模型(HS模型)，是分析考慮時(shí)空效應(yīng)的深基坑開挖引起的土體邊位的合理適用的高級(jí)土體本構(gòu)模型，但最下面4-1、4-2層這兩層巖層則采用摩爾-庫(kù)侖模型，數(shù)值模擬需考慮地下水的影響，立柱樁樁身為線彈性材料，并且考慮樁-土接觸面的接觸-滑動(dòng)-脫開。

PLAXIS 3D中定義的土體硬化模型(HS模型)，需定義E50、Eoed、Eur、m等參數(shù)。一般根據(jù)地勘資料中的壓縮模量Es0.1～0.2大致判斷土體的軟硬程度，從而估算土體硬化模型的本構(gòu)模型的參數(shù)。針對(duì)軟土、黏土、砂土，可按照以下經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行取值。

(1) 軟土。例如軟黏土、淤泥質(zhì)土等，當(dāng)壓縮模量在2 MPa～3 MPa時(shí)，通?？砂凑找韵玛P(guān)系選取：

Es0.1～0.2∶E50∶Eoed∶Eur=1.0∶1.5∶1.0:8.0

(1)

(2) 黏土。例如正常固結(jié)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土等，當(dāng)壓縮模量在6 MPa～8 MPa時(shí)，通常可按照以下關(guān)系選?。?/p>

Es0.1～0.2∶E50∶Eoed∶Eur=1∶1∶1∶5

(2)

(3) 砂土。例如細(xì)砂、中砂、粉砂、砂礫石等，當(dāng)壓縮模量在18 MPa以上時(shí)，通常可按照以下關(guān)系選?。?/p>

Es0.1～0.2∶E50∶Eoed∶Eur=1∶1∶1∶3

(3)

上述比例關(guān)系的規(guī)律可總結(jié)為：以Es0.1～0.2為基數(shù)(盡管Es0.1～0.2與Eoed是不同剛度，但經(jīng)驗(yàn)上可取數(shù)值相等)，土體的壓縮模量越大，其他剛度參數(shù)與它的比例就越小。m值一般在0.5～1.0左右，土質(zhì)越差，取值越大。

根據(jù)上述土質(zhì)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值原則，可計(jì)算得到土體硬化模型的本構(gòu)模型參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 PLAXIS 3D模型土體參數(shù)

2.2.2 基坑模型參數(shù)

模型中地下連續(xù)墻采用兩種厚度,分別為1.2 m和1.0 m；四層支撐都采用鋼筋混凝土支撐，第一層支撐截面面積采用750 mm×950 mm，第二層支撐截面面積采用950 mm×1 200 mm，第三層支撐截面面積采用1 150 mm×1 300 mm，第四層支撐截面面積采用950 mm×1 000 mm；立柱樁采用樁徑為1.2 m，模型中單元參數(shù)取值見表2。

表2 模型材料參數(shù)

3 基坑數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 整體模型位移計(jì)算結(jié)果

基坑施工到開挖至坑底的周圍地面位移云圖如圖5所示。

圖5 整體模型沉降位移云圖

結(jié)合工程實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果中基坑開挖初期地表周圍沉降變化規(guī)律基本吻合。從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，在整個(gè)施工階段，東側(cè)UG段周圍土體的沉降較明顯，其最大值為128 mm，主要是由于內(nèi)支撐不合理受力導(dǎo)致地下連續(xù)墻向內(nèi)變形較大而引起周圍土體沉降明顯，但考慮此側(cè)周圍環(huán)境為未開挖土體，并無居民住宅等敏感結(jié)構(gòu)，故不進(jìn)行額外的控制措施。對(duì)于北側(cè)PQ段，由于在中部設(shè)置對(duì)撐，其坑外土體在對(duì)撐作用范圍外左右處的沉降值較大，其值約為30 mm左右，對(duì)于西側(cè)QU段，沉降值較大處位于其邊中部，約為20 mm左右。由于云圖無法得出詳細(xì)的沉降值，故在下述取不同位置的地表進(jìn)行進(jìn)一步的分析，從而進(jìn)一步探究空間效應(yīng)。

3.2 地表沉降計(jì)算結(jié)果

為了研究基坑在施工過程對(duì)周圍土體的位移變化規(guī)律，以下重點(diǎn)分析基坑長(zhǎng)邊方向和短邊方向地表土體沉降變化，同時(shí)考慮基坑的空間效應(yīng)，取坑外中部和坑角處進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6—圖13所示。

3.2.1 長(zhǎng)邊方向坑外中部地表土體沉降計(jì)算結(jié)果

從圖6中的沉降曲線可以看出，隨著開挖深度的逐漸增大，基坑開挖對(duì)地表沉降影響不斷增加，沉降曲線也逐漸趨向于勺狀，沉降最大值出現(xiàn)在開挖至坑底這一工況，最大值為18.7 mm，位于坑外0.8倍開挖深度。凹槽范圍體現(xiàn)出這一區(qū)域的地表沉降顯著，大約為1.5倍開挖深度。

圖6 長(zhǎng)邊方向基坑中部地表土體沉降曲線

3.2.2 短邊方向坑外中部地表土體沉降計(jì)算結(jié)果

相比于長(zhǎng)邊方向，圖7中短邊方向基坑中部的沉降曲線近似于勺狀，但存在兩個(gè)凹槽且沉降最大值明顯減小，整個(gè)開挖過程中沉降最大值出現(xiàn)在開挖至坑底，沉降最大值為7.4 mm，位于距離基坑0.5倍開挖深度附近。在大凹槽再遠(yuǎn)處出現(xiàn)一個(gè)小凹槽，并且可以看出大凹槽產(chǎn)生的位置基本與圖1中長(zhǎng)邊方向產(chǎn)生凹槽的位置接近，此外在基坑周圍附近出現(xiàn)土體向上隆起的趨勢(shì)。

3.2.3 長(zhǎng)邊方向坑外坑角地表土體沉降計(jì)算結(jié)果

從圖8中的地表土體沉降曲線不難得出，坑角長(zhǎng)邊方向距離基坑5 m處有一個(gè)地表基本不發(fā)生沉降，但在地連墻處產(chǎn)生最大位移，之后在5 m之外呈勺狀，沉降最大值為4.1 mm。

圖7 短邊方向基坑中部地表土體沉降曲線

圖8 長(zhǎng)邊方向坑角地表土體沉降曲線

3.2.4 短邊方向坑外坑角地表土體沉降計(jì)算結(jié)果

從圖9中可以看出，坑角短邊方向沉降曲線已經(jīng)不再呈現(xiàn)出勺狀規(guī)律，大約在5 m處有一個(gè)向上的凸起，在45 m處有一個(gè)向下的凹槽，沉降最大值出現(xiàn)在凹槽處，為1.7 mm。

圖9 短邊方向坑角地表土體沉降曲線

通過圖10對(duì)長(zhǎng)邊短邊兩個(gè)方向及中部角部?jī)蓚€(gè)的對(duì)比分析，可以看出中部處沉降曲線形狀基本一致，角部處沉降曲線部分相似；長(zhǎng)邊方向地表沉降大于短邊方向地表沉降，長(zhǎng)邊方向地表沉降大約是短邊方向的兩倍；中部處的地表沉降大于角部處的地表沉降，中部處的地表沉降大約是角部處的四倍左右。由此可以看出基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響存在顯著的空間效應(yīng)。

圖10 地表土體沉降曲線對(duì)比圖

3.3 地下連續(xù)墻變形規(guī)律

通過處理長(zhǎng)邊方向中部一點(diǎn)的地連墻在各個(gè)工況不同深度下的位移值得到了長(zhǎng)邊方向中部地下連續(xù)墻各工況下水平位移圖11。從圖11中可以發(fā)現(xiàn)，開挖第一層時(shí)由于開挖深度不是很大，地連墻的變形如同懸臂梁變形，最大位移位于基坑開挖面處；之后隨著開挖深度的不斷增加，水平位移曲線逐漸呈現(xiàn)為弓狀，并且水平位移最大值隨著開挖深度的增加而不斷下移；當(dāng)開挖至坑底時(shí)，即開挖深度約為20 m時(shí)，水平位移最大值并非發(fā)生在墻體深度中部，而是在中部偏下，約為16 m處。

圖11 長(zhǎng)邊方向中部地下連續(xù)墻各工況下水平位移曲圖

總之，墻體水平位移過大導(dǎo)致基坑開挖施工過程在后期階段極其容易出現(xiàn)混凝土受彎過大導(dǎo)致開裂，不利于混凝土安全，同時(shí)如果混凝土開裂較大易導(dǎo)致坑外水滲入坑內(nèi)，不利于施工安全。因此，需要合理有效地控制墻體水平位移，減小對(duì)周邊環(huán)境的影響。

3.4 基坑施工對(duì)深層土體變形影響

為了研究基坑施工過程對(duì)周圍土體的位移變化規(guī)律，以下重點(diǎn)分析基坑長(zhǎng)邊方向和短邊方向土體剖面沉降和水平位移變化，選取距離基坑邊上不同距離的土體進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖12—圖13所示。

圖12 長(zhǎng)邊方向軸線剖面深層土體水平位移圖

圖13 短邊方向中軸線剖面深層土體水平位移圖

從計(jì)算結(jié)果可以看出，土體水平方向位移隨著離坑邊的距離的增加，其最大值不斷變大，在離基坑較近時(shí)，位移曲線的特點(diǎn)為水平位移最大值位于地表，隨深度不斷減小，當(dāng)距離不斷增加時(shí)，位移曲線發(fā)生變化，最大值下移，曲線形狀變?yōu)楣?，由此可見水平位移曲線隨著距離的不斷增加，可分為兩個(gè)模式。與此同時(shí)，不難看出第一種的曲線規(guī)律與龔曉南等[18]提出的圍護(hù)結(jié)構(gòu)四種變形中懸臂式特點(diǎn)基本吻合，第二種的曲線規(guī)律與地連墻水平變形中弓形式特點(diǎn)基本吻合。

將長(zhǎng)邊方向與短邊方向的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以看出在基坑附近處兩者的水平位移最大值差距較小，在1 mm～2 mm左右；隨著觀測(cè)點(diǎn)離基坑距離的增加，可以看出長(zhǎng)邊方向土體的深層水平位移較大，短邊方向相對(duì)較小，兩者之間差值在13 mm左右再次驗(yàn)證了深基坑開挖存在時(shí)空效應(yīng)。并且由于實(shí)際工程中周邊建筑物離基坑存在一定距離，故開挖影響產(chǎn)生的時(shí)空效應(yīng)不容忽略。

4 結(jié) 論

通過大型通用有限元模擬軟件PLAXIS 3D對(duì)基坑及周圍環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出如下結(jié)論。

(1)坑外深層土體的水平位移與地連墻的變形的曲線特點(diǎn)基本吻合，說明兩者存在著緊密的聯(lián)系，由此可以看出地連墻的變形導(dǎo)致土體發(fā)生向坑內(nèi)的位移。

(2)通過對(duì)基坑不同位置的對(duì)比分析，可以看出中部處沉降曲線形狀基本一致，角部處則部分相似；長(zhǎng)邊方向的地表沉降比短邊方向大2倍左右；中部處的地表沉降比角部處大4倍左右。由此證實(shí)大型深基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響存在著顯著的空間效應(yīng)。

(3)對(duì)于墻體變形，開挖第一層時(shí)由于開挖深度不是很大，地連墻的變形如同懸臂梁變形；之后隨著開挖深度的不斷增加，水平位移曲線逐漸呈現(xiàn)為弓狀，并且水平位移最大值隨著開挖深度的增加而不斷下移；當(dāng)開挖至坑底時(shí)，水平位移最大值在墻體深度中部偏下處。