深基坑陽角區(qū)域變形性狀及開挖對(duì)坑外樁基的影響分析*

吳昌將， 周 磊， 易 禮， 陳 夢(mèng)， 俞 雋， 劉紫秋

(1 南通大學(xué)交通與土木工程學(xué)院， 南通 226019；2 中建三局第二建設(shè)工程有限責(zé)任公司浙江建筑設(shè)計(jì)院， 杭州 310003；3 上海申元巖土工程有限公司， 上海 200011)

0 引言

深基坑的開挖卸荷會(huì)改變側(cè)壁周圍土體的應(yīng)力場，引起土體產(chǎn)生側(cè)向位移和沉降，進(jìn)而造成鄰近建(構(gòu))筑物、管線的變形，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐苫邮Х€(wěn)坍塌的安全事故。目前對(duì)基坑工程，通常采用平面豎向彈性地基梁法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，采用此方法設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，忽略基坑坑角效應(yīng)的影響，這不能反映基坑土壓力與位移變形的實(shí)際情況，會(huì)造成支護(hù)體系設(shè)計(jì)偏于保守或危險(xiǎn)。如對(duì)于陰角區(qū)域，由于空間效應(yīng)的存在，使坑角處土體的穩(wěn)定性及變形均有利于基坑中部土體；而對(duì)于陽角區(qū)域，坑角處土體存在兩方向上的臨空開挖面，其穩(wěn)定性和變形遠(yuǎn)較平面應(yīng)變問題復(fù)雜且不利，尤其是陽角區(qū)域還存在坑外鄰近建筑的情況。因此，基于坑角效應(yīng)的陽角區(qū)域深基坑變形性狀值得重視研究。

關(guān)于深基坑坑角效應(yīng)，諸多學(xué)者已經(jīng)作了較為深入的理論與實(shí)踐研究。主要包括兩方面內(nèi)容：1)坑角效應(yīng)對(duì)基坑本體的變形性狀影響研究[1-7]?？咏切?yīng)的存在不僅影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能，同時(shí)也對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生不同影響。特別在狹長形的基坑中，距離坑角一定范圍之外的區(qū)域接近平面應(yīng)變狀態(tài)，坑角附近區(qū)域卻呈現(xiàn)三維空間受力狀態(tài)，導(dǎo)致了基坑中部的地表沉降明顯大于坑角附近區(qū)域。2)坑角效應(yīng)對(duì)坑角處鄰近建筑的影響[8-11]?？咏歉浇慕ㄖ镌诖怪被雍脱鼗臃较蚓l(fā)生不均勻沉降，且表現(xiàn)為三維沉降狀態(tài)，同時(shí)還存在撓曲變形和扭轉(zhuǎn)變形。然而，以往深基坑坑角效應(yīng)的研究成果主要集中在緊鄰坑角區(qū)域土體位移與基坑中部土體位移之間的差異，影響坑角效應(yīng)的平面尺寸與基坑挖深的相對(duì)尺度，坑角處建筑處于撓曲變形和扭轉(zhuǎn)變形的共同作用狀態(tài)等方面。關(guān)于基坑開挖對(duì)于坑外建筑的影響，通常以等代荷載代替坑外建筑，以無建筑時(shí)的地表沉降代替建筑物的真實(shí)沉降[12-14]，再根據(jù)有關(guān)規(guī)范評(píng)估建筑物的破壞情況。這種數(shù)值分析方法忽略了建筑物、基坑和土體的相互作用影響。

由于基坑與其支護(hù)結(jié)構(gòu)體系是一個(gè)三維的空間受力體系，基坑的開挖存在空間效應(yīng)[1]，坑陰角區(qū)域由于土拱效應(yīng)以及邊界效應(yīng)的存在，基坑的變形性狀及穩(wěn)定性更為有利。但是，對(duì)于基坑形狀有突變的地方尤其是陽角區(qū)域，其兩個(gè)方向上都會(huì)產(chǎn)生變形和失穩(wěn)，且相互之間疊加形成三維曲面沉降槽，加劇了基坑開挖的風(fēng)險(xiǎn)性。因此，深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)忽略陽角區(qū)域坑角效應(yīng)對(duì)基坑變形的影響。本文以上海長興科技廠房基坑工程為依托，借助FLAC3D程序建立三維數(shù)值模型，對(duì)坑陽角處的基坑變形性狀及鄰近建筑樁基的變形進(jìn)行分析，進(jìn)而評(píng)估陽角處坑角效應(yīng)對(duì)基坑變形性狀與建筑物的影響，同時(shí)結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相互對(duì)比和驗(yàn)證。

1 工程概況

1.1 基坑概況

上海長興科技廠房項(xiàng)目位于上海市徐匯區(qū)漕河涇開發(fā)區(qū)，北鄰宜山路，東至古美路。該基坑開挖面積約1萬m2，圍護(hù)周長400m，呈不規(guī)則L形。地下共兩層，普遍開挖深度10.5m?；又車h(huán)境保護(hù)要求較高，四周均有眾多地下市政管線或鄰近已建建筑，尤其是基坑?xùn)|北側(cè)陽角區(qū)域緊鄰已建一期廠房(5層，樁基，框架結(jié)構(gòu))，基坑設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)采取措施加強(qiáng)保護(hù)。本場址地貌類型屬于濱海平原相，基坑圍護(hù)開挖影響范圍內(nèi)土層主要由飽和黏性土、粉性土、砂土組成。其中深度25m以上分布以③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④淤泥質(zhì)黏土以及⑤1粉質(zhì)黏土為主的軟土層，具有高含水率、高孔隙比、低強(qiáng)度、高壓縮性等較差的物理力學(xué)性質(zhì)。

1.2 圍護(hù)設(shè)計(jì)方案

鑒于本基坑開挖較深，地質(zhì)條件差，周邊環(huán)境保護(hù)要求高，施工用地空間緊張等綜合因素，采用φ950@1 100鉆孔灌注樁+兩道鋼筋混凝土水平支撐+φ850@600三軸水泥攪拌樁止水帷幕支護(hù)形式。基坑典型圍護(hù)剖面和基坑平面布置見圖1、圖2。

圖1 基坑典型圍護(hù)剖面圖

圖2 基坑平面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

2 現(xiàn)場實(shí)測(cè)分析

為了確?；影踩?，實(shí)時(shí)掌握基坑本體變形以及鄰近建筑物沉降發(fā)展趨勢(shì)，開挖過程中對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境進(jìn)行全面地監(jiān)測(cè)。具體測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，主要針對(duì)基坑側(cè)壁的變形以及坑陽角處建筑物樁基的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析?；泳唧w施工工況如下：工況①，開挖至第一道支撐底，施工第一道支撐；工況②，從第一道支撐底開挖至第二道支撐底，施工第二道支撐；工況③，從第二道支撐底開挖至底板，施工底板；工況④，拆除支撐，施工地下結(jié)構(gòu)。

2.1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移分析

圖3，4分別為工況②、工況③的基坑圍護(hù)樁測(cè)斜位移變化曲線，其中CX2測(cè)點(diǎn)為坑陽角區(qū)域測(cè)斜點(diǎn)。

圖3 工況②的圍護(hù)樁測(cè)斜位移變化曲線

圖4 工況③的圍護(hù)樁測(cè)斜位移變化曲線

由測(cè)斜位移曲線可知：1)圍護(hù)樁側(cè)向變形均呈“鼓肚子”拋物線形狀，即圍護(hù)樁中部深度測(cè)斜位移大，上、下部深度測(cè)斜位移小，最大測(cè)斜位移在開挖面4～5m以下深度，其中開挖至第二道支撐底時(shí)(工況②)，最大測(cè)斜位移為16mm左右，開挖至坑底時(shí)(工況③)，最大測(cè)斜位移為35mm左右；2)位于坑陽角處的CX2測(cè)點(diǎn)及其附近的CX3測(cè)點(diǎn)，以及位于基坑長邊中部的CX7，CX8，CX10測(cè)點(diǎn)的測(cè)斜位移普遍略大于其余測(cè)點(diǎn)，表明由于基坑開挖存在空間效應(yīng)，使坑側(cè)壁中部以及陽角區(qū)域的變形更為不利。圍護(hù)樁水平位移會(huì)使鄰近建筑的樁基產(chǎn)生附加內(nèi)力與變形，并可能導(dǎo)致樁基破壞而發(fā)生事故，應(yīng)對(duì)鄰近建筑沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

2.2 建筑物樁基沉降分析

圖5為整個(gè)施工過程中坑角處建筑物樁基的沉降變化曲線。由圖5可知：1)樁基沉降的發(fā)展隨著基坑施工工況的變化經(jīng)歷了四個(gè)階段。第一階段即在工況①，測(cè)點(diǎn)的沉降普遍開始發(fā)展；第二階段即在工況②，在開挖過程中，各測(cè)點(diǎn)的沉降繼續(xù)加速增大，而在第二道支撐養(yǎng)護(hù)期間，坑外樁基沉降呈現(xiàn)回彈現(xiàn)象，主要是因?yàn)樯虾＼浲恋貐^(qū)基坑大面積開挖卸荷后造成坑底土體回彈，繼而帶動(dòng)坑外鄰近樁基上拔；第三階段即在工況③，開挖時(shí)樁基沉降繼續(xù)增大，在底板施工過程中樁基沉降也呈現(xiàn)回彈現(xiàn)象；第四階段即在工況④，地下結(jié)構(gòu)施工過程中，樁基沉降逐步趨于平穩(wěn)狀態(tài)。2)靠近坑陽角區(qū)域的F18，F(xiàn)19，F(xiàn)20，F(xiàn)21測(cè)點(diǎn)的樁基沉降總體明顯大于其他測(cè)點(diǎn)的沉降，最大沉降約14 mm，表明了建筑距離坑邊越近，且越靠近坑陽角區(qū)域，基坑開挖對(duì)其沉降影響越大。

圖5 坑角處建筑樁基沉降變化曲線

3 數(shù)值模擬分析

3.1 三維數(shù)值分析模型

為了進(jìn)一步分析基坑開挖對(duì)陽角處建筑物的影響，本文采用FLAC3D有限差分程序?qū)诱麄€(gè)開挖進(jìn)行三維的全過程施工模擬。模型尺寸大小既要考慮基坑開挖影響的三倍范圍以上，同時(shí)又要考慮坑外鄰近建筑物的實(shí)際情況，因此，基坑開挖深度10.5m，坑外水平方向尺寸向外各延伸50m，模型深度取35m。三維數(shù)值計(jì)算模型詳見圖6。

圖6 三維數(shù)值計(jì)算模型

數(shù)值模擬方案中，圍護(hù)樁按等效剛度原則折算成殼單元，立柱樁、坑外建筑的樁基采用Pile單元模擬，支撐梁采用Beam單元模擬，各結(jié)構(gòu)單元均采用線彈性本構(gòu)模型。土體的本構(gòu)模型種類較多，根據(jù)上海軟土地區(qū)基坑工程的經(jīng)驗(yàn)，采用摩爾-庫侖模型，此模型能夠較好地反映土體變形規(guī)律。坑外建筑為框架結(jié)構(gòu)，采用帶承臺(tái)樁基，為了簡化建模過程，數(shù)值模型中考慮在群樁樁頂施加豎向荷載，以模擬建筑荷載。圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)根據(jù)混凝土材料的力學(xué)參數(shù)選取，詳見表1。表2為地質(zhì)勘察報(bào)告提供的各土層物理力學(xué)參數(shù)，計(jì)算中根據(jù)地勘報(bào)告和以往工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行合理取值。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù) 表1

土層物理力學(xué)參數(shù) 表2

施工過程的模擬包括：1)土體初始自重應(yīng)力形成；2)坑外地面施工超載和建筑物荷載施加；3)基坑開挖至相對(duì)標(biāo)高-2.45m；4)施工第一道支撐，開挖至相對(duì)標(biāo)高-7.45 m；5)施工第二道支撐，開挖至坑底。數(shù)值模擬未考慮施工底板及拆除支撐，因?yàn)榛拥淖冃沃饕l(fā)生在基坑開挖階段。

3.2 基坑側(cè)壁位移分析

數(shù)值模擬中主要考察坑角處基坑側(cè)壁的位移情況，如圖7所示。由圖7可知，坑陽角處CX2測(cè)點(diǎn)與坑側(cè)壁中部的CX4測(cè)點(diǎn)測(cè)斜位移明顯大于坑陰角處CX3′測(cè)點(diǎn)的測(cè)斜位移；另外，測(cè)點(diǎn)測(cè)斜的變形性狀也明顯不同，抗陽角處及側(cè)壁中部的測(cè)點(diǎn)測(cè)斜位移呈現(xiàn)“鼓肚子”的形狀，而坑陰角處的測(cè)斜位移基本呈直線狀。這主要是因?yàn)榛娱_挖過程中空間效應(yīng)的影響，坑陰角處側(cè)壁受到周圍土層兩個(gè)方向的約束，因此其變形程度和性狀不同于其他區(qū)域。

圖7 模擬的坑角處基坑各點(diǎn)測(cè)斜位移曲線

3.3 坑外建筑水平位移分析

圖8為坑外建筑物樁基的水平位移曲線。由圖8可知，靠近坑陽角區(qū)域F18測(cè)點(diǎn)和側(cè)壁中部F20測(cè)點(diǎn)的水平位移較大，最大約15mm，呈拋物線形狀；靠近坑邊陰角區(qū)域較近的F16測(cè)點(diǎn)和F21-1測(cè)點(diǎn)水平位移明顯減小，近似拋物形狀；而距離坑邊較遠(yuǎn)距離的F26測(cè)點(diǎn)和F23測(cè)點(diǎn)水平位移受基坑開挖影響較小，最大約5mm左右，隨深度增加呈上大下小的趨勢(shì)。因此，計(jì)算結(jié)果表明，坑外樁基距離基坑開挖面越近，其水平位移越大；坑陽角區(qū)域的樁基受影響程度明顯大于陰角區(qū)域，且樁基的變形性狀也不盡相同。

圖8 模擬的坑外建筑物樁基的水平位移曲線

4 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

4.1 圍護(hù)樁測(cè)斜對(duì)比分析

圖9為實(shí)測(cè)和模擬的圍護(hù)樁測(cè)斜位移對(duì)比曲線，主要選取了靠近坑角區(qū)域和基坑側(cè)壁中部的幾個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)斜位移進(jìn)行對(duì)比。由圖9可知，現(xiàn)場實(shí)測(cè)與模擬測(cè)斜位移曲線形狀較為一致，模擬結(jié)果略大于實(shí)測(cè)結(jié)果。無論是實(shí)測(cè)結(jié)果還是模擬結(jié)果，CX2測(cè)點(diǎn)和CX3測(cè)點(diǎn)的測(cè)斜位移均大于其他坑側(cè)壁中部測(cè)點(diǎn)，這也表明了坑陽角區(qū)域是開挖過程較為危險(xiǎn)的區(qū)域，因此該區(qū)域的基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)，在上海軟土地區(qū)通常會(huì)采用坑陽角區(qū)域內(nèi)局部地基加固以及加強(qiáng)支撐剛度的工程措施。而本基坑由于采取了以上工程措施后，使得該區(qū)域的測(cè)斜與其他測(cè)點(diǎn)相差不大。

圖9 實(shí)測(cè)和模擬的圍護(hù)樁測(cè)斜位移對(duì)比曲線

4.2 建筑物沉降對(duì)比分析

圖10為實(shí)測(cè)和模擬的坑外建筑物樁基沉降對(duì)比曲線。由圖10可知：1)在建筑物樁基沉降變化規(guī)律方面，實(shí)測(cè)和模擬的結(jié)果基本一致，表現(xiàn)在隨著基坑的開挖，樁基沉降不斷地增加。但是由于軟土地區(qū)基坑開挖存在明顯的時(shí)效性，樁基沉降不僅隨著工況變化而發(fā)展，同時(shí)也會(huì)由于時(shí)間歷程而發(fā)生累計(jì)沉降，因此在各施工工況期間，還會(huì)產(chǎn)生沉降；而數(shù)值模擬由于采用彈塑性理論進(jìn)行計(jì)算，忽略了時(shí)間因素，只能反映各工況后的最終沉降。另外，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)基坑開挖至坑底時(shí)，卸荷效應(yīng)會(huì)使坑底土體產(chǎn)生部分回彈，進(jìn)而帶動(dòng)樁基產(chǎn)生向上的位移；而數(shù)值模擬不能反映樁基回彈階段。2)沉降數(shù)值方面，各測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)值差別均較小，結(jié)果較為一致。開挖至坑底時(shí)，現(xiàn)場實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算的最大沉降均發(fā)生在F20測(cè)點(diǎn)，約9 mm左右；離坑邊較近的F18，F(xiàn)20測(cè)點(diǎn)沉降相比其余測(cè)點(diǎn)較大。

圖10 實(shí)測(cè)和模擬的坑外建筑物樁基沉降對(duì)比曲線

5 結(jié)論與建議

本文結(jié)合上海長興科技廠房基坑工程，采用數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，分析了基坑開挖產(chǎn)生的基坑本體變形，以及對(duì)坑角處樁基建筑物的影響，得出主要結(jié)論及建議如下：

(1)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，基坑開挖時(shí)圍護(hù)樁側(cè)向變形均呈“鼓肚子”拋物線形狀，最大側(cè)斜位移在開挖面4～5m以下深度，由于基坑開挖存在空間效應(yīng)，使得坑側(cè)壁中部以及陽角區(qū)域的變形更為不利；坑陽角處建筑樁基沉降發(fā)展經(jīng)歷了普遍發(fā)展—加速增大、緩慢回彈—繼續(xù)增大、緩慢回彈—趨于穩(wěn)定這四個(gè)階段，建筑樁基越靠近坑陽角區(qū)域或距離離坑邊越近，基坑開挖對(duì)其沉降影響越大。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，坑陽角處與側(cè)壁中部的測(cè)斜位移明顯大于基坑陰角處，坑陽角處及側(cè)壁中部的測(cè)斜位移呈現(xiàn)“鼓肚子”形狀，坑陰角處的測(cè)斜位移基本呈直線狀；坑外樁基距離基坑開挖面越近，其水平位移越大，坑陽角區(qū)域的樁基受影響程度明顯大于陰角區(qū)域的樁基，樁基水平位移呈拋物線形狀，距離坑邊較遠(yuǎn)的樁基變形沿深度方向呈上大下小的變形特點(diǎn)。

(3)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較一致，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性與合理性。因此，采用數(shù)值計(jì)算方法預(yù)測(cè)基坑開挖對(duì)坑外鄰近建筑物的影響規(guī)律在實(shí)際工程中具有指導(dǎo)意義。

(4)基于本基坑案例順利實(shí)施的基礎(chǔ)，建議：針對(duì)坑陽角區(qū)域的建筑，由于坑角效應(yīng)的存在，基坑開挖過程中，應(yīng)采取科學(xué)合理的加強(qiáng)措施，如對(duì)被動(dòng)區(qū)坑底土體進(jìn)行加固，采取剛度較大的對(duì)撐對(duì)坑陽角兩個(gè)方向上加以約束，合理安排施工方案等，以確?？雨柦菂^(qū)域基坑變形和鄰近建筑基礎(chǔ)變形在可控范圍。