井筒式基坑開挖變形特性及穩(wěn)定性分析

李紅軍， 冷 遠(yuǎn)， 張士龍， 劉昌永

(1. 中交二航局第三工程有限公司, 江蘇 鎮(zhèn)江 212000; 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，交通擁堵問(wèn)題日益突出，市區(qū)停車難問(wèn)題亟待解決。由于井筒式地下車庫(kù)具有空間利用率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，近幾年逐步應(yīng)用于城市停車場(chǎng)建設(shè)中[1-2]。井筒式地下車庫(kù)多由圓形基坑和與圍護(hù)結(jié)構(gòu)相連的樓板組成，支護(hù)形式通常采用排樁加圈梁體系[3]。

由于井筒式地下車庫(kù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，近幾年國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)井筒式地下車庫(kù)進(jìn)行了一系列的研究。吳金鋒[4]為推廣井筒式地下停車場(chǎng)，以2016年國(guó)內(nèi)首次修建的杭州某井筒式地下停車場(chǎng)為例，從停車規(guī)模、周邊交通影響、社會(huì)影響和項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性4方面論述了井筒式地下停車場(chǎng)的應(yīng)用前景。王棟等[5]介紹了杭州地區(qū)開挖深度為34.3 m的井筒式地下車庫(kù)基坑施工中所涉及的工藝工法。張創(chuàng)[6]以成都地區(qū)砂卵石地層修建井筒式車庫(kù)為例，利用FLAC3D對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)改變排樁樁長(zhǎng)、樁端嵌固條件、基坑大小等參數(shù)，研究基坑受力和變形的情況； 同時(shí)，在施工和使用階段對(duì)車庫(kù)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，最后給出了井筒式車庫(kù)相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

通過(guò)上述研究可見，對(duì)于井筒式地下車庫(kù)的研究主要集中在以砂卵石地層為主的南方地區(qū)，缺乏東北地區(qū)黏性土層下修建井筒式地下車庫(kù)的相關(guān)研究。同時(shí)，為滿足地下停車場(chǎng)智能化的要求，通常在基坑內(nèi)部進(jìn)行二次土體的開挖，導(dǎo)致基坑底部被動(dòng)區(qū)域土體抗力的減弱，從而對(duì)基坑穩(wěn)定性造成影響[7]。為此，本文以哈爾濱省委廣場(chǎng)井筒式智能停車場(chǎng)為工程背景，對(duì)井筒式基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形進(jìn)行分析，同時(shí)研究二次開挖對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響。

1 項(xiàng)目概況

哈爾濱省委廣場(chǎng)位于南崗區(qū)花園街與吉林街交口，擬在現(xiàn)廣場(chǎng)地下空間建設(shè)井筒式智能停車場(chǎng)，外徑為22 m，開挖深度為13.2 m。地下停車場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用排樁+圈梁支撐體系，樁間掛網(wǎng)噴厚度為80 mm的C20混凝土。為放置井筒式智能停車場(chǎng)機(jī)電設(shè)備，在基坑中設(shè)置深度為2.4 m的坑中坑，如圖1所示。

(b) 剖面圖(單位： m)圖1 井筒式停車場(chǎng)布置圖Fig. 1 Layout of shaft-type parking lot

在基坑周圍共布置了5個(gè)鉆孔來(lái)勘察地質(zhì)情況，根據(jù)勘察結(jié)果，場(chǎng)地所處地貌為崗阜狀平原，地基土分布不均勻。施工場(chǎng)地區(qū)間位于崗阜狀平原地貌中，勘察孔隙潛水穩(wěn)定水位標(biāo)高為-28.5～-33.2 m，地下水始終位于開挖面以下，可不考慮開挖過(guò)程中水位變化的影響。

2 井筒基坑的監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)工程周圍環(huán)境的情況，依據(jù)規(guī)范對(duì)基坑進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本節(jié)內(nèi)容是在井筒內(nèi)部土體被挖除期間對(duì)施工引起的沉降等相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)，基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置和監(jiān)控項(xiàng)目分別如圖2和表1所示。

圖2 基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig. 2 Layout of monitoring points of foundation pit

表1 基坑監(jiān)控項(xiàng)目Table 1 Monitoring items of foundation pit

根據(jù)勘測(cè)和設(shè)計(jì)資料制定工程進(jìn)度計(jì)劃表。本井筒基坑共分4次開挖，除表層雜填土開挖外，后續(xù)開挖均處于軟黏土層，如表2所示。

表2 施工階段Table 2 Construction conditions

2.2 地表沉降

井筒基坑北部緊鄰居民樓，南部緊鄰道路(見圖2)，故選取基坑北部一排地表沉降測(cè)點(diǎn)DB1、南部一排地表沉降測(cè)點(diǎn)DB2。地表沉降值隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。圖3(a)中測(cè)點(diǎn)DB1-3距離基坑水平位置為5 m，在整個(gè)開挖過(guò)程中累計(jì)最終沉降為4.8 mm； 測(cè)點(diǎn)DB1-2距離基坑水平位置為10 m，在整個(gè)開挖過(guò)程中累計(jì)最終沉降為4.1 mm； 測(cè)點(diǎn)DB1-1距離基坑水平位置為20 m，此處測(cè)點(diǎn)位于居民住宅區(qū)附近，累計(jì)沉降變化不大，表明井筒基坑開挖對(duì)居民樓無(wú)影響。圖3(b)中基坑南部測(cè)點(diǎn)DB2-2、DB2-3，15 d后沉降值達(dá)到穩(wěn)定，分別為9.8、11.6 mm。由于場(chǎng)地空間有限，基坑西側(cè)為施工出土和設(shè)備堆放區(qū)，基坑南側(cè)為挖機(jī)停留區(qū)域，因此基坑南部測(cè)點(diǎn)與基坑北部測(cè)點(diǎn)相比沉降較大。

(a) 測(cè)點(diǎn)DB1累計(jì)沉降曲線

(b) 測(cè)點(diǎn)DB2累計(jì)沉降曲線圖3 地表沉降值隨時(shí)間變化曲線圖Fig. 3 Curves of surface subsidence changing with time

2.3 圍護(hù)樁深層水平位移

由于基坑南部受來(lái)往車輛影響，故選取基坑南部測(cè)斜管CX1作為分析對(duì)象，施工工況如表2所示。測(cè)斜CX1深度-位移變化曲線如圖4所示。由圖可知： 在不同工況下測(cè)斜管CX1整體趨勢(shì)為“鼓肚”形狀，最終側(cè)移值為3.5 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于控制值，表明圓形支護(hù)結(jié)構(gòu)的空間“拱效應(yīng)”得到了充分的發(fā)揮，并沒(méi)有受到南部地表沉降的影響。工況2為基坑開挖深度6.9 m的情況，最大側(cè)移值位于樁體深度4 m處，為1.2 mm； 工況3為基坑開挖深度11 m的情況，最大側(cè)移值位于樁體深度6.3 m處，為3.2 mm； 工況4為基坑開挖深度13.4 m的情況，最大側(cè)移量位于樁體深度6.3 m處，為3.5 mm。隨著基坑開挖深度的增加，最大側(cè)移位置逐漸向下移動(dòng)。

圖4 測(cè)斜CX1深度-位移變化曲線圖Fig. 4 CX1 depth-displacement curves

3 井筒基坑數(shù)值計(jì)算模型

3.1 有限元模型的建立

利用大型有限元軟件MIDAS/GTS建立井筒基坑的三維模型。根據(jù)基坑開挖影響范圍，數(shù)值模型的整體尺寸為160 m×160 m×30 m(長(zhǎng)×寬×高)。土體采用修正摩爾-庫(kù)侖模型，結(jié)構(gòu)單元采用線彈性模型。根據(jù)地勘報(bào)告及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)取值，土層及結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)如表3和表4所示。土體采用實(shí)體單元，冠梁和排樁均采用梁?jiǎn)卧M[8]。模型四周約束各面的法向位移，底部約束3個(gè)方向的位移，荷載主要考慮土體及結(jié)構(gòu)的自重荷載。井筒基坑三維模型如圖5所示。

表3 土層力學(xué)參數(shù)Table 3 Soil mechanical parameters

表4 結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)Table 4 Structure mechanical parameters

圖5 井筒式基坑三維模型(單位： m)Fig. 5 Three-dimensional model of shaft-type foundation pit (unit: m)

3.2 有限元模型的驗(yàn)證

結(jié)合2.3節(jié)圍護(hù)樁水平變形的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比MIDAS/GTS數(shù)值計(jì)算結(jié)果，以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性。有限元數(shù)值模擬計(jì)算中井筒基坑內(nèi)土體被挖除的模擬進(jìn)尺與施工階段(見表2)一致。有限元分析樁體水平位移時(shí)選取的是基坑南部測(cè)點(diǎn)CX-1，如圖5所示。數(shù)值計(jì)算與監(jiān)測(cè)值對(duì)比如圖6所示。由圖可知，MIDAS/GTS計(jì)算的圍護(hù)樁最大側(cè)移值為4.15 mm，監(jiān)測(cè)值為3.5 mm，兩者均在深度6.3 m處樁體水平位移達(dá)到最大，有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較為符合。從曲線的整體趨勢(shì)上來(lái)看，兩者都呈現(xiàn)出“兩頭小，中間大”的變形特點(diǎn)，數(shù)值計(jì)算曲線光滑、平順，實(shí)測(cè)曲線不平順，數(shù)據(jù)存在一定程度的離散。究其原因，主要是在有限元分析時(shí)采用了諸多假設(shè)，例如將土體按各向同性、均勻材質(zhì)模擬，故計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值存在一定差異。

圖6 數(shù)值計(jì)算與監(jiān)測(cè)值對(duì)比Fig. 6 Comparison between numerical calculation and monitoring value

3.3 井筒基坑環(huán)向拱效應(yīng)分析

3.3.1 拱效應(yīng)分析

井筒基坑開挖時(shí)土壓力拱的形成，主要為環(huán)向和豎向拱效應(yīng)。井筒擋土結(jié)構(gòu)徑向移動(dòng)過(guò)程中，環(huán)向拱效應(yīng)發(fā)揮先于豎向拱效應(yīng)[9]?？紤]到井筒基坑尺寸小，且實(shí)測(cè)位移小，本節(jié)主要對(duì)環(huán)向壓力拱的形成過(guò)程及分布規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)分析。

軸對(duì)稱井筒基坑是柱坐標(biāo)下的平面問(wèn)題，只在徑向平面內(nèi)產(chǎn)生變形。開挖時(shí)土壓力拱的形成，主要是由于水平面內(nèi)中主應(yīng)力與小主應(yīng)力的方向調(diào)整，由中主應(yīng)力在基坑環(huán)向形成連續(xù)封閉的壓力路徑。土壓力拱的形成有利于基坑的穩(wěn)定，其形成過(guò)程與開挖工況息息相關(guān)。由于基坑地質(zhì)條件以粉質(zhì)黏土為主，因此取地表下6.9 m深度網(wǎng)格組為觀測(cè)面。

觀測(cè)面上中主應(yīng)力矢量圖如圖7所示。為方便對(duì)比各個(gè)開挖工況下井筒周邊拱效應(yīng)變化，隱藏了圖7(a)中基坑內(nèi)部的土體單元。1)在基坑開挖之前(見圖7(a))，觀測(cè)面上任意一點(diǎn)的小主應(yīng)力為自重應(yīng)力σz=γz(γ為土的天然重度，z為土的厚度)，中主應(yīng)力則為-92.80 kPa(σx=σy=K0γz，σx為x方向應(yīng)力，σy為y方向應(yīng)力，K0為側(cè)應(yīng)力系數(shù))，沿深度呈線性關(guān)系。即初始未開挖狀態(tài)下，作用于擋土結(jié)構(gòu)兩側(cè)的土壓力計(jì)算值與公式計(jì)算值一致，不存在環(huán)向拱效應(yīng)。

(a) 開挖前

(b) 工況1

(c) 工況2

(d) 工況3圖7 觀測(cè)面上中主應(yīng)力矢量圖(單位： kPa)Fig. 7 Vector diagram of medium principal stress on observation surface (unit: kPa)

2)在基坑開挖工況1完成后(見圖7(b))，觀測(cè)面的表層土體被挖除，圍護(hù)結(jié)構(gòu)已發(fā)生一定的徑向變形，引起土體應(yīng)力重分布，對(duì)應(yīng)觀測(cè)面位置的中主應(yīng)力最大值略有增加(-95.05 kPa)。從整體應(yīng)力矢量圖來(lái)看，初步形成連續(xù)、封閉的環(huán)向傳力路徑。

3)在基坑開挖工況2完成后(見圖7(c))，觀測(cè)面以上的土體被完全挖除，圍護(hù)結(jié)構(gòu)后方土體變形進(jìn)一步增大，中主應(yīng)力數(shù)值隨距離坑邊的遠(yuǎn)近不同呈現(xiàn)出不同程度的增大，在近基坑開挖面處增幅明顯，較遠(yuǎn)處增加較小并逐步趨于初始值。中主應(yīng)力的環(huán)向影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，表明拱效應(yīng)的作用程度逐步增強(qiáng)，基坑觀測(cè)面處受開挖影響的環(huán)向壓力拱已形成。

4)在基坑開挖工況3完成后(見圖7(d))，隨著觀測(cè)面下方的土體被挖除，圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移進(jìn)一步增大，中主應(yīng)力在靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)處均小于初始環(huán)向應(yīng)力值，隨著距坑邊距離的增大，其應(yīng)力值先增大后減小，再趨于初始中主應(yīng)力。

綜上所述，圓形基坑的環(huán)向拱效應(yīng)，可以采用土體的中主應(yīng)力矢量圖進(jìn)行表達(dá)。隨著基坑開挖深度的逐步增大，其環(huán)向拱效應(yīng)作用的土體范圍也逐步擴(kuò)大。

3.3.2 中主應(yīng)力變化分析

為進(jìn)一步探究中主應(yīng)力影響范圍的大小，繪制不同開挖階段距坑邊不同距離的土體中主應(yīng)力變化曲線，如圖8所示。

(a) 距坑邊0.7 m

(b) 距坑邊3.0 m

(c) 距坑邊8.0 m

(d) 距坑邊12.0 m圖8 不同開挖階段距坑邊不同距離中主應(yīng)力變化曲線Fig. 8 Variation amplitude distribution curves of medium principal stress at different distances from pit edge in different excavation stages

基坑開挖前中主應(yīng)力為σ0θ，基坑開挖后中主應(yīng)力為σθ，基坑開挖前后中主應(yīng)力變化幅度為(σθ-σ0θ)/σ0θ。由圖8(a)可知，不同開挖階段中主應(yīng)力表現(xiàn)為負(fù)的增量，是土方開挖卸載導(dǎo)致的。由圖8(b)—(d)可知，隨著距坑邊距離增大，中主應(yīng)力值隨著基坑逐步開挖均表現(xiàn)為正的增量，且增幅逐漸變緩。當(dāng)距坑邊12 m時(shí)，其增量基本可以忽略不計(jì)。

其中，基坑在開挖1工況下，由圖8(b)可知，距坑邊3 m時(shí)中主應(yīng)力最大變化幅度為6%； 由圖8(c)可知，距坑邊8 m時(shí)中主應(yīng)力最大變化幅度為1%，中主應(yīng)力變化幅度隨著基坑的距離增加逐漸減弱。因此，開挖1引起的拱效應(yīng)范圍為距坑邊3 m。

基坑在開挖2工況下，由圖8(b)可知，距坑邊3 m時(shí)中主應(yīng)力最大變化幅度為19%； 由圖8(c)可知，距坑邊8 m時(shí)中主應(yīng)力最大變化幅度為8%，中主應(yīng)力變化幅度隨著基坑距離的增加逐漸減弱。因此，開挖2引起的拱效應(yīng)范圍為距坑邊8 m。

基坑在開挖3工況下，由圖8(b)可知，距坑邊3 m時(shí)中主應(yīng)力最大變化幅度為43%； 由圖8(c)可知，距坑邊8 m時(shí)中主應(yīng)力最大變化幅度為31%；由圖8(d)可知，距坑邊12 m時(shí)中主應(yīng)力最大變化幅度為2.8%，中主應(yīng)力變化幅度隨著基坑距離的增加逐漸減弱。由于基坑網(wǎng)格劃分緣故，距離基坑越遠(yuǎn)處網(wǎng)格劃分越大，因此，開挖3引起的拱效應(yīng)范圍為距坑邊12 m。

綜上所述，以應(yīng)力增幅10%為判別值，將對(duì)應(yīng)觀測(cè)面處的中主應(yīng)力影響范圍標(biāo)識(shí)于圖7(b)—(d)中。在基坑逐步向下開挖過(guò)程中，由于表層土體性質(zhì)較差，初始應(yīng)力值??； 當(dāng)基坑開挖深度不斷增大，中主應(yīng)力的變化幅度逐步減小。但是，在土層交界面處，由于不同地層側(cè)壓力系數(shù)不同，環(huán)向應(yīng)力曲線存在突變段。在接近圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部位置處，環(huán)向擠壓效應(yīng)不明顯，也可說(shuō)明現(xiàn)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度已滿足要求。

3.4 工況分析

3.4.1 基坑直徑的影響

隨著地下工程的規(guī)模越來(lái)越大，基坑直徑逐漸變大。目前，最大的圓形基坑直徑為70.6 m[10]，本工程中基坑直徑為22 m。為研究基坑直徑對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形規(guī)律的影響，本節(jié)選取基坑直徑為22、33、44、55、66、77 m進(jìn)行分析。不同基坑直徑的樁體水平位移曲線如圖9所示。由圖可知： 當(dāng)基坑直徑分別為22、33、44、55、66、77 m時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為4.15、7.12、10.51、14.41、18.39、22.25 mm。通過(guò)上述分析可知，在同樣的樁徑和樁距情況下，隨著基坑的直徑增大，頂端變形約束效應(yīng)減弱，變形增大，呈明顯非線性。隨著基坑直徑的增加，產(chǎn)生的“拱效應(yīng)”逐漸減弱。因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意基坑直徑對(duì)拱效應(yīng)的影響。

圖9 不同基坑直徑的樁體水平位移曲線圖Fig. 9 Pile horizontal displacement curves of different foundation pit diameters

3.4.2 排樁直徑的影響

本文中排樁直徑為0.8 m，為研究筒排樁直徑對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形規(guī)律的影響，本節(jié)選取排樁直徑為0.6、0.8、1.0 m進(jìn)行分析。不同排樁直徑的樁體水平位移曲線如圖10所示。由圖可知，當(dāng)基坑直徑為22 m、排樁直徑為0.6、0.8、1.0 m時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為10.58、4.15、2.59 mm。其中，排樁直徑為0.6 m時(shí)側(cè)移值較大，而排樁直徑為0.8 m和1.0 m時(shí)側(cè)移值相差不大。因此，應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素和變形控制要求選取基坑排樁直徑。

圖10 不同排樁直徑的樁體水平位移曲線圖Fig. 10 Horizontal displacement curves of piles with different pile diameters

4 井筒基坑穩(wěn)定性工況分析

為存放井筒式地下車庫(kù)的大型機(jī)電設(shè)備，通常需要在原有基坑基礎(chǔ)上進(jìn)行土體的二次開挖，形成“坑中坑”，內(nèi)坑土體的開挖勢(shì)必會(huì)對(duì)基坑的穩(wěn)定造成影響。為研究井筒式坑中坑的破壞失穩(wěn)機(jī)制，基于強(qiáng)度折減法與有限元相結(jié)合的方法對(duì)基坑開展彈塑性分析[11]。

4.1 有限元強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法是通過(guò)不斷折減土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，將折減后的土體參數(shù)代入到有限元中進(jìn)行試算，當(dāng)計(jì)算結(jié)果與土體破壞準(zhǔn)則一致時(shí)，此時(shí)的折減系數(shù)F稱為最小安全系數(shù)。隨著折減系數(shù)F的增加，土體的強(qiáng)度包線不斷與莫爾圓靠近。當(dāng)兩者相切時(shí)，表明土體在安全系數(shù)F的條件下達(dá)到了極限平衡狀態(tài)。

式中：τ為抗剪強(qiáng)度；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；F為強(qiáng)度折減系數(shù)；cm=C/F； tanφm=(tanφ)/F。

4.2 有無(wú)內(nèi)坑工況的穩(wěn)定性分析

不同折減系數(shù)下基坑塑性應(yīng)變變化云圖如圖11所示。在圖11(a)中，當(dāng)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)不進(jìn)行折減(F=1.0)時(shí)，樁底角部以及樁身外側(cè)產(chǎn)生塑性區(qū)，且塑性區(qū)面積較小，基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)；在圖11(b)中，樁底及樁身外側(cè)塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，樁身外側(cè)的塑性區(qū)逐漸向基坑頂部發(fā)展；在圖11(c)中，樁身外側(cè)塑性區(qū)與坑中坑土體塑性區(qū)連通，逐漸形成弧形滑動(dòng)帶，此時(shí)折減系數(shù)F=2.0，隨后繼續(xù)折減，MIDAS/GTS會(huì)出現(xiàn)不收斂，同時(shí)剪切應(yīng)變塑性區(qū)貫通[12]，表明此時(shí)基坑處于失穩(wěn)狀態(tài)。

(a) F=1

(b) F=1.4

(c) F=2.0

(d) 無(wú)內(nèi)坑F=2.3圖11 不同強(qiáng)度折減系數(shù)下基坑塑性應(yīng)變變化云圖Fig. 11 Nephograms of plastic strain variation of foundation pit under different strength reduction coefficients

采用強(qiáng)度折減法對(duì)未進(jìn)行土體二次開挖的基坑進(jìn)行穩(wěn)定性分析，由圖11(d)得出最大折減系數(shù)F=2.3，此時(shí)云圖顯示塑性區(qū)與基坑底部貫通形成圓弧樁，且基坑底部塑性區(qū)域?yàn)橄蛏贤蛊鹦问?。通過(guò)與圖11(c)對(duì)比可知，內(nèi)坑的存在使得折減系數(shù)大小有著明顯的區(qū)別，因此，在設(shè)計(jì)基坑內(nèi)部存在二次開挖的情況時(shí)，需要考慮內(nèi)坑對(duì)基坑整體的穩(wěn)定性。

4.3 內(nèi)坑不同開挖深度工況的穩(wěn)定性分析

為研究?jī)?nèi)坑開挖深度h對(duì)基坑的影響規(guī)律，使基坑開挖深度、樁長(zhǎng)和內(nèi)坑上下表面內(nèi)徑保持不變，改變內(nèi)坑開挖深度h對(duì)基坑塑性區(qū)發(fā)展情況進(jìn)行分析，不對(duì)土體進(jìn)行強(qiáng)度折減，即F=1。不同內(nèi)坑開挖深度下的基坑塑性應(yīng)變變化云圖如圖12所示。由圖可知，隨著內(nèi)坑開挖深度的增加，使得被動(dòng)區(qū)土體抗力損失，樁體嵌固端向坑內(nèi)發(fā)生移動(dòng)； 排樁剛度較大，基坑底部土體發(fā)生塑性變形。當(dāng)內(nèi)坑開挖4.8 m時(shí)，樁身外側(cè)與內(nèi)坑底部土體塑性區(qū)達(dá)到連通狀態(tài)，容易產(chǎn)生基坑傾覆破壞。

(a) h=2.4 m

(b) h=3.6 m

(c) h=4.8 m圖12 不同內(nèi)坑開挖深度下的基坑塑性應(yīng)變變化云圖Fig. 12 Nephograms of plastic strain variation of foundation pit under different excavation depth of inner pit

4.4 內(nèi)坑不同平臺(tái)寬度工況的穩(wěn)定性分析

根據(jù)上述分析，內(nèi)坑開挖深度h為3.6 m時(shí)土體進(jìn)入塑性區(qū)發(fā)展階段，此時(shí)坑中坑上平臺(tái)寬度a為1.54 m。因此，在此開挖工況下改變上平臺(tái)寬度a來(lái)分析基坑塑性發(fā)展情況。不同平臺(tái)寬度下的基坑等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖13所示。由圖可知，當(dāng)坑中坑上平臺(tái)寬度增加至2倍寬度時(shí)，樁底塑性區(qū)面積逐漸擴(kuò)散，樁身外側(cè)土體塑性區(qū)無(wú)變化。對(duì)于上下內(nèi)徑不同的內(nèi)坑而言，由于內(nèi)坑存在邊坡，邊坡下部的土體較為穩(wěn)定，平臺(tái)寬度的改變對(duì)于對(duì)樁體的影響較小。

(a) a=1.54 m

(b) a=3.08 m圖13 不同平臺(tái)寬度下的基坑等效塑性應(yīng)變?cè)茍DFig. 13 Nephograms of equivalent plastic strain variation of foundation pit under different platform width

5 結(jié)論與建議

本文以哈爾濱省委廣場(chǎng)井筒式智能停車場(chǎng)為工程背景，首先，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)基坑的變形進(jìn)行評(píng)述；其次，采用有限元軟件MIDAS/GTS建立井筒基坑三維模型，探討了井筒式基坑施工過(guò)程中的拱效應(yīng)演變規(guī)律，并對(duì)基坑直徑和圍護(hù)樁樁徑等主要影響參數(shù)進(jìn)行分析；最后，基于強(qiáng)度折減法對(duì)基坑開展彈塑性分析，研究了二次開挖平臺(tái)寬度和深度對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響。主要結(jié)論如下：

1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，井筒基坑由于空間“拱效應(yīng)”的存在，樁體水平位移最大為3.5 mm，最大沉降量為11.6 mm。其中，隨著基坑開挖深度的增加，“鼓肚”形狀逐漸下移。

2)圓形基坑的環(huán)向拱效應(yīng)，可以采用土體的中主應(yīng)力矢量圖進(jìn)行表達(dá)。隨著基坑開挖深度的逐步增大，其環(huán)向拱效應(yīng)作用的土體范圍也逐步擴(kuò)大。

3)在對(duì)外坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需考慮內(nèi)坑對(duì)外坑穩(wěn)定性的影響。內(nèi)外坑開挖深度之比為0.44時(shí)，需考慮內(nèi)坑對(duì)基坑整體安全系數(shù)的影響。對(duì)于上下直徑不同的內(nèi)坑，由于內(nèi)坑存在邊坡，邊坡下部的土體較為穩(wěn)定，平臺(tái)寬度的改變對(duì)樁體的影響較小。

通過(guò)有限元模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)井筒式基坑的變形及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，但有關(guān)凍脹效應(yīng)對(duì)井筒式基坑的影響有待進(jìn)一步深入研究。