“坑中坑”模式下基坑应力变形分析

卫俊杰

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司,上海市200092）

“坑中坑”模式下基坑应力变形分析

卫俊杰

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司,上海市200092）

通过对基坑施作形式为“坑中坑”时的地表沉降分析、基坑隆起分析、水平变形分析及围护结构的受力分析,得出基坑施作方式为“坑中坑”时,要针对基坑围护结构的不同部位采用相应的控制措施。大基坑的围护结构变形要远大于小基坑的围护结构的变形。因此,当基坑施作方式为“坑中坑”时,危险源在于大基坑的变形,地表沉降。相对而言,小基坑较为安全。

坑中坑；围护结构；变形；受力

1 概述

大量的高层建筑、地铁建筑、商场及车库等大规模地下空间的利用开发,加上城市建设步伐加快,国民经济和城市人口的急剧增加,深基坑的应用越来越多,越来越重要[1-5]。考虑土体支护的综合作用,土体强度稳定和变形问题,将深基坑的开挖成为基础,以及地下空间施工的综合性岩土工程难题,选取合理可靠的基坑支护结构,保证施工过程中支护体系的安全性,同时还要满足结构变形受力和周围土体位移,这样才能保证开挖过程中周围土体,以及周围建筑物的安全[6-10]。

王广国[11]等首次对基坑开挖大变形问题采取相应理论研究,分析指出在考虑基坑大变形问题过程中,应用小变形理论产生的问题,并且会产生相应误差,同时根据小变形误差的大小,定量分析了大小变形理论所对应的使用范围。俞建霖[12]采用三维有限元方法对基坑开挖过程中的基坑几何尺寸效应、围护结构位移,以及土压力分布等问题进行深基坑的数值分析研究。高文华[13]对深基坑分布开挖和地基的流变特性进行了三维数值模拟分析,同时研究了深基坑支护过程中墙体受力变形的特性。李佳川[8]对大量地下连续墙使用的深基坑开挖工程进行了复杂的三维分析,其中采用了八节点非协调的参有限元方法。孔祥鹏等[14]对明珠二号线上海体育馆地铁车站穿越施工地铁一号线车站工程进行研究,结果分析表明:施工过程会破坏原来土体平衡,对既有车站土体产生一定扰动,会在一定程度上引起新开挖车站的不均匀沉降。

结合实际工程研究的基坑是大基坑中同时施工一个小基坑,呈现出是“坑中坑”的形式。对此,将着重研究在这种“坑中坑”的形式下,基坑周围地表的沉降,围护结构的水平位移,以及坑底的隆起和围护结构的应力分布。

2 工程概况

某深基坑工程为轨道交通2号线三阳广场站—东林广场站区间配套工程。基坑长约428 m,宽约40 m,局部内凹为30 m。设计地面标高为3.0～3.4 m,顶板覆土≥2.5 m。该项工程基坑为整体深坑及坑中坑形式,整体深坑深度约为18 m,浅坑深度为11 m,局部落低处深度为7 m,具体详见图1。

图1 地铁基坑区间断面图

3 深基坑数值模拟

3.1 基坑模型及力学参数

数值模拟采用大型有限元差分软件FLAC3D,模型宽120 m,高50 m,模型横向长度取300 m（由于实际横向长度过长,进行了选取,沿横向取两个端头井,以及中间变截面处标准段）,尺寸如图2所示,基坑所处地层情况分为7种,具体可见表1所列。选取标准断面模型如图3所示,基坑采用坑中坑的模式,上部基坑为宽度40 m,深度为11 m,下部基坑宽度为20 m,深度为7 m。

图2 FLAC3D整体模型图

表1 地铁基坑围岩物理力学参数指标一览表

图3 FLAC3D基坑模型图

其中,土体采用摩尔库伦材料进行模拟,主要参数见表1所列。围护结构采用实体单元模拟,属性为混凝土材料；支撑采用梁单元模拟,第一道支撑为混凝土撑,其余支撑为钢支撑。

3.2 基坑监测线布置

该基坑主要考虑基坑周围土体的竖向位移和围护结构的水平位移,以及坑底的隆起值,其中土体的竖向监测线共5条,分别为VA、VB、VC、VD、VE,具体监测线位置如图4所示。

3.3 模拟开挖过程

深基坑在开挖过程中分为四种工况,具体情况见表2。

图4 基坑周围土体竖向监测线布置图

表2 基坑开挖顺序表

基坑施工流程图如图5所示。

4 计算结果分析

4.1 土体的竖向位移分析

考虑到基坑的形式的不规则,在开挖过程中,基坑周围土体的位移随着开挖步的进行而不断变化,观察五条水平监测线在四种工况下的变化可见以下系列趋势图（见图6～图10）。

图6 VA监测线竖向位移图

图7 VB监测线竖向位移图

图8 VC监测线竖向位移图

图9 VD监测线竖向位移图

图10 VE监测线竖向位移图

由图7～图10可以看出,随着基坑开挖尺寸的增加,基坑周边的地表沉降逐渐增大,地表沉降的影响范围也逐渐增大。此外,由这些图中的工况三和工况四的对比分析可知,地表沉降在小基坑开挖后出现了较大幅度的增长。由图7可以看出,对于基坑端头这一侧监测VB线时,工况三（大基坑）开挖完成后,基坑VB线地表最大的沉降为2.5 mm,工况四（小基坑）开挖完成后,基坑VB线地表最大的沉降为4.9 mm。小基坑开挖后,地表沉降增加幅度为96%。沉降槽出现位置距离围护结构7.5 m处,靠近围护结构一侧出现隆起,隆起值为5.0 mm。这一监测线最后的地表沉降值与地表隆起值之比为0.98。

对于围护结构这一侧监测VC线时,工况三（大基坑）开挖完成后,基坑VC线地表最大的沉降为3.1 mm,工况四（小基坑）开挖完成后,基坑VC线地表最大的沉降为11.0 mm。小基坑开挖后,地表沉降增加幅度为255%。沉降槽出现位置距离围护结构7.5 m处,靠近围护结构一侧出现隆起,隆起值为2.1 mm。这一监测线最后的地表沉降值与地表隆起值之比为5.24。

对于围护结构这一侧监测VD线时,工况三（大基坑）开挖完成后,基坑VD线地表最大的沉降为3.1 mm,工况四（小基坑）开挖完成后,基坑VD线地表最大的沉降为6.7 mm。小基坑开挖后,地表沉降增加幅度为116%。沉降槽出现位置距离围护结构10.0 m处,靠近围护结构一侧出现隆起,隆起值为5.5 mm。这一监测线最后的地表沉降值与地表隆起值之比为1.22。

对于围护结构这一侧监测VE线时,工况三（大基坑）开挖完成后,基坑VE线地表最大的沉降为3.1 mm,工况四（小基坑）开挖完成后,基坑VE线地表最大的沉降为7.8 mm。小基坑开挖后,地表沉降增加幅度为152%。沉降槽出现位置距离围护结构10.0 m处,靠近围护结构一侧出现隆起,隆起值为2.8 mm。这一监测线最后的地表沉降值与地表隆起值之比为2.79。

对比图7～图10,可以看出,端头VA这一监测线的地表沉降值最大,高达15.9 mm,端头VB这一监测线与VC这一监测线地表沉降值相差不大,VC与VE的最大地表沉降也基本一样。

因此小基坑开挖后要着重考虑采用加强围护措施防止地表沉降过大。由图7至图10,可以看出,由于基坑形式是不规则的多边形,基坑不同部位的围护结构施作的影响范围不一样,其对应的地表沉降影响规律基本一样,但是沉降槽的出现位置有所区别,在控制地表沉降时应根据相应的情况进行相应的范围内控制。

4.2 坑底的隆起（见图11）

图11 基坑底部隆起曲线图

由图11可以看出随着基坑开挖尺寸的进行,基坑底部隆起值由工况一的14.5 mm增加到了工况四的18.0 mm,增加幅度为24.1%。工况一到工况三,其隆起值由14.5 mm增加到了16.0 mm,工况三到工况四,其隆起值由16.0 mm增加到了18.0 mm。对比分析可知,基坑在小基坑开挖后会出现在两侧的基坑隆起值降低,中间的隆起值增大。因此大基坑开挖完成后至小基坑开挖前,基坑的隆起值变化不大,小基坑开挖后,坑底隆起值会出现增幅达24.1%的变化。

4.3 基坑的水平位移（见图12、图13）

图12 基坑整体水平位移图

图13 小基坑围护结构的水平位移图

对比图12和图13可以看出,大基坑的围护结构的最大水平位移为15.0 mm,小基坑的围护结构的最大水平位移为6.5 mm。基坑水平位移的变化幅度约56%。

图14是围护结构水平变形放大了400倍后的形状。由其变形可以看出,外围的围护结构有往基坑内挤压的趋势,内部的围护结构变形较小。

图14 围护结构的变形图

“坑中坑”的基坑施作方式对下部小基坑而言,从控制位移变形方面是起显著作用的。

4.4 应力分析（见图15～图18）

图15 围护结构最大主应力图

图16 围护结构的最小主应力图

图17 围护结构的最大剪切应力图

图18 围护结构的最大轴力图

由图15～图18可以看出,围护结构的主大主应力为5.7 MPa,最小主应力为2.5 MPa,最大剪切应力为3.7 MPa。在围护结构的拐角处出现应力集中。基坑的最大轴力为1.1 kN。

5 现场监测和数值模拟结果对比分析

现场监测点布置应根据工程所处区段的地形地貌、水文地质条件、岩层特性和施工要求而确定。该基坑保护等级为一级,基坑开挖深度较深,坑中坑区域最深已达18 m,在开挖深度达到6 m以上的时候,应该需要重点监测基坑及周边环境的安全,基坑边缘外侧1～3倍基坑开挖深度范围内需要保护的周边环境应作为监测对象,必要时需要增加监测范围。在该基坑开挖过程中密切监测立柱沉降、围护墙顶沉降、周围土体地表沉降、围护墙体的测斜位移及支撑内力的变化,科学评估基坑开挖对围护体系自身形变及周边环境的影响。因整个基坑监测范围较大,若全部列出,其篇幅太大,且没必要,故只给出相关的部分现场监测点的平面布置示意图,见图19所示。

图19 现场部分监测点布置图

由于监测数据繁多,现选取有代表性的三组监测数据与数值模拟结果进行对比。选取数值模拟VC监测线上距离围护墙体5 m的监测点与对应现场监测点DB19-1的监测结果进行沉降值对比分析,见图20所示；选取数值模VC监测线与围护墙体相交点的竖向深层墙体水平位移监测线与对应现场监测点CX19的监测结果对比分析,见图21所示；选取标准断面第一层支撑数值计算和对应现场监测点ZL17-1.4的轴力值进行对比分析,见图22所示。

图20 数值模拟和现场监测沉降值对比图

图21 数值模拟和现场监测水平位移值对比图

图22 数值模拟和现场监测支撑内力值对比图

由图20～图22分析可得,现场监测数据值和数值模拟结果可以基本吻合,都较好地反应了基坑在开挖过程中的变形情况和支撑围护结构的受力情况。同时,两者之间也存在一定的误差,造成这种误差的原因可能有两点:（1）现场监测的误差,由于人为,以及监测仪器设备等因素,造成现场监测数据结果与实际结果不符；（2）数值计算的误差,表现在土体力学物理参数,以及土体本构模型的选取差异造成的误差,勘察结果与实际地层不符。当然,这两方面都避免不了存在一定的误差。

现场监测和数值计算得到的基坑开挖变形,以及支撑围护结构轴力值变化规律,其误差是可以接受,这也证明了采用该数值计算的可靠性。故建议在类似基坑开挖之前,尤其是类似本文所述的“坑中坑”类型基坑的复杂基坑,采用数值模拟的方法,按照实际基坑开挖步骤进行数值模拟计算,以便大致预知基坑开挖过程中可能的变形和支护结构的受力特征,做好提前的防范措施,保证基坑施工和邻近建筑物的安全。

6 结论

以某地下深基坑开挖工程为依托,对“坑中坑”基坑施作方式下的位移受力进行数值模拟研究,经分析得出下面几点结论:

（1）对于基坑形式为不规则的多边形,基坑不同部位的围护结构施作的影响范围不一样,其对应的地表沉降影响规律基本一样,但是沉降槽的出现位置有所区别,在控制地表沉降时应根据相应的情况进行相应的范围内控制。

（2）在基坑开挖过程中,对比与大基坑施作完成后的地表沉降值,在小基坑施作完成后,地表沉降会出现较大的突变,其突变幅度高达255%。出现在VC监测线处。

（3）对比与大基坑施作完成后的基坑隆起值,在小基坑施作完成后,基坑隆起会出现较小的变化,其增加幅度为24.1%。

（4）基坑的水平变形主要是大基坑的外围护变形,最大变形出现在基坑拐角处。小基坑的水平变形较小。基坑施作中出现“坑中坑”的施作方式对控制小基坑的水平变形而言是有利的。

（5）围护结构的应力分布在基坑拐角处出现应力集中,但满足混凝土的抗压要求。撑的支撑轴力最大值为1.1 kN,满足撑的抗压要求。整个围护结构处于安全状态。

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TU753

A

1009-7716（2017）07-0297-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.090

2017-03-23

卫俊杰（1985-）,男,江苏南通人,工程师,从事地下工程设计工作。