基坑开挖宽度对坑底变形的影响分析

孙晓科

0 引言

随着地下空间的综合开发,基坑的规模越来越大,基坑开挖宽度和深度不断突破以往记录。深基坑的研究已经较多,而对随基坑开挖宽度增加带来的影响研究的较少。定性的粗略来讲,基坑开挖宽度越大,对周边环境的影响也随之增加[1],然而是否存在一个临界宽度,使基坑宽度的增加对周边环境的影响范围不再增加,此临界值的影响因素有哪些。本文结合某基坑工程实践,采用Plaxis有限元分析程序,计算分析了基坑宽度分别为10m～240m多种情况下基坑外地表的变形、连续墙水平变形、坑底隆起变形变化规律。

1 数值分析模型的建立

基坑全长1000多米,宽约110m,分多个标段施工。计算选择的断面位于相邻两不同开挖宽度标段的交界处,建立的计算模型见图1,模型底部完全约束,两侧为水平向约束。土体采用实体单元,强化软土模型,即土体在卸荷作用时,其回弹模量大于压缩模量,土层参数见表1;地下连续墙采用板单元模拟,EA=3×107kN/m,连续墙与土体之间设置接触界面,接触面土体强度折减系数0.5。

为减少计算时间,根据基坑的对称性取基坑的一半进行模拟;连续墙后土体宽200m,竖向计算高度为70m。为模拟方便,支撑采用锚杆支撑模拟,锚杆参数 EA=4×106kN,间距3 m,基坑分两步开挖,第一步开挖5.6m,第二步开挖到12 m。连续墙深度28 m,插入比1.33,连续墙厚度1 m,基坑坑底土体未进行加固。相关参数的选取均是按实际工程选用。

表1 土层材料参数

2 基坑宽度的影响分析

数值计算中对基坑开挖引起的地表变形、连续墙变形及坑底变形进行了研究,本文中仅讨论开挖宽度对基坑开挖引起的坑底变形的影响。

由不同基坑开挖宽度的坑底隆起变形的计算结果可以看出:

1)基坑开挖时,坑底发生隆起,当基坑开挖宽度较小时,由于基坑两侧连续墙的存在,基坑底部的隆起相当于在两连续墙间,存在一个类似土拱,使得基坑中央隆起值最大,基坑周边受到连续墙的约束,隆起值小于基坑中央;

2)当基坑开挖宽度较小时,随着基坑开挖宽度的增加,两侧连续墙对坑底隆起的限制作用越来越弱,坑底隆起值增加,如图2所示,当基坑开挖宽度小于50m时,随基坑开挖宽度增加,坑底隆起值增加,但增加幅度逐渐减小;

3)开挖宽度继续增加,地表变形和连续墙变形均有收敛的趋势,因而坑底隆起土体总体积的增加也趋于收敛,但由于隆起范围增加,因此坑底隆起值减小,如图3所示;

4)当基坑宽度继续增加时,随基坑宽度增加,坑底隆起值减小,但基坑两侧之间的相互影响明显减小,可忽略不计,因此基坑中心的隆起值会小于基坑边缘的隆起,如图4所示,当基坑开挖宽度大于100m时,随基坑开挖宽度的增加,基坑中心的隆起值将小于边缘的隆起值。

3 基坑宽度临界值的确定

对于宽、窄基坑,其开挖时坑底的变形形式和机理是不同的[2],结合上述数值模拟结果可以看出,基坑开挖存在两个临界宽度,如图 5所示,第一个临界宽度如图 5b)所示,第二个临界宽度如图5d)所示,第二临界宽度约是第一临界宽度的2倍。

当基坑开挖宽度小于第一临界宽度时,由于相对侧的土体的存在,相当于对基坑一侧的滑体产生超载,限制了坑底的回弹隆起,同时两侧连续墙间相当于存在一个土拱效应,限制了基坑边缘的隆起;当基坑宽度介于第一和第二临界宽度之间时,相对侧的土体对基坑一侧滑体的超载限制作用消失,同时基坑两侧的滑体在坑底中央有重合部分,基坑坑底中央的隆起比基坑边缘隆起要大;当基坑宽度超过第二临界宽度时,基坑两侧的滑体之间不会重合,相当于基坑两侧的土体间不会相互影响,此时,坑底隆起会出现中央比边缘部分隆起值较小的情况。

按地基承载力计算模式确定坑底隆起范围,进而确定基坑临界宽度[3],如图6所示为基坑一半临界宽度的简易确定方法图,其简易计算公式为:

其中,Δ为基坑临界宽度的一半;H为连续墙插入深度;φ为坑底土体的内摩擦角。

根据上述计算式,基坑开挖12 m时,H=16m,φ≈30°,得 Δ≈51 m,即当基坑开挖宽度大于50m时,如图5b)所示,基坑两侧的土体对相对侧滑动带的影响可以忽略,此时形成的滑动带范围达到最大,即对地表沉降影响范围达到最大;当基坑开挖宽度约大于100m时,基坑宽度继续增加,此时基坑底部两侧的隆起之间的相互影响可以忽略,出现坑底中心隆起比坑底周边隆起量小的现象。

与数值模拟计算结果对比发现,按图6确定的基坑临界宽度比较接近。

4 结语

基坑开挖时,坑底隆起变形对基坑开挖宽度的变化尤为敏感,存在两个临界宽度,当基坑宽度小于第一临界宽度时,随基坑宽度增加,坑底隆起量增加,该临界宽度同时影响基坑开挖对地表变形的影响范围;当基坑宽度介于第一和第二临界宽度之间时,随基坑宽度增加,坑底隆起量反而减小;当基坑宽度超过第二临界宽度时,随基坑宽度增加,坑底中心隆起量小于边缘隆起量。

按计算地基承载力方法确定的两临界宽度分别为50m,100m,与数值分析结果较接近。

[1]师晓权.软土地区深基坑回弹量影响因素分析[J].岩土工程界,2007,10(6):32-40.

[2]夏明耀.地下连续墙的变形机理与环境问题对策[J].同济大学学报,1991,19(1):59-66.

[3]孙淑贤.基于Terzaghi假定的基坑抗隆起稳定性计算方法研究[J].水文地质工程地质,2007(6):63-66.