基坑局部超挖对周边支护结构的影响机理

黄天明，程雪松，郑刚，聂东清，刘　杰，邓楚涵

综合

基坑局部超挖对周边支护结构的影响机理

黄天明，程雪松，郑刚，聂东清，刘杰，邓楚涵

（天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津大学土木工程系，天津300072）

虽然已有很多由局部超挖引起基坑大范围破坏的工程案例，但局部超挖对支护结构整体的影响却较少有深入研究。文中采用显式有限差分法，对不同条件下的基坑局部开挖进行了模拟。结果表明，局部开挖不仅会导致开挖范围内支护桩内力大幅增长，还会导致周边一定范围内支护桩内力增长。研究成果为坑中坑设计及基坑分区开挖等基坑局部深挖问题提供了参考。

基坑；局部超挖；基坑事故；有限差分法

0　引言

近年来，随着我国城市化进程不断加快，城市土地资源也越加紧缺，城市建设也从地面逐渐向地下发展。例如大型商场、地下停车场、地铁车站以及大型交通枢纽工程的建设，这些都离不开基坑工程的建设。基坑从面积、深度和长度方面均达到前所未有的规模，与此同时，基坑周边环境的复杂程度也日益增加。在基坑施工过程中，由于追赶工期或者坑中坑开挖等原因，局部超挖的情况经常出现，由超挖或者局部超挖引发的基坑事故更是屡见不鲜，事故造成的人员伤亡、经济损失和社会效应也都是十分惨重的。

2003年1月23日，深圳市南山区南山大道某基坑西侧因坑中坑开挖施工发生了坍塌事故[1]。该基坑西侧采用搅拌桩复合土钉墙支护，正常开挖深度为7 m。由于开挖基桩承台，需要开挖坑中坑，施工单位没有对坑中坑采取支护措施，放坡开挖，承台坑底部连成一片形成了2个坑中坑，深度分别为0.9 m及1.9 m，导致基坑局部总深度分别达到8.0 m及9.0m，事故发生时，-8.0 m坑已完全开挖，-9.0 m坑尚未完全开挖到底。1月23日当晚，西侧北半段坍塌，坍塌范围长度约22 m，宽度约10 m，红线外约6m宽人行道路塌落到坑内，西侧南半段因有出土车道等原因，没有坍塌，但变形略有增加。

2011年6月中旬，位于天津临港滨海软土地基的某长条形基坑发生坍塌事故[2]。该基坑长28.75m，宽12.33m（短边宽6.88m），开挖深度8.7 m，采用SMW工法桩加一道钢筋混凝土水平支撑支护。事故发生时，主体基坑土方刚开挖到设计标高，局部小面积继续开挖了约1.5m，使超挖部位的SMW工法桩型钢断裂，连锁引发相邻的SMW工法桩型钢连续断裂，造成基坑1条长边支护结构向坑内坍塌，水平支撑下坠并严重变形，另外3条边的支护结构也向坑内倾斜变形。

通过前述案例可发现基坑垮塌的范围会不局限于基坑局部开挖的位置，局部超挖会引起基坑沿长度方向连续垮塌。例如，同样是在深圳市南山区的某基坑[1]，采用搅拌桩-预应力锚索复合土钉墙支护，由于开挖尺寸为2.5m×2.0m×1.2 m（长×宽×高（下同））的集水坑导致了长约36 m的基坑坍塌事故；上海宝山区某基坑[3]，采用钻孔灌注桩加旋喷桩的方式，坑内1道钢管斜撑支护，开挖上口为尺寸3 m×3.7 m×2 m的坑中坑，导致了长36m、宽13m路面发生严重塌陷。

在坑中坑研究方面，龚晓南[4]曾指出研究坑中坑对基坑围护稳定有重大影响，国内也不断有学者对坑中坑进行分析研究，并对坑中坑的设计提出了简化计算方法[5]。然而现有的基坑局部开挖设计分析理论都是基于对基坑进行二维的分析或者基于二维的理论而得出的，局部超挖造成的基坑垮塌却具有空间连续性，很少有学者对局部开挖造成的沿基坑长度方向的荷载传递机理进行研究，这使得坑中坑的设计缺乏充分的理论支持。

本文采用数值模拟方法对悬臂排桩基坑紧邻支护桩部位局部超挖的情况进行分析，初步揭示了局部超挖在基坑长度方向上的影响机理。

1　有限差分数值模型模拟

显式有限差分法通过直接求解含有运动的动态方程得出数值问题的解，这样的求解方法求解大变形或者不稳定的物理系统时，能够确保数值方法的稳定。在基坑发生局部开挖的情况时，支护结构有可能发生较大变形，故选用有限差分软件进行数值模拟分析。

数值模型如图1，模型大小为28 m×18 m× 20 m（X×Y×Z），在垂直于X与Y方向的4个竖直边界面上约束法向位移，在垂直于Z的底部边界上约束X、Y、Z三个方向的位移。设定Y方向的最左侧边界为对称边界，最右侧边界远端为不受影响的边界，局部开挖模型最左侧若干根支护桩前3 m内的土体。整个模型共有163 200个实体单元，172 569个节点。

图1　有限差分模型Fig.1 Finite difference model

在基坑长度方向上，土体网格单元较密，0.3m一个网格，支护桩直径0.6 m，长度16 m。若采用单根结构桩（pile单元）模拟基坑中的支护桩，则2根结构桩间的土体单元由于没有支护，将会发生较大变形，与实际情况不符。因此本文数值模拟中，单根支护桩采用2根pile单元和33根beam单元组成的组合结构模拟，如图1。16 m的桩单元分为32个结构单元，将桩单元节点用beam单元连接，pile单元与beam单元的弹性模量为30 MPa，泊松比为0.2，将单根支护桩的截面特性拆分赋予到2根pile单元上。这样处理后的桩单元即能模拟支护桩的力学、变形特性，又能使桩间土体网格不产生较大变形。桩单元与土体间的作用通过对桩单元赋予剪切耦合弹簧特性和法向剪切弹簧特性来模拟。基坑正常支护桩按从左到右依次命名为1~30号桩。基坑内局部开挖采用的支护结构同样采用pile单元模拟，材料参数与正常支护结构相同。

1.1基坑局部开挖荷载传递机理

为研究局部开挖造成的荷载传递效应，数值模拟的计算流程为正常开挖5 m、6 m或7 m后局部开挖1~8号桩前4.8 m×3 m×2.5 m土体（图1），大面积开挖每步开挖1 m深土体，局部开挖每步开挖0.5 m深土体。由于坑中坑支护结构受力较小，因此取大基坑支护桩桩身弯矩为研究对象（假定支护桩的破坏由抗弯承载力决定）。

分别选用砂土与黏土的参数以研究不同土性下的传递机理，土体采取摩尔库伦模型模拟。其中砂土黏聚力取0 kPa，摩擦角φ采用30°，弹性模量E沿埋深z线性增加[5]，按（1.125+4.5×z）MPa取值，泊松比取0.3；黏土黏聚力cu取（5+3×z）kPa，摩擦角采用0°，弹性模量E按（2.25+ 1.35×z）MPa取值，泊松比取0.495。

1.1.1砂土中局部开挖荷载传递机理

以下主要以大面积开挖5m后进行局部超挖的工况进行荷载传递机理的分析。

大面积开挖5 m，局部开挖各步1~20号支护桩桩顶水平向位移如图2所示。可见局部开挖造成了局部开挖范围内桩顶位移增长较大，而局部开挖范围外桩顶位移增长相对较小。由此可见，在此情况下局部开挖对周围环境造成的影响主要集中在局部开挖范围内。

图2　局部开挖桩顶位移Fig.2 Displacement of pile tops in partial excavation

1~20号支护桩最大弯矩值如图3，局部开挖范围内支护桩弯矩呈增长趋势，而邻近局部开挖位置的支护桩弯矩也呈增长趋势，局部开挖范围外支护桩桩身弯矩随与局部开挖位置距离增大而减小。最大弯矩作用点深度如图4所示，可见随着局部开挖深度不断增长，局部开挖范围内和邻近位置的支护桩桩身弯矩最大值位置也从埋深7 m处不断下移至9.5m左右。

如果按事故中常见的情况，不对坑中坑的开挖进行设计计算，仅对大面积开挖至5 m时情况进行设计计算，即将本数值模型大面积开挖至5m，将得到的支护桩最大弯矩111.4 kN·m称为初始弯矩参考标准值，而局部开挖2.5 m后桩身最大弯矩值已达276.2 kN·m，是初始弯矩参考标准值的2.48倍。

图3　砂土中局部开挖桩身弯矩Fig.3 The moment of pile when partial excavate in sandy soil

图4　砂土中局部开挖桩身最大弯矩位置Fig.4 The maximummoment position of pile when partial excavate in sandy soil

1.1.2黏土中局部开挖荷载传递机理

黏土中各支护桩最大弯矩值分布如图5所示，可见局部开挖时，最大弯矩值同样出现在紧邻局部超挖位置第1根桩处，局部开挖2.5 m后桩身最大弯矩值已达298.1 kN·m，是大面积开挖5 m最大弯矩值126.9 kN·m的2.35倍，最大弯矩分布与砂土工况类似，为便于分析，下文中仅采用砂土的参数进行数值模拟。

图5　黏土中局部开挖桩身弯矩Fig.5 The moment of pile when partial excavate in clay soil

1.2不同正常开挖深度下局部开挖的荷载传递

为研究不同大面积开挖深度下进行局部开挖的影响，分别模拟了砂土中正常开挖6m、7m后进行8根桩范围内局部开挖2.5m的工况。

大面积开挖6 m后进行局部开挖，支护桩桩身最大弯矩值350.0 kN·m，增大1.81倍，未超过大面积开挖6 m的参考极限值362.8 kN·m；大面积开挖7 m后进行局部开挖，支护桩桩身最大弯矩值410.7 kN·m，增大1.45倍，未超过大面积开挖7m的参考极限值532.9 kN·m（图6、图7）。说明大面积开挖的深度越大，由于局部开挖造成弯矩增长的倍数就越小；而如果大面积开挖完成后，基坑的安全冗余度并不够大，大面积开挖深度越浅进行局部开挖反而越有可能造成基坑破坏。

图6　大面积开挖6m后局部开挖最大弯矩Fig.6 The maximummoment in partial excavation after large area excavation of 6 m

图7　大面积开挖7m后局部开挖最大弯矩Fig.7 The maximummoment in partial excavation after large area excavation of 7 m

虽然大面积开挖6 m、7m后进行局部开挖，开挖范围内支护桩桩身弯矩并未达到相应的参考极限值，但随着大面积开挖深度的增加，局部开挖范围外的支护桩最大弯矩增长倍数逐渐接近局部开挖范围内桩身最大弯矩增长倍数，如图3、图5及图7所示，说明大面积开挖深度越深，荷载传递更加明显。

综上，随着大面积开挖深度的增加，局部开挖范围内的支护桩最大弯矩增长逐渐变缓，而局部开挖范围外的支护桩最大弯矩却不断增长。

1.3基坑局部开挖范围的影响

为研究不同局部开挖范围对支护桩身荷载分布的影响，分别模拟了砂土中大面积开挖5m后在1、2、3、4、6、7、8、12、15、20根桩范围内局部开挖2.5 m深的土体。由图8可见开挖范围增长到4根桩前，最大弯矩值随局部开挖范围的增长近于线性增长。局部开挖范围增长到4根桩时，桩身最大弯矩值已达219.2 kN·m，超过大面积开挖5 m深时的参考极限值；开挖范围达到12根桩时，支护桩最大弯矩即达295.8 kN·m，接近局部开挖20根桩范围的最大弯矩值310.0 kN·m。

习近平总书记高度重视文艺人才队伍建设，他在文艺工作座谈会上指出：“繁荣文艺创作、推动文艺创新，必须有大批德艺双馨的文艺名家。要把文艺队伍建设摆在更加突出的重要位置，努力造就一批有影响的各领域文艺领军人物，建设一支宏大的文艺人才队伍。”他在中国文联十大、中国作协九大开幕式上又指出：“我国文艺事业要实现繁荣发展，就必须培养人才、发现人才、珍惜人才、凝聚人才。”总书记的重要讲话深刻阐述了文艺人才队伍建设在繁荣发展文艺事业中的重要作用，对加强文艺人才队伍建设提出了明确要求，为我们加强新时期文艺人才队伍建设指明了前进方向，提供了根本原则方针。

图8　大面积开挖5m后最大弯矩值随开挖范围变化Fig.8 The maximummoment of pile increase with the range of partial excavation after large area excavation of 5 m

支护桩桩顶最大位移值随局部开挖范围增长如图9所示，由图可知桩顶位移值随局部开挖范围增长而增长。

图9　最大位移值随开挖范围变化Fig.9 The maximumdisplacement of pile increase with the range of partial excavation

为研究不同局部开挖深度对支护桩身荷载分布的影响，又分别模拟了大面积开挖6 m、7m后在1、2、3、4、6、7、8、12、15、20根桩范围内局部开挖2.5m深的土体。

如图10，大面积开挖6 m后，在12根桩范围内局部超挖2.5 m深的深坑，支护桩桩身弯矩达381.4 kN·m，超过大面积开挖6 m时的参考极限值362.9 kN·m；在局部开挖范围增长到20根桩后，支护桩最大弯矩值达到402.8 kN·m，是大面积开挖6m参考设计值的2.08倍，此时的弯矩也已达到非常危险的水平。对比大面积开挖5 m的工况可见，大面积开挖深度越浅，支护桩弯矩随开挖范围增长到相应的参考极限值越快。

图10　最大弯矩值随开挖范围变化Fig.10 The maximummoment with the excavation range

大面积开挖7 m后，在20根桩范围内局部超挖2.5m深的局部深坑，支护桩桩身弯矩达479.2 kN·m，达到参考设计值的1.68倍，并未超过大面积开挖7 m的参考极限值532.9 kN·m；在局部开挖范围增长到12根桩后，支护桩最大弯矩值即达到447.4 kN·m，达到参考设计值的1.57倍，此时的弯矩也已达到非常危险的水平。

由此可见局部开挖支护桩内力和桩顶位移与局部开挖范围的大小有着紧密的联系，施工中进行基坑开挖时，应考虑基坑开挖过程中的空间效应，尽量减少大范围的基坑开挖。

2　结语

1）基坑局部开挖会使得一定范围内支护桩水平位移增大，局部开挖范围内的支护桩位移增长大于周边的支护桩。

2）局部开挖过程中，局部开挖范围内桩身弯矩值不断增长，但弯矩值小于大面积开挖到相同深度时桩身最大弯矩值，局部开挖邻近一定范围内的支护桩内力也会增长。

3）支护桩最大弯矩值会随着基坑局部开挖范围增长而增长，也会随着基坑局部开挖的深度增长而增长。

4）上述研究表明基坑局部深挖对临近土压力和支护桩内力有重要影响。因此在针对靠近基坑边缘的坑中坑进行设计时，不但需要针对坑中坑所在的基坑剖面进行二维设计，提高此剖面内支护结构的强度、刚度或插入深度，同时需要对基坑进行三维分析设计，增强临近局部超挖一定范围内的支护结构。

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Influence mechanism of foundation pit partial over-excavationon surrounding supporting structure

HUANG Tian-ming, CHENG Xue-song, ZHENG Gang, NIE Dong-qing, LIU Jie, DENG Chu-han
（MOE Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety, Department of Civil Engineering of Tianjin University, Tianjin 300072, China）

Although there aremany extensive collapse cases of foundation pit thatcaused by partial excavation,deep study on the influence of partial over-excavation on supporting structure is less.We used the finite differencemethod to analyze the partial excavation in foundation pit in different condition.The results show that partial excavation can lead to significant increments of the internal forces of the piles in the excavation range,and can lead to increment of the internal forces of the adjacent piles.The result can offer some reference for the foundation pit partial over-excavation problems,which include the pits in foundation-pitdesign and partition excavation,etc.

foundation pit;partial over-excavation;foundation pit collapse;finite differencemethod

U655；TU463

A

2095-7874（2016）04-0001-05

10.7640/zggw js201604001

2015-10-16

2016-03-30

国家自然科学基金（51508382）；国家科技支撑计划课题（2012BAJ01B02-03）；中国博士后科学基金资助项目（2014M561186）

黄天明（1991—），男，安徽巢湖人，硕士，主要从事基坑工程等领域的科研工作。E-mail：htm3@sina.com