软土地区坑靠坑开挖耦合效应分析

胡凯华 张孟喜

(上海大学 土木工程系,上海 200444)

0 引 言

基坑群开挖导致基坑之间土体变形相互叠加,使得周边的建(构)筑物及地下管线产生的附加变形和对周边环境产生的影响范围都比单一基坑开挖的影响复杂数倍。随着各大城市高效集成的利用土地,大规模的建筑群和大型的交通枢纽工程正在兴起,由群坑工程引起的环境保护问题和基坑之间时空差异的相互影响研究变得尤为重要。对于群坑工程中,每个基坑支护体系的稳定性和对周边环境影响的有效控制都是必要条件,而群坑开挖产生的相互作用及其相互作用的影响范围成为群坑工程方案设计控制条件,确定基坑之间相互作用的影响范围,即可确定基坑群合理经济的设计方案和有效的保护措施。基坑群开挖耦合效应范围大小的研究是基坑群围护体系设计方案确定的重要依据,也是基坑群开挖对周边环境影响的核心问题之一。坑靠坑形式是基坑群工程中的一种类型,其特点是围护结构不相连,各子基坑距离靠近,因此基坑开挖引起的耦合效应明显。随着各大城市集中化开发利用地下空间,坑靠坑形式的基坑群工程越来越多,比如上海世博园区央企总部坑靠坑工程。

诸多学者对深大基坑开挖、基坑群开挖耦合效应及对周围环境保护进行了研究,各自做出了一些贡献。郭光年和吕凤悟[1]运用数值模拟方法研究了不同工况下共壁相邻基坑先后开挖施工时围护结构内力和变形特征,总结了其受力和变形规律。刘涛和王晓伟等[2]根据基坑之间相对位置将复杂基坑群分为“坑靠坑”“坑连坑”和“坑中坑”,并研究了群坑开挖耦合效应。沈健[3]采用三维数值模型对天津于家堡基坑群中几个近距离的坑靠坑进行模拟,得出坑靠坑开挖造成基坑之间的地面沉降叠加,且改变支撑体系的受力分布,并提出合理的开挖顺序和施工保护措施。张中杰和汤翔等[4]对上海世博央企总部基坑群中3个同期施工基坑的监测数据进行研究分析,得到了坑靠坑开挖对基坑相邻侧围护墙变形影响大于其他侧围护墙。冯晓腊和熊宗海等[5]采用规范方法和有限元法研究了坑中坑单级支护系统和坑中坑与外围主坑形成多级支护系统的稳定性和变形,验证了外围主坑多级柔性支护和坑中坑悬臂支护可行的整体设计方案。张治国、张孟喜和王卫东[6]运用三维有限元数值模拟基坑开挖对临近地铁隧道纵向变形影响,结合实测数据为制定基坑开挖对临近地铁隧道的保护措施提供理论依据。但很少有对坑靠坑开挖耦合效应影响范围大小研究的报道。

单一基坑开挖变形研究重点主要是开挖过程中基坑围护结构、支撑体系和基坑外地表沉降。上海软土地区基坑开挖坑外地表沉降影响范围为4倍开挖深度。本文根据开挖深度和支撑道数对上海地区适用于地下连续墙支护体系基坑工程实例进行分类,对应上海地区不同开挖深度和不同基坑间距,建立了不同的双基坑有限元平面应变模型。有限元基本模型中土体的本构模型采用修正剑桥模型,并且根据上海地区滨海平原区域土层的勘察报告和经验公式得到了修正剑桥模型的计算参数。通过对多组有限元计算结果的分析,比较双基坑开挖耦合效应与单一基坑开挖作用,研究了后续基坑开挖对已开挖完基坑地下连续墙水平位移和4倍开挖深度范围内地表沉降曲线变化规律,从而得到了坑靠坑开挖耦合效影响范围大小与基坑间距大小的关系,确定了产生坑靠坑开挖耦合效应基坑间距的下限值。

1 有限元基本模型

1.1 有限元几何模型及结构参数

通过对上海地区大量地下连续墙支护体系基坑工程实例进行调查,发现地下连续墙适用于开挖深度为10～20 m的基坑[7]。根据基坑开挖深度和支撑道数,可将其分为三类,见表1。

表1基坑类型

Table 1Excavation types

为了方便论述,定义模型的几何变量和变形变量如图1所示。其中,s是基坑间距;H是基坑开挖深度,该间距是两个基坑相邻处地下连续墙之间的距离;h是支撑的竖向间距;T是地下连续墙插入深度。Medina[8]利用三维有限元得出支撑水平间距在正常布局的情况下对基坑变形的影响可以忽略不计。本文考虑的基坑为开挖深度大于10 m的深基坑,有限元基本模型取Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三类,分别对应于上海地区地下连续墙支护体系基坑的A、B、C类型,见表2。第一道支撑在开挖深度1 m处,支撑的竖向间距h=5 m,基本模型中基坑宽度为80 m。根据上海市《基坑工程技术规范》(DG/TJ08-61—2010)提出了如图2所示的地表沉降预估曲线,明确了基坑开挖对围护墙后4H范围内地表沉降都有影响,其中2H范围内为主影响区域,2H～4H范围内为次影响区域,大于4H以外影响消失。单一基坑开挖地表沉降预估曲线为4H范围,当两个基坑间距为8H时,从理论上讲,两个基坑之间的地表沉降互不影响,当两个基坑间距小于8H时,两个基坑之间的地表沉降会产生叠加效应,基于这一点,本文双基坑间距取s=4H,6H,8H,10H,此间距相当于各基坑2H,3H,4H和5H影响范围的叠加。

表2基坑有限元基本模型

Table 2FEM models of excavations

图1 地下连续墙基坑几何变量及变形变量的定义Fig.1 Geometric variable and deformation variable definition of excavation with diaphragm wall

图2 围护墙后地表沉降预估曲线Fig.2 Settlement forecast curve of surface behind diaphragm wall

基坑模型中土层的厚度取上海市区滨海平原区域土层厚度的平均值。Roboski[9]研究发现基坑边缘与模型边界的距离大于基坑开挖深度的5倍时,模型边界条件对基坑变形的影响可以忽略不计,为了尽可能减小这一影响,基本模型的几何尺寸取600 m×120 m。模型边界条件设为底面固定,竖向边界约束水平方向位移。基坑围护结构采用梁单元模拟,采用弹簧单元模拟水平支撑系统,采用罚函数接触算法模拟土与地下连续墙界面非连续接触特性。对于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类基坑,地下连续墙厚度分别采用800 mm、800 mm和1 000 mm,支撑采用钢筋混凝土。材料参数[10]见表3。

表3有限元模型结构参数

Table 3Parameters of structures of FEM model

1.2 土体本构模型选择及其参数的计算

数值分析在岩土工程中得到广泛的应用,其中至关重要的是选取合理的土体本构模型,不合理的土体本构模型无法保证计算结果的合理性。敏感环境下基坑工程的重点问题是墙后土体的变形情况,为了满足设计的要求,宜采用修正剑桥模型(MCC)进行上海地区敏感环境下基坑开挖数值模拟分析,该土体本构模型能较准确地反映出基坑开挖过程中软黏土应变硬化特性和加卸载的区别,能得到合理的墙体变形及墙后土体变形的计算结果,其参数有8个,可以通过地质勘查报告和经验公式确定。上海地区典型土层分布,②～⑥层主要为黏土层,各黏土层本构关系采用修正剑桥模型,第⑦为砂土层,其本构关系采用摩尔库伦模型(MC),有4个参数。两种本构模型土体参数[7]见表4。

2 工程实例验证

为了验证模型和参数的准确性,将选取本文中几组单一基坑计算数据与上海王宝和大酒店二期工程和上海华山医院基坑的墙后地表沉降和墙体水平位移的实测数据[10-11]进行对比验证:①上海王宝和大酒店二期基坑工程,开挖深度14.3 m。采用厚度为1 000 mm地下连续墙作为围护结构,平均插入深度30 m;②上海华山医院基坑工程采用厚度为800 mm地下连续墙作为围护结构,平均开挖深度11 m,平均插入深度20 m。图3(a)和(b)是两个基坑工程墙后地表沉降曲线计算值与实测值对比。图4(a)和(b)是两个基坑工程地下连续墙水平位移曲线计算值与实测值对比。

表4上海地区典型土层土体本构参数

Table 4Soil constitutive parameters of Shanghai typical soil layers

图3 地表沉降计算值与实测值的对比Fig.3 Comparison between calculated and measured results of ground surface settlement

图4 地下连续墙水平位移计算值与实测值的对比Fig.4 Comparison between calculated and measured results of horizontal displacement of diaphragm wall

由图3和图4可知,两个基坑工程地下连续墙水平位移和地表沉降的计算值与实测值对比较为吻合。因此本文所建模型、土体本构模型及土体参数具有较好的准确性。

3 坑靠坑有限元计算结果分析

3.1 双基坑不同开挖顺序计算值对比

在基坑群工程中各基坑不同开挖顺序会引起不同的围护结构及地表叠加变形。选取开挖深度H=21 m,基坑间距s=4H的一组双基坑计算值,分析不同开挖工况下坑靠坑开挖耦合效应影响的大小。图5是双基坑工程两种开挖工况下地下连续墙水平位移大小对比关系,可知双基坑先后开挖引起的地下连续水平位移小于同步开挖的情况。两种开挖工况引起的差异变形主要发生在开挖面以上,对开挖面以下基本没有影响。图6是双基坑工程两种开挖工况下墙后土体竖向位移大小对比关系,可知双基坑先后开挖引起的墙后地表沉降大于同步开挖的工况。由于实际工程周围环境更加复杂,两种开挖工况差异变形值大于模型中的差异变形值。在实际坑靠坑工程中,应充分利用基坑开挖的时空效应,采用对称同步开挖以减小坑靠坑开挖耦合效应的影响。本文以下研究坑靠坑开挖耦合效应均考虑最不利的先后开挖工况,即先开挖完基坑1,再开挖基坑2,每完成一次开挖立即支撑,如图1所示。

图5 不同开挖工况下地下连续墙位移大小关系Fig.5 Relationship between horizontal displacement of diaphragm walls under different excavation conditions

图6 不同开挖工况下墙后土体竖向位移大小关系Fig.6 Relationship between vertical displacement of soil mass under different excavation conditions

3.2 围护结构水平位移分析

3.2.1围护结构水平位移曲线

Clough等[12]根据有无支撑作用认为围护结构水平位移分为3种模式:①围护结构未支撑开挖时产生的悬臂式位移;②当支撑系统加上后再开挖,由支撑系统约束作用产生的深槽内向位移;③两者之间的混合位移。图7(a)-(c)是不同基坑间距开挖与单一基坑开挖,基坑1右侧地下连续墙水平位移曲线。各种工况下地下连续墙变形形状均呈旋转形,水平位移随着开挖深度的变大而先变大,达到一定值后再变小。考虑坑靠坑开挖耦合效应,地下连续墙曲线形态与单一基坑的曲线形态基本一致,而水平位移值都小于单一基坑开挖的水平位移值,地下连续墙出现回移,改变支撑体系原有受力特点。

图7 不同基坑间距开挖与单一基坑开挖地下连续墙水平位移曲线Fig.7 Horizontal displacement curves of diaphragm walls with different spacing from single excavation

3.2.2地下连续墙最大水平位移

从图7(a)-(c)中可以得到地下连续墙最大水平位移位置,当开挖深度为11 m、16 m和 21 m时,最大水平位移分别位于1.36倍、1.18倍和0.95倍开挖深度处。最大变形位置随着基坑开挖深度变大而逐渐上移。邓航、梁发和叶华等[13]监测位于滨江软土地区的上海某变电站深基坑工程,监测数据表明:围护结构侧向位移随开挖深度增大而增大,且最大侧移均位于开挖面附近,计算结果与监测数据一致。产生这一规律是因为基坑开挖深度为11 m,其坑底位于③层淤泥质粉质黏土的软弱土层。开挖深度为16 m、21 m的基坑,其开挖深度范围内是③④层软弱土层,开挖软弱土层会使开挖面附近产生较大的墙体位移,开挖面以下墙体处于性质较好的⑤⑥⑦土层,墙体水平位移变小。对于开挖深度为11 m的地下连续墙其墙身基本处在②③④软弱土层,开挖引起的变形大于开挖深度为16 m和21 m工况,且坑靠坑开挖耦合效应更明显。因此对于深基坑开挖应重视③④层土开挖时引起的变形控制,这对控制基坑整体变形和保护周围环境有重要意义。

3.2.3地下连续墙开挖耦合效应分析

图8是不同基坑间距和不同开挖深度下双基坑开挖与单一基坑(基坑1)开挖,地下连续墙最大侧移的差值w同基坑间距s与开挖深度H比值的关系。从图8中可知,保持开挖深度一定时,w随着基坑间距s与开挖深度H比值的增大而减小,且减小幅度变缓。当基坑间距为4H时,三种开挖深度下,w分别为6 mm、4 mm、3 mm。当基坑间距达到10H时,三种开挖深度下,w均小于1 mm。在基坑间距相等的情况下,w随着H增大而减小,且减小的幅度也是变缓。

图9-(c)是不同基坑间距和不同开挖深度基坑开挖与单一基坑开挖,地下连续墙同一深度处水平位移差值y同深度T的关系。基坑开挖深度一定时,随着基坑间距s增大,y不断减小。当基坑间距s为4H和6H时,y随墙深度方向不断减小,最大差值在墙顶处;基坑间距s达到8H和10H,y随墙深度方向基本不变。保持基坑间距不变,随着基坑开挖深度的增加,y不断减小。基坑间距为10H,三种基坑开挖深度下,地下连续墙同一位置处水平位移差值y均小于2 mm。

图8 围护墙最大水平位移差值同基坑间距与开挖深度比值的关系Fig.8 Relationship between maximum horizontal displacement difference and the ratio of spacing to excavation depth

图9 地下连续墙同一深度处水平位移差值与深度关系Fig.9 Relationship betweenhorizontal displacement difference and depth of diaphragm wall at the same depth

3.3 墙后土体竖向位移

3.3.1单一基坑开挖完成墙后地表沉降形态

Heish和Ou[14]对10个台北地区实际基坑工程研究分析,得出墙后的地表沉降形态与围护结构变形形态有关,地表沉降形态分为凹槽形和三角形。凹槽形形态的产生是因为基坑开挖初期产生的围护结构变形不大,对墙后土体的扰动不明显,而后续开挖时,由于支撑的作用使得支撑处围护结构的变形小于开挖面处的围护结构变形,围护结构变形对土体的较大扰动发生在深层土体处,这使得地表沉降最大值发生于距围护墙后一定距离处,形成凹槽形曲线。本文中模拟的所有基坑工程都是先小开挖后加支撑再进行后续开挖,由于地表的小开挖所引起围护墙变形不大,围护墙的较大变形发生在后续施工,因此地连墙支护基坑的地表沉降曲线为凹槽形。

Hsieh和Ou[14]在提出墙后地表沉降凹槽形曲线的基础上,又提出了主影响区域和次影响区域的概念,即在距离围护结构2H范围内的区域是沉降较大的主影响区域;在距围护结构2H～4H的范围内沉降较小为次影响区域,在大于4H以外的范围沉降衰减为零。

3.3.2地表沉降开挖耦合分析

图10(a)-(c)是不同基坑间距双基坑开挖与单一基坑(基坑1)开挖地表沉降曲线的关系,墙后土体竖向位移dv同基坑间距s与开挖深度H比值的关系。从图10中可以看出,保持基坑距离一定,地表竖向位移叠加效果随着开挖深度的增加而减小。同时,在开挖深度不变的情况下,随着基坑间距s/H变大,坑靠坑开挖耦合效应引起的竖向叠加位移变小,坑靠坑开挖耦合效应不断减弱。当基坑间距为4H时,墙后竖向最大位移增加了10～20 mm,且最大竖向位移的位置在两基坑的中间处,沉降曲线形态变为U形。当基坑间距为6H时,墙后竖向最大位移增加了4～6 mm,竖向位移叠加主要位于H～4H的影响区。当基坑间距为8H时,墙后竖向位移最大值及位置基本未变,竖向位移叠加主要位于2H～4H的次影响区,沉降曲线形态未变。当基坑间距为10H时,坑靠坑基坑开挖耦合效应对地下连续墙的影响基本消失。

在围护结构和支撑系统刚度达到设计要求时,随着开挖深度的增加,地下连续墙设计插入深度也会加大,基坑开挖深度为16 m,墙底位于性质较好的⑥层黏土层;基坑开挖深度为21 m,墙底处于⑦层粉砂土性质良好的土层。从图4可以看出地下连续墙墙底移动很小,开挖深度为16 m、21 m的围护墙转动比开挖深度为11 m要小,地表沉降主要由围护墙转动引起[15]。所以保持基坑距离一定,地表竖向位移叠加效果随着开挖深度的增加而减小。

图10 地表竖向位移沉降曲线Fig.10 Vertical displacement curves of ground surface

图11是不同基坑间距和不同开挖深度双基坑开挖竖向位移与单一基坑(基坑1)开挖,距基坑1右侧地下连续墙四倍开挖深度处竖向位移差值u同基坑间距s与开挖深度H比值的关系。当基坑间距为4H时,由于此处土体紧贴基坑2左侧围护墙限制了土体沉降,导致竖向位移差值不是最大。基坑间距在6H～10H之间变化时,随着基坑间距的增大,竖向位移差值u不断减小且减小幅度变缓。当基坑间距为6H时,三种开挖深度的竖向位移差值u分别为41 mm、29 mm、16 mm。当基坑间距达到10H时,三种开挖深度的竖向位移叠加值u均小于4 mm,坑靠坑开挖耦合效应引起的竖向位移基本消失。

图11 竖向位移差值同基坑间距与开挖深度比值关系Fig.11 Relationship between vertical displacement difference and the ratio of spacing to excavation depth

4 结 论

本文建立了不同基坑间距和不同开挖深度的坑靠坑开挖模型,首先分析了单一基坑完成开挖后,其地下连续墙水平位移和地表沉降的形态,模拟计算值与实测值对比较吻合,验证所建模型、土体本构模型以及土体参数具有较好的准确性。然后分析了后续基坑开挖对已开挖完基坑地下连续墙水平位移和地表沉降形态的影响及其开挖耦合效应影响范围大小随基坑间距变化的规律。得到主要结论:

(1) 后续基坑开挖对已开挖完基坑相邻侧地下连续墙水平位移叠加效应随着基坑间距的增大而减小,且减小幅度变缓,当基坑间距为6倍开挖深度时,三种开挖深度下,地下连续墙同一位置处水平位移差值均小于3 mm,坑靠坑开挖耦合效应对地下连续墙影响消失。

(2) 后续基坑开挖对已开挖完基坑相邻侧4倍开挖深度内地表竖向位移叠加效应随着基坑间距的增大逐渐变小,当基坑间距为10倍开挖深度时,三种开挖深度下,4倍开挖深度处的竖向位移叠加差值均小于4 mm,坑靠坑开挖耦合效应对地表竖向位移叠加效应消失。

(3) 当基坑间距大于10倍开挖深度时,不用考虑坑靠坑开挖耦合效应影响,坑靠坑工程中各子基坑围护结构设计和对周围环境保护措施都可按单一基坑实施。