软土地区坑中坑对基坑围护体水平位移影响分析

李 磊

（上海地矿工程勘察有限公司，上海 200072）

0 引言

随着城市现代化建设的不断发展，人们开始向高空和地下寻求发展空间，基坑工程的数量迅速增多，开挖环境也日趋复杂[1-6]。在建筑基坑工程中，除了由于存在基坑结构、电梯井、集水井等个别小型坑中坑外，根据建筑特点需要而导致的同一地下室分为地下一层和地下二层两个区域，基坑内存在大型坑中坑的现象也不断涌现。

以往分析的坑中坑多以深基坑内存在小型坑的例子，偏重于研究基坑内存在电梯井、集水井等小而浅内坑的情况，关注点仅为外坑的围护体变形且外坑围护体多为排桩，对内坑不做或做简单围护。在实际工作中，地下一层内设置大面积地下二层的情况越来越多，外坑围护形式多样化，内坑亦需谨慎采用排桩结合水平支撑围护。本文结合上海地区实际工程案例，针对周边为地下一层，中央为地下二层的情况进行讨论，并对不同围护形式进行了数值模拟研究分析。

1 计算方法及计算模型

1.1 计算方法

在基坑工程研究中，常采用原位试验、模型试验及数值模拟分析等三种方法。原位试验和模型试验成本较高、试验周期长、外界干扰因素较多且易受边界效应影响。在基坑围护及开挖过程中，土的应力路径较为复杂，尚没有好的计算方法对其进行精准分析，现多利用数值模拟的方法进行相关研究分析。本次采用PLAXIS软件进行数值模拟分析，其优点为能够考虑到围护结构与土体，土体之间的应力、应变，缺点为采用了理想弹塑性模型有一定局限性。

采用弹塑性单元模拟桩土间接触，采用库伦准则来模拟接触面内微小结构与土体间产生相对位移时的土体性状。

当接触面处于弹性状态时，剪切力

当接触面处于塑性状态时，剪切力

式中：ci和φi分别为接触面的黏聚力和摩擦力，它们与接触面的粗糙程度及土层的强度有关，一般用界面强度折减因子Rinter进行折减，Rinter=1时认为接触面是刚性的。Rinter一般取1/2～1/3，Rinter的推荐值见表1[1]。

表1 R inter的推荐值

本文采用小应变硬化土模型（HSS），该模型在模拟剪切硬化、压缩硬化、加卸载、小应变等方面具有较大优势。

1.2 计算模型

为了说明大型坑中坑对围护结构水平变形的影响，以上海地区某基坑工程为例，通过plaxis有限元软件进行计算分析。该工程位于上海市奉贤区，地处长江三角洲入海口，地貌类型属滨海平原地貌，在自然地面以下60.0 m深度范围内各土层均为第四系沉积物，由黏性土、粉性土等组成。地势平坦，存在暗浜，地下水位较浅，潜水变化峰值为0.5～1.5 m，水位埋深按高值0.5 m取值。基坑总面积约8394 m2，总延长约为598 m，分为地下一层和地下二层两个区域（见图1），其中地下二层面积约为4640 m2，延长458 m。地下一层普遍区域开挖深度5.2 m，地下二层普遍区域开挖深度9.05 m，两坑高差3.85 m。地下一层区域，根据周边环境分别采用两级放坡、双轴水泥土搅拌桩重力坝及钻孔灌注桩结合钢管斜抛撑等围护形式进行围护；地下二层区域采用钻孔灌注桩结合一道混凝土支撑进行围护。土性参数见表2。

图1 基坑围护平面图

表2 土性参数

根据相关资料和经验[2]，开挖的水平影响范围约为3～5h（h为开挖深度）。为消除边界条件对计算结果的影响，本次模型宽度定为80 m，高度定为35 m，其中地下二层围护体距边界20 m，以便模拟土体空间半无限体的特性。在模型左右两边界施加水平向位移约束，底部施加x和y方向的位移约束。外坑围护体外10 m范围施加20 kPa荷载以模拟周边施工荷载，HSS模型土性参数见表3。

本次考虑其中两种围护形式：

围护形式一：地下一层（外坑）采用重力坝+地下二层（内坑）采用灌注桩结合水平支撑（见图2、图4）

其中，重力坝采用φ700@500双轴水泥土搅拌桩，水泥掺量13%，桩长12 m，坝宽4.7 m；灌注桩采用φ700@900钻孔灌注桩，桩长11 m，止水帷幕采用双排φ700@500双轴水泥土搅拌桩，桩长11 m。

围护形式二：地下一层（外坑）采用灌注桩结合钢管斜抛撑+地下二层（内坑）采用灌注桩结合水平支撑（见图3、图5）。

表3 HSS模型土性参数选取表

图2 围护形式一剖面图

图3 围护形式二剖面图

其中，外坑灌注桩采用φ650@850钻孔灌注桩，桩长12 m；内坑同围护形式一（见图4）。

单因素分析结果显示治疗前低ADCtot值组患者的生存期长于高ADCtot值组患者(P=0.067，图2)。射波刀治疗后联合口服S-1患者生存期长于未口服S-1患者(P=0.018)，差异有统计学意义。后期转移后接受其他治疗(譬如介入及静脉化疗等)的患者生存期长于未接受其他治疗手段的患者(P=0.23)，胰腺体尾癌患者的生存期长于胰头癌患者(P=0.261)，但差异均无统计学意义。装有胆管支架与未装胆管支架两组患者的生存期差异无统计学意义(P=0.779)[7]。

开挖工况为：

a.施工内、外坑围护体；

b.开挖地下一层土（围护形式二需周边留土先施工斜抛撑）；

c.施工地下二层支撑；

d.开挖地下二层土。

2 计算结果

为了说明内坑距离外坑围护体距离对于基坑变形的影响，分别计算了内外坑间距3～15 m情况下内外围护体的变形量，由于实际工程中主要考虑围护体水平变形，故本次仅对围护体水平变形量进行分析。虽然平面应变计算无法反映实际空间问题，但由于其计算结果较为保守，在规律上对实际设计有较高的参考价值。

图4 围护形式一剖面图

图5 围护形式二剖面图

2.1 内坑位置对外坑围护桩水平位移的影响

围护形式一和围护形式二下不同内坑位置（3～15 m）对外坑围护体最大水平位移的影响见图6、图7。围护形式一中随着内坑距离的不断增加，外坑重力坝最大水平位移由36.9 mm减小至26.1 mm；围护形式二中随着内坑距离的不断增加，外坑排桩最大水平位移由23.0 mm减少至15.5 mm。根据《建筑基坑工程监测技术规范》（GB 50497—2009）规定，二级基坑围护体水平位移水泥土墙需小于0.6%～0.8%h、排桩需小于0.6%～0.7%h（h为基坑开挖深度），采用最不利开挖深度5.20 m进行取值，外坑围护体水平位移报警值为36.4 mm。本次模拟最大水平位移量为36.9 mm，基本满足规范要求。

图6 围护形式一外坑围护体最大水平位移

图7 围护形式二外坑围护体最大水平位移

由图6、图7可知，随着内坑距离外坑围护体越远，外坑围护体最大水平位移值越小，位移量呈收敛状态，基坑趋于安全。根据以往理论，其认为坑中坑对围护体的影响主要取决于内坑与基坑边的距离、土性参数、坑中坑的围护形式，其提出的影响范围公式为

H—坑中坑围护结构深度，一般取值2.5h0；

h0—坑中坑的深度；

φ—土体内摩擦角。

根据以往理论计算本次影响范围为7 m，本次模拟结果显示内外坑围护体距离大于8 m后，内坑对外坑水平位移影响减小，与该理论接近。

2.2 内坑位置对内坑围护桩水平位移的影响

围护形式一和围护形式二下不同内坑位置（3～15 m）对内坑围护体最大水平位移的影响见图8、图9。围护形式一中随着内坑距离的不断增加，内坑最大水平位移由36.0 mm减小至21.8 mm；围护形式二中随着内坑距离的不断增加，内坑排桩最大水平位移由26.3 mm减少至17.2 mm。

图8 围护形式一内坑围护体最大水平位移

图9 围护形式一内坑围护体最大水平位移

由图8、图9可知，随着内坑距离外坑围护体越远，内坑围护体最大水平位移值越小，位移量呈收敛状态，基坑趋于安全。外坑围护体形式对内坑围护体水平变形影响较大，外坑采用排桩围护时内坑变形量明显小于外坑采用重力坝围护的情况。

3 实测数据

针对本案例，分别提取围护形式一及围护形式二所对应剖面外坑围护体最大水平位移实际监测数据随时间变化见图10。其中内外坑围护体距离均为30 m左右。

图10 实测内坑围护体最大水平位移

对比实测数据发现，外坑采用排桩围护时内坑围护体变形量要小于外坑采用重力坝的情况。但由于本次实际工程中内外坑围护体距离达30 m，外坑选型对内坑围护体水平位移的影响已不大。

4 结论和建议

（1）坑中坑距离外坑围护体的远近影响外坑围护体水平变形量。无论外坑采用何种围护形式，内外坑距离越小，外坑围护体变形越大；距离越大，外坑变形越小。

（2）坑中坑对外坑的影响距离约为2倍内坑开挖深度，当距离大于该值外坑围护体水平变形量受内坑影响较小。在实际工程中若内坑距离外坑大于2倍开挖深度，外坑围护体设计可减少考虑内坑的影响。

（3）外坑对内坑围护体水平变形有较大影响。两者距离越大影响越小，反之影响越大。

（4）外坑采用不同围护体对内坑水平变形有一定影响。外坑围护体刚度越大，同样距离内坑围护体变形越小，基坑越安全。建议在基坑围护设计中若遇到此类大型坑中坑时外坑围护体可采用排桩结合支撑的围护形式以减小内坑围护体变形。若外坑因为各种条件影响无法采用排桩，建议采用重力坝内插灌注桩或SMW工法桩等方式以提高外坑围护体强度。