基坑围护中局部深坑优化设计分析

刘 侃 （上海申元岩土工程有限公司，上海 200011）

1 引言

基坑围护工程中，鉴于地下结构的功能需求，同一工程的基坑坑底深度不尽相同。一般情况下主要在地下室电梯井、集水井以及基础承台区域出现坑内局部贴边深坑的情况，贴边落深一般从1m到3m多不等。常规设计经验中，贴边深坑的计算模式与一般开挖区域相同，按最大开挖深度考虑，这在一定程度上偏于保守。就上海地区而言，尤其对于普遍挖深在4.0m～7.0m的三级基坑，基坑围护结构一般采用搅拌桩重力坝或SMW工法桩的形式，局部深坑处以最大开挖深度处理，围护结构较普遍区域增强明显，增加总的工程量及造价。

对于局部贴边深坑的研究可归于“坑中坑”的研究范畴。但国内外目前无论是对于典型坑中坑基坑，或局部贴边深坑的研究均相对较少，文献研究内容深度、广泛性一般，缺乏系统性并对基坑围护工程直接有益的研究成果。龚晓南[1]关于深基坑工程的几点讨论中最早分析了坑中坑对围护结构稳定性的影响。陈乐意等[2]通过数值模拟探讨了开挖深度以及坑中坑位置对围护结构水平位移的影响。申明亮等[3]根据内、外坑的相对位置关系进行了应力场分析及土压力计算。徐意智等[4]探讨了一种局部贴边深坑的等效深度计算方法。

本文通过数值模拟研究局部贴边深坑的影响规律，分析等效深度经验计算方法，并结合实际工程验证分析，为上海地区基坑考虑局部贴边深坑的情况提供设计建议。

2 局部深坑数值模拟分析

2.1 数值模型及参数

本文主要研究普遍开挖深度4.0m～7.0m的基坑，首先基于常见的SMW工法桩围护形式开展数值模拟分析，讨论局部深坑不同深度和不同位置对基坑围护结构的影响规律。

本次数值模拟分析基于常用大型岩土工程有限元软件展开。模拟土层参考上海地区典型土层，参数取自工程勘察报告，如表1所示。

基本土体参数 表1

土体本构模型选用软土硬化模型（HS模型），HS模型共有6个主要模型参数，其具有一定的合理性和优越性。各参数的选取参照王卫东等[5]关于上海地区土体硬化模型的相关文献。

数值模拟基本工况：

①基坑普遍开挖深度，6.0m，分别考虑局部落深坑1.0m、2.0m和3.0m的情况。则局部落深坑底的开挖深度分别为7.0m、8.0m、9.0m。

②局部落深位置，分别为距离围护结构边0倍、0.5倍、1倍、2倍、3倍、5倍的局部深坑深度范围。

③围护结构形式，工法桩采用H700×300×13×24型钢，H型钢长度以局部落深坑底的开挖深度7.0m、8.0m、9.0m确定，即1.0m局部深坑的情况，H型钢长16.0m；2.0m局部深坑的情况，H型钢长18.0m；3.0m局部深坑的情况，H型钢长20.0m；

④挖土工况，首先挖深1.3m后，施工第一道支撑；后每挖土1m或2m为一个工况，最后一个工况为开挖局部深坑，共7个工况。

建模举例如图1所示，为2.0m局部深坑距离围护结构边1.0倍深度的情况。

图1 SMW工法桩围护结构基坑建模示意图

2.2 计算结果分析

整理各工况的数值分析结果，得到围护结构水平位移的变形规律，即局部深坑离围护结构距离越远，对其影响越小，基坑围护结构变形越小。下面对计算结果作具体分析：

①图2～图4为SMW工法桩围护结构水平位移变化规律。由于水平支撑的存在，围护桩的最大水平位移发生在中间位置坑底附近，这与实际工程是相似的。

②局部深坑深度有1.0m、2.0m或3.0m，局部落深对围护结构水平位移的影响，随局部深坑距围护结构的距离增大逐渐减弱。数值计算的具体规律：

a.局部深坑距离围护结构在5倍深坑深度及以上时，深坑开挖对围护结构的变形影响很小，且围护结构的水平位移与无局部深坑时（6.0m挖深）的水平位移变形量接近一致。

b.局部深坑距离围护结构在3～5倍深坑深度时，深坑开挖对围护结构的变形影响尚不显著；

本案例从变量分析入手引导学生进行层层实验探究，领悟实验设计的过程和方法；以问题串方式引导学生层层深入分析思考，掌握实验设计原则和方法，学会确定变量、控制变量，从而有效提高学生的生物实验设计能力，培养其自主探究能力，提高生物学学科核心素养。

c.局部深坑距离围护结构在1～3倍深坑深度时，深坑开挖对围护结构的变形影响开始变得明显，3倍距离情况时，围护结构变形稍有增大，局部深坑在距离围护结构3倍深度以内以后，对围护结构水平变形的影响逐步明显。到1倍距离情况时，局部深坑对围护结构水平位移的影响已经很显著。

d.局部深坑距离围护结构在0～1倍深坑深度时，围护结构变形最明显，已接近于考虑7.0m、8.0m和9.0m完全挖深的情况。

图2 部落深1.0m围护结构水平位移

图3 局部落深2.0m围护结构水平位移

图4 局部落深3.0m围护结构水平位移

e.实际工程中，板式结构基坑围护设计经验一般将5倍距离范围内的局部落深均予以考虑，并均以最大挖深考虑，从上述数值计算变形结果可以看出设计经验偏保守，尤其对于3～5倍距离较远的情况下，宜作优化设计。

3 等效深度Heq计算分析

徐意智等[4]基于基本几何参数定义，探讨了一种等效深度计算方法，可将坑中坑基坑等效为常规基坑，以便于简化设计：

式中：坑趾系数χ=w/H；内外坑开挖宽度比α=b/B；内外坑开挖深度比β=h/H。

基于上述算法，根据各等效深度系数λ值计算所得的各工况下等效深度Heq为：

等效深度Heq计算 表2

总体来说，对于局部落深贴边的情况，围护设计可仍按最不利情况处理。对于局部落深0.5～2倍距离的情况，计算等效深度Heq有一定程度的减小，设计中建议做适当优化处理。对于局部落深3～5倍距离的情况，计算等效深度Heq有较大幅度的减小，尤其5倍距离时，几乎接近于普遍开挖深度6.0m，设计中建议根据计算等效深度Heq进行优化处理。

4 工程验证分析

本文通过数值模拟分析了局部落深对围护结构变形的影响规律，并给出了上海地区基坑围护结构采用SMW工法桩形式时等效深度Heq的计算方法。下面根据实际工程作验证分析。

上海临港奉贤园区服务中心项目围护结构部分区域采用了搅拌桩内插H型钢的形式。本工程基坑普遍挖深5.65m，局部集水井落深1.5m，大部分集水井落深坑距离围护结构约1.5m，为1倍开挖深度距离。常规设计经验，贴边落深处考虑坑深7.15m，围护结构采用φ700@500双轴水泥土搅拌桩（L=16.2m）内插H700×300×13×24型钢（L=17.0m）；采用前述等效深度Heq分析方法，计算的等效深度Heq=6.6m，围护结构H型钢长度减小为L=15.0m，搅拌桩深度减小为L=14.2m。针对上述两种工况，采用上海同济启明星软件进行设计计算，结果如表3所示。

工程实例对比分析 表3

从上述计算结果可以看出，常规设计中考虑完全挖深7.15m时，H型钢长17.0m；而考虑等效深度计算Heq时，挖深等效为6.6m，H型钢长15.0m。两种情况下H型钢插入比相当，后者较前者H型钢和搅拌桩长度均减少2.0m，但计算所得围护结构水平变形相当，其他稳定性参数也均满足设计要求，计算说明本文考虑等效深度的计算方法具有一定的可行性，可作为优化设计参考。

5 结论

本文基于上海地区典型土层中SMW工法桩围护结构形式开展数值模拟，分析了不同局部落深深度、不同深坑位置对于围护结构水平位移的影响，总体变形规律与工程设计经验相符合。进一步分析了坑中坑参数定义，结合经验性的等效深度理论计算公式，计算了各工况下的等效深度Heq，验证了经验公式的适用性。基于实际工程案例，结合同济启明星计算和常规设计经验，对上述经验方法进行了工程验证分析。

基于本文数值分析以及等效深度Heq经验计算，设计中对于不同位置的局部深坑，贴边深坑建议以最不利深度考虑，不作优化；3倍以内距离深坑基于等效深度可做适当优化，3～5倍距离深坑影响程度比较小，基于等效深度可合理优化，减少围护结构工程量。