非对称堆载对坑中坑围护结构的影响研究

饶凯

（江西赣江中医药科创城建设投资集团有限公司，南昌 330115）

1 引言

随着我国基础建设的迅速发展，地下空间得到不断开发，基坑工程的数量日益增加，其中，坑中坑式基坑也越来越常见。龚晓南[1]等最初对坑中坑进行了分类归纳，越来越多的学者已经意识到坑中坑问题不容忽视；申明亮[2]等通过采用有限元软件ANSYS建立典型坑中坑数值模型，得出了坑中坑开挖过程中最敏感的应力区；丰土根[3]等编制了有限元计算程序建立坑中坑模型，得出坑址系数，深度比及面积比等对围护结构变形的影响规律；陈乐意[4]等对软土地区进行了基坑数值模拟，研究了开挖深度的选取和坑中坑位置对围护结构水平位移的影响。本文采用有限元分析软件PLAXIS对坑中坑在非对称堆载条件下开挖进行了数值模拟，研究了整个支护结构的受力与变形。

2 工程概况

以南昌某坑中坑工程为例，外坑宽度B=30 m，开挖深度H=8.8 m，外坑地连墙嵌入深度D=17.2 m，内坑宽度b=16.0 m，内坑开挖深度为h=7.4 m，内墙嵌入深度为d=8.6 m。图1为该坑中坑的示意图。外坑地连墙采用厚为0.8 m的地下连续墙作为支护结构；外坑设置了1道钢筋混凝土支撑和两道钢支撑，内坑设置了1道钢筋混凝土支撑和1道钢支撑。

图1 坑中坑示意图

3 模型试验

3.1 试验材料

模型箱、沙子、有机玻璃棒、PVC塑料管、三合板、热熔胶、百分表、应变片、采集仪、砝码。

3.2 试验步骤

在模拟桩上架设传感器→填埋砂体（夯实）→架设百分表→放置堆载→仪器连接开始监测→开挖并记录数据。试验图片如图2、图3所示。

图2 地表沉降测点布置实物图

图3 堆载示意图

3.3 结果分析

地表沉降随工况变化曲线如图4所示。由图可知，随着堆载数量的增加，地表呈现悬臂式沉降规律；随着堆载的增加，堆载对地表沉降的影响范围也逐渐增大，地表最大变形发生在基坑边缘5～10 cm处。

图4 地表沉降变化曲线

不同工况下，桩体水平位移图见图5所示，由图可知，随着堆载的增大，外坑桩体水平位移整体呈现增大的趋势，外坑桩体的水平位移随深度呈现弓字形趋势，最大位移均在桩深0.4 m处。

图5 桩体水平位移图

4 有限元数值模拟研究

4.1 计算模型

本文采用的计算模型如图6所示。通过改变坑中坑两侧的荷载，分别设计4种不同的坑外堆载P1、P2组合（P1=P2=10 kPa；P1=20 kPa，P2=10 kPa；P1=30 kPa，P2=10 kPa；P1=40 kPa，P2=10 kPa）考察基坑开挖至内坑坑底时，非平衡堆载对坑中坑支护结构的影响。

图6 有限元模型

4.2 计算结构及分析

4.2.1 外坑地连墙水平位移分析

当基坑开挖至内坑坑底时，左侧地连墙在4种不同的坑外堆载P1、P2组合下的水平位移如图7所示。

图7 左侧地连墙水平位移图

右侧外坑墙体外的堆载P2保持不变，伴随着左侧堆载P1的增加，外坑左侧地连墙的水平位移整体逐渐增大，堆载P1为40 kPa时，相对于堆载P1为10 kPa时增大了19.33%。

4.2.2 外坑地连弯矩最大值分析

表1为基坑开挖至内坑坑底时外坑地连墙在4种不同的坑外堆载P1、P2组合下的弯矩最大值。通过模拟可知在不同超载组合下，左右两侧地连墙的弯矩（M1，M2）变化规律基本一致。提取有限元模拟数据，得到4种不同的坑外堆载P1、P2组合下地连墙弯矩最大值见表1。

表1 墙体最大弯矩

从表1可知，随着超载P1的不断增大，左侧地连墙弯矩最大值逐渐增大，右侧地连墙弯矩最大值逐渐减少。在实际工程中，当两侧的围护结构最大弯矩值相差较小时，为了施工方便，设计其配筋时可以按照最大弯矩值进行设计。从表1可知，当左侧超载P1≤30 kPa时，两侧地连墙弯矩最大值变化率＜10%，差值较小，可忽略不计；当左侧超载P1≥40 kPa时，两侧地连墙弯矩最大值变化率＞10%，应分别考虑墙体两侧弯矩，找到最优方案，减少工程造价成本。

5 结语

1）开挖坑中坑式基坑时，在外坑不平衡堆载的情况下，左侧地连墙的侧向位移随着左侧超载P1的增大而整体增大。

2）在不同的外坑超载组合下，随着左侧外坑超载不断增大，左侧灌注桩的水平位移不断增大，发生最大水平位移的逐渐上移。

3）在不同的外坑超载组合下，地连墙弯矩最大值发生位置基本相同，左侧超载≤30 kPa，左右地连墙弯矩差值不大，可以采用传统的对称方法进行设计。左侧超载为40 kPa、右侧超载保持不变时，左右地连墙的差距率＞10%，应分别考虑其设计优化方案。

4）左右侧灌注桩的弯矩基本相同，弯矩随超载的增大基本保持不变。并且发生最大弯矩时的位置基本相同，因此，说明外坑外的堆载对内坑围护结构的影响比较小。