相邻基坑围护结构变形及控制的模拟与实测

胡敏云,夏佳莉,寿树德,袁 静,张 勇

(1.浙江工业大学 交通岩土工程研究所,浙江 杭州 310023;2.浙江省建筑设计研究院,浙江 杭州 310027)

随着地下空间的开发和利用,基坑工程遇到的情况越来越复杂,城市用地紧张且实际工程受工期限制,相邻基坑往往会出现交叉施工的情况。与独立基坑受力相比,相邻基坑间的相互作用关系受多种因素影响、错综复杂。目前,关于相邻基坑开挖的影响问题已开展了诸多研究。薛澳等[1]与吕文龙等[2]的研究表明,邻近基坑开挖会引起主基坑的坑底隆起量减小;徐伟等[3]与陈小雨[4]分别通过实测与数值模拟得出结论,相邻基坑开挖可引起坑间土体稳定性降低、围护结构受力和变形增大,导致坑底隆起变大;沈健[5]通过数值计算分析,认为基坑最终变形量受相邻基坑开挖工序影响不大;陈湘桂等[6]通过对连续基坑开挖的监测,得出了与此一致的结论;陈东杰[7]通过对工程实测数据的分析得出不同的施工工序对基坑变形有不同的影响,同步开挖工况下对围护结构变形的影响最小;胡敏云等[8]通过有限元软件对相邻基坑同步施工进行数值模拟,分析了围护结构的变形、支撑轴力及墙后土压力受相邻开挖影响的变化关系,给出了同步开挖下相邻基坑变形机理。

综上所述,相邻基坑施工产生的影响是多方面的,需要对围护结构和土体变形进行综合分析,现有对相邻基坑开挖工序产生影响的研究结论还不一致,应该有针对性地开展研究。笔者以深厚软土地区某相邻基坑群项目为工程背景,建立三维有限元模型,探究相邻基坑先后开挖工况下围护结构受力变形的发展规律,并通过数值模拟分析基坑围护结构设计参数改变对控制邻近基坑施工影响的效果,结合工程实测分析,提出有效控制变形的工程措施用以指导工程设计。

1 相邻基坑先后开挖数值模型建立

1.1 工程概况

杭州市某地块基坑项目大体呈长方形,拟下设3层地下室(以下简称主基坑),地下室基坑开挖深度约为15 m,主基坑尺寸为214 m×180 m,已完成基础底板浇筑。主基坑东侧有拟建地铁车站基坑,车站基坑长边与主基坑长边大体平行,挖深26 m;与主基坑相邻距离最近处约5 m。车站基坑采用明挖法施工,后于主基坑施工。另外,南侧有已建隧道基坑,与主基坑交叉施工,已完工,其对主基坑受力和变形的影响分析参见文献[8],笔者不作赘述。场地东侧180 m位置处有河道,周边已有建筑与主基坑最近处相邻140 m。场地平面图与支护结构剖面图如图1所示,剖切位置为1-1。

图1 场地平面图与支护结构剖面图

1.2 场地地质条件

表1 土层HSS本构模型参数取值

1.3 几何模型

采用PLAXIS 3D有限元软件对基坑群进行全工况建模。为消除边界影响,模型尺寸按基坑开挖深度的6倍进行设置,该模型尺寸长×宽×深相应设为650 m×400 m×70 m,四面体结构单元进行网格划分:基坑围护结构地连墙用板单元模拟并设置水平位移约束,水平支撑采用梁单元模拟;砼支撑设置强度为32.5 GPa,钢支撑设置强度为210 GPa;采用坑内降水开挖。场地周边已有建筑物用“块”状物模拟。根据工程实况及场地特征建立基坑模型及网格划分,结果如图2所示。

图2 基坑模型及网格划分图

1.4 相邻基坑先后施工工况

数值模拟中的施工步骤与实际施工工况一致,即主基坑和东侧相邻车站基坑先后进行开挖,具体施工工况如表2所示。

表2 施工工况

2 有限元计算结果分析

2.1 主基坑支护结构水平位移变化

图3给出了不同工况下主基坑挡墙侧移变形。由图3(a)可知:在主基坑独立施工阶段,当开挖至第1层(-7 m)时,挡墙的最大侧移量为15.4 mm,在深度为-10.2 m处;当开挖至第3层(-15 m)时,最大侧移量为22.5 mm,出现在深度为-11.5 m处;随着开挖深度加深,相邻侧挡土结构水平位移变大,最大侧移出现的深度也随之加深。然而,当相邻基坑开始施工后,主基坑相邻区挡土结构侧移发展方向发生了转变,出现向坑外的“回弹”,如图3(a)所示。同时考察了主基坑非相邻侧挡墙结构的侧移,由图3(b)可知:受相邻基坑开挖影响,该侧的挡墙位移向坑内增加了7%。综上可知:先后开挖的相邻基坑,已开挖基坑挡墙的侧移变形趋势为整体向后开挖基坑侧发展,这与基坑采用内支撑挡墙式支护有关,桩墙+支撑式围护体系的受力变形具有整体性。

图3 主基坑围护结构侧移图

2.2 相邻基坑间地表沉降分析

图4为不同施工阶段下地表沉降的位移云图:主基坑独立施工阶段,相邻基坑间地表最大沉降量为13 mm,非相邻侧为10 mm;东侧相邻基坑开挖完成后,相邻侧地表最大沉降量增大至18 mm,非相邻侧增大至13 mm。相邻基坑的施工会使得相邻区域地基土的扰动进一步加深。

图4 基坑外地表竖向位移云图

2.3 围护结构变形机理分析

图5为相邻基坑施工完成后的土体总位移云图。根据主基坑的坑底土体位移大小,可以划分出3个区域:区域A为轻度受影响;区域B为中度受影响;区域C为重度受影响。根据相邻基坑间土体沉降大小,又可划分出2个区域:区域2的土体沉降为19～20 mm,属于重度受影响;区域3,4的土体侧移量为15～17 mm,受相邻基坑开挖扰动的影响较小。由图5可知:相邻一侧土体受相邻基坑开挖影响程度明显大于非相邻侧,且距离越近,受影响程度越大。

图5 相邻基坑土体总位移云图

综合以上计算结果分析,可得到先后开挖下相邻基坑的变形影响规律,如图6所示。邻近深基坑开挖会引起土体向后开挖基坑侧移动,导致已开挖基坑支护体系有向后开挖深基坑“倾倒”的态势,表现为已开挖基坑支撑轴力减小,先开挖基坑相邻侧的挡墙会出现向坑外回弹,相邻侧坑底隆起量会变小。这些变形的“恢复”并不代表先开挖基坑的受力变形朝着安全的方向发展,原因是:相邻基坑间的土体会受到后开挖基坑施工的进一步扰动,地表沉降会加剧,且非相邻侧挡墙侧移会随开挖继续变大。因此,相邻基坑开挖影响下的基坑安全性的评估需要全面考察基坑整体的变形监测数据、综合分析相邻侧和非相邻侧支护结构和土体变形,在正确评价基坑变形和环境影响的基础上给出科学判断。

图6 相邻基坑(先后施工)变形影响规律

3 基坑围护设计对控制相邻基坑影响变形的效果分析

相邻基坑的施工会对先期开挖基坑的围护结构变形以及周边环境产生一定影响,因此在基坑设计中应加以考虑。现探讨在基坑支护设计方面抑制相邻基坑施工影响的方法和效果,将原有模型中的主基坑和相邻地铁车站基坑平面形状均简化为矩形,工况不变。

3.1 设置板带支撑

对于大型软土深基坑,采用板式支撑可以增强围护结构整体刚度,提高支护结构工作的整体性能。在原来支撑基础上,将基坑角部位置的第1道和第2道独立支撑联结成板带式支撑。在数值模型中用板单元模拟板带支撑,赋予混凝土材料属性,强度设置为32.5 GPa,并与未加设板带支撑对比,探讨加设板带支撑对控制相邻基坑变形影响的效果。加设板带后的模型如图7所示。

图7 板带支撑模型

相邻基坑开挖完成后,相邻侧挡墙变形计算结果如图8所示。未加设板带支撑的情况下,挡墙最大侧移为25 mm,出现在深度-10.6 m处;加设板带支撑后,最大侧移为22.1 mm,出现最大值的深度不变,而变形减小了11.6%,可以得出将独立支撑联结成板带式支撑可以有效抑制围护墙受相邻基坑影响的最大侧向变形量。

图8 板带支撑计算结果

3.2 被动区加固

为了提高软土基坑抗隆起稳定性,往往在基坑开挖前对坑底土进行加固处理,土体加固模型如图9所示。在计算模型中通过改变对应范围内的土体强度实现加固,将其强度设为21 MPa,并设置加固方案以对比加固范围的影响:第1组加固深度为d/4,其中d为开挖深度;第2组加固深度为d/3;第3组加固深度为d/2;第4组加固深度为3d/4;第5组加固深度为1d;第6组未设置加固区。将相邻基坑开挖完成后的相应挡土结构侧移计算结果进行整理,如图10所示。

图9 土体加固模型

图10 不同加固范围下挡土结构变形控制效果对比

由计算结果可得:被动区土体加固能够有效控制挡土墙的侧移,且当加固范围达到开挖深度的d/2时,与未加固的方案对比,可以减小35%的挡土结构侧移,此时具有最高工程性价比,因此,被动区土体加固宽度取值为d/3～d/2。

根据上述结果,进一步讨论加固深度的影响,设置如下对照组:第1组加固深度为3 m;第2组加固深度为6 m;第3组加固深度为9 m;第4组不进行加固。在相邻基坑开挖完成后,坑底隆起最大位置处的计算结果如图11所示。由图11可知:坑底隆起量虽然随着加固深度增加而减小,但是加固深度过深会造成材料的浪费。综合以上分析,建议被动区加固深度取值为3～6 m,即d/3～d/2。

图11 不同加固深度坑底隆起变形抑制效果对比

4 工程实测分析

综合分析场地条件、基坑深度和大小、相邻基坑间距等因素,主基坑采用在基坑角部位置将独立支撑联结成板带支撑,设置三轴水泥搅拌桩进行被动区土体加固的方式,抑制相邻基坑的影响,控制基坑侧移和坑底隆起变形,基坑开挖工况如表2所示。

4.1 监测点布置

主基坑监测点布置如图12所示:相邻基坑间布置的测斜点为CX20,非相邻侧的测斜点为CX5,可对比相邻与非相邻侧围护结构的变形情况;地表沉降测点有DB19与DB20,在测点位置处其基坑间距分别为8.53,22.85 m。

图12 基坑侧测点示意图

4.2 围护结构侧移分析

相邻侧和非相邻侧围护结构侧移监测点CX20和CX5的监测结果如图13所示。图13分别给出若干不同工况节点对应的主基坑挡土结构侧移情况:从相邻基坑开挖之初到结束,主基坑相邻侧挡土墙的侧移始终在向坑外回弹,挡墙出现的最大回弹量为15 mm;在开挖面以上不同深度处的挡墙回弹量不一致,与支撑的布置和强度有关。挡土结构出现回弹是由于相邻基坑挖土卸载,引起墙后土压力减小,亦可导致支撑轴力减小。

图13 挡土结构侧移

主基坑非相邻侧测点CX5处挡土结构侧移受东侧相邻基坑开挖影响不断向坑内发展,桩身侧移最大值增加5 mm,桩顶侧移大约增加2 mm;相比于相邻侧,非相邻侧挡土结构整体受到的影响较小,实测得到的整体规律与有限元结果一致。

4.3 地表沉降分析

地表沉降测点DB20,DB19的监测数据结果如图14所示。通过对比两测点的地表沉降可得出:相邻基坑开挖会加剧两基坑间土体的沉降,DB20桩后土体沉降在主基坑开挖完成后为7.5 mm;受相邻基坑开挖其沉降最大值达到18 mm,而在相邻间距更近的DB19测点处,地表沉降受影响后增加了20 mm的变形量。由图14可知:相邻基坑的影响与间距有关,相邻基坑间距越小,相邻基坑间的土体受开挖扰动越大,其沉降量也大,与有限元计算得到的变形规律一致。

图14 相邻基坑间土体地表沉降变化

5 结 论

通过数值模拟,探究了深厚软土地区带支撑支护的相邻基坑先后开挖工况下的相互影响作用,讨论了不同的工程措施对控制变形的效果,研究成果可用于指导工程设计。结合工程实测数据分析得到:1) 当相邻基坑近距离施工时,后开挖基坑施工将对先开挖基坑的围护结构受力变形造成影响,即先开挖基坑的相邻侧挡土结构侧移量减小、非相邻侧挡墙侧移加剧;先开挖基坑两侧的地表沉降量均增大,尤其是相邻基坑间的地表沉降加剧;先开挖基坑相邻侧的坑底隆起量减小,且基坑间距越近,受影响程度越大。2) 采用内支撑挡墙式支护结构的软土基坑变形具有整体性,对邻近基坑施工的敏感性高,受相邻基坑开挖影响,本主基坑非相邻侧挡土结构侧移增大,最大位移可增加86%,而相邻侧挡墙侧移发展方向会发生转变,最大位移回弹量可达到34%。因此工程监测中需要关注基坑整体受力和变形的发展趋势,对相邻基坑施工影响进行综合判断。3) 采用加强基坑支撑刚度和软土基坑坑底加固等工程措施有利于消减相邻基坑开挖带来的不利影响。在基坑的侧移方向设置板带支撑有利于控制围护结构的侧向位移;坑底土体加固能有效抑制围护结构的侧向位移和坑底隆起,建议被动区土体加固宽度为d/2,加固深度为d/3～d/2。