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0 引言

基坑的空間效應(yīng)是指由于空間的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)，各部分支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形相互影響而發(fā)生變化的性質(zhì)。

坑中坑基坑的空間效應(yīng)本文定義為：由于內(nèi)、外坑相對(duì)空間位置關(guān)系，導(dǎo)致內(nèi)坑開挖引起的外坑各部分支護(hù)結(jié)構(gòu)在空間上不同的受力和變形性質(zhì)。

目前已有許多科研工作者對(duì)常規(guī)基坑空間效應(yīng)進(jìn)行了研究。如楊雪強(qiáng)[1]等探討了兩坑壁端部對(duì)坑壁支護(hù)結(jié)構(gòu)上土壓力的整體屏蔽作用，提出了考慮空間效應(yīng)的土壓力計(jì)算公式。王美華［2］通過(guò)緊鄰地鐵超深基坑工程施工的實(shí)例分析，介紹了空間效應(yīng)原理在軟土深基坑工程中的應(yīng)用，取得了很好的變形控制效果，保證了鄰近運(yùn)營(yíng)地鐵的安全，對(duì)類似軟土深基坑工程具有一定的指導(dǎo)意義。

雷明鋒[3]等提出了黏性土條件下長(zhǎng)大深基坑施工空間效應(yīng)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。劉念武[4]等研究了沿基坑縱向方向上的距離、開挖深度等因素對(duì)空間效應(yīng)的影響。李大鵬[5]等分析深基坑工程空間效應(yīng)的形成機(jī)理，推導(dǎo)考慮空間效應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)土正應(yīng)力計(jì)算公式。

以上成果從理論分析、有限元模擬及施工總結(jié)等方面對(duì)常規(guī)基坑空間效應(yīng)進(jìn)行了研究。但針對(duì)坑中坑基坑空間效應(yīng)的研究尚沒(méi)有成果出現(xiàn)，因此本文以坑中坑基坑空間為研究對(duì)象，通過(guò)建立6種坑中坑基坑三維有限元模型，分析內(nèi)外坑相對(duì)位置不同時(shí)內(nèi)坑施工對(duì)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同方向上的水平變形以及土壓力變化規(guī)律。從而確定內(nèi)坑的施工在外坑水平方向上形成的危險(xiǎn)區(qū)域，力求為基坑設(shè)計(jì)、施工提供理論參考。

1 坑中坑基坑空間形式分類

為研究方便，參考實(shí)際工程中坑中坑基坑常見(jiàn)形式，根據(jù)內(nèi)外坑平面相對(duì)位置關(guān)系可將坑中坑基坑分為5大類。第1類：中心內(nèi)坑基坑，指內(nèi)坑與外坑各邊都不接觸；第2類：墻邊內(nèi)坑基坑，指內(nèi)坑與外坑圍護(hù)邊接觸；第3類：角部?jī)?nèi)坑基坑，指內(nèi)坑與外坑在角部雙邊接觸；第4類：三邊內(nèi)坑基坑，指內(nèi)坑與外坑三邊接觸；第5類：夾心內(nèi)坑基坑，指內(nèi)坑與外坑在中間兩邊接觸[6]。

2 有限元模型

坑中坑基坑三維有限元模型整體模型尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=90 m×60 m×50 m，其中外坑尺寸為：長(zhǎng)×寬×深=30 m×20 m×7 m，在地表及地表以下4 m處各設(shè)有1道支撐。中心內(nèi)坑、短邊內(nèi)坑、長(zhǎng)邊內(nèi)坑、角部?jī)?nèi)坑尺寸均為：長(zhǎng)×寬×深=10 m×10 m×4 m；三邊內(nèi)坑的尺寸為：長(zhǎng)×寬×深=15 m×20 m×4 m；夾心內(nèi)坑的尺寸為：長(zhǎng)×寬×深=10 m×20 m×4 m。內(nèi)坑設(shè)置1道支撐，位置與內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高相同。

模型地質(zhì)參數(shù)取上海市深度30 m范圍內(nèi)地質(zhì)參數(shù)加權(quán)平均值，土體本構(gòu)模型選取D-P模型。通過(guò)ANSYS建立坑中坑基坑三維數(shù)值模型如圖1所示。

3 坑中坑基坑空間效應(yīng)分析

取標(biāo)高-9 m處（內(nèi)坑開挖面以上2 m，外坑坑底以下2 m）外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平截面為研究位置。提取截面上各點(diǎn)的位移值、土壓力值與內(nèi)坑開挖前數(shù)據(jù)相減，其差值結(jié)果作為內(nèi)坑開挖對(duì)外坑在空間上的影響值。

在圖2～圖6中，灰色填充線框代表圍護(hù)結(jié)構(gòu)；虛線代表內(nèi)坑開挖前后圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移變化趨勢(shì)，若虛線位于圍護(hù)結(jié)構(gòu)以內(nèi)，代表該位置處外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)朝向坑內(nèi)運(yùn)動(dòng)，若虛線位于圍護(hù)結(jié)構(gòu)以外，代表該位置處外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)朝向坑外運(yùn)動(dòng)；直線填充區(qū)域代表內(nèi)坑開挖前后圍護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力變化值，圍護(hù)結(jié)構(gòu)以外區(qū)域代表內(nèi)坑開挖后土壓力減小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)以內(nèi)區(qū)域代表內(nèi)坑開挖后土壓力增大。圖中有2套坐標(biāo)系統(tǒng)，坐標(biāo)原點(diǎn)都位于圖形4個(gè)角部，一套坐標(biāo)系統(tǒng)顯示土壓力值變化和大小，以kPa為單位。另一套坐標(biāo)系統(tǒng)顯示位移變化，以mm為單位。

1）中心內(nèi)坑空間效應(yīng)如圖2所示。從圖2可以看出，當(dāng)內(nèi)坑恰好處于外坑幾何中心時(shí)，外坑也呈對(duì)稱變化。每條邊中心部位是位移和土壓力變化最為明顯的位置，且長(zhǎng)邊的變化值要大于短邊的變化值，如長(zhǎng)邊內(nèi)坑位移變化最大值接近1 mm，而短邊內(nèi)坑位移變化最大值還不到0.4 mm。4個(gè)角部位移變化最小，幾乎為零。位移變化與土壓力變化相對(duì)應(yīng)，位移變化顯著的位置，土壓力變化同樣顯著。

圖1 坑中坑基坑三維數(shù)值模型

圖2 中心內(nèi)坑空間效應(yīng)

2）墻邊內(nèi)坑空間效應(yīng)如圖3所示。從圖3可以看出，墻邊內(nèi)坑開挖后，外坑位移最大變化出現(xiàn)在與內(nèi)坑緊鄰的圍護(hù)邊，變化值約為-4 mm，變化范圍約為左右1倍內(nèi)坑邊長(zhǎng)。外坑左右相鄰兩邊呈現(xiàn)非對(duì)稱變化趨勢(shì)，變化最大值點(diǎn)在近內(nèi)坑邊1/3距離處，變化值約為0.6 mm。遠(yuǎn)離內(nèi)坑邊位移變化量最小，約為0.2 mm。

3）角部?jī)?nèi)坑空間效應(yīng)如圖4所示。從圖4可以看出，角部?jī)?nèi)坑開挖后，外坑位移、土壓力變化主要集中在角部。位移變化最大值為-4 mm，出現(xiàn)在外坑圍護(hù)邊較長(zhǎng)一側(cè)。其余邊土壓力及位移變化較小，可以忽略。

圖3 墻邊（長(zhǎng)邊）內(nèi)坑空間效應(yīng)

圖4 角部?jī)?nèi)坑空間效應(yīng)

4）三邊內(nèi)坑空間效應(yīng)如圖5所示。三邊內(nèi)坑相對(duì)于外坑來(lái)講所占面積通常較大，因此開挖后外坑土壓力及位移變化值較大。從圖5可以看出，三邊內(nèi)坑開挖后，外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移最大變化值為9 mm，土壓力最大變化值為30 kPa。

5）夾心內(nèi)坑空間效應(yīng)如圖6所示。從圖6中可以看出，夾心內(nèi)坑開挖后，外坑圍護(hù)位移變化值最大點(diǎn)出現(xiàn)在內(nèi)外坑交界處，最大位移值為2 mm，土壓力變化最大值為30 kPa。相鄰兩邊土壓力變化值也同時(shí)大幅度減小，減小量約為2 kPa。

圖5 三邊內(nèi)坑空間效應(yīng)

圖6 夾心內(nèi)坑空間效應(yīng)

4 結(jié)語(yǔ)

1）外坑位移最大值點(diǎn)都出現(xiàn)在內(nèi)外坑接觸邊界位置。內(nèi)坑對(duì)外坑空間上的影響程度由內(nèi)外坑距離、外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度兩者共同決定。

2）內(nèi)坑對(duì)外坑角部影響最小，在同樣距離的情況下對(duì)外坑短邊的影響程度要弱于對(duì)長(zhǎng)邊的影響。

3）當(dāng)內(nèi)坑與外坑交界時(shí)，兩邊影響區(qū)主要發(fā)生在1倍交界長(zhǎng)度內(nèi)。主要影響區(qū)域的位移及土壓力變化可以達(dá)到其余邊界的10倍左右。

綜上所述，在坑中坑基坑工程中，內(nèi)坑面積越大，離外坑圍護(hù)距離越近，對(duì)外坑的影響也就越大。在施工過(guò)程中要特別注意監(jiān)測(cè)外坑圍護(hù)長(zhǎng)邊中點(diǎn)、內(nèi)外坑搭界1倍邊長(zhǎng)范圍內(nèi)的外坑位移及土壓力變化。在設(shè)計(jì)時(shí)要加強(qiáng)該范圍內(nèi)的外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度及配筋。