吳銘炳 洪世海

(福建省建筑設(shè)計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

城市建設(shè)過程中，有時會遇到相鄰兩個(或多個)深基坑距離較近，基坑開挖深度不同或接近，開挖時間相同或相近，不同基坑必然會產(chǎn)生相互影響。本文通過工程實例，主要針對軟土地基采用排樁加內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互影響進(jìn)行研究，在各自按常規(guī)基坑支護(hù)設(shè)計的基礎(chǔ)上，相鄰處冠梁采用連梁相連，應(yīng)用有限元法計算，模擬各基坑開挖過程，研究相鄰基坑的相互影響及變化規(guī)律，并通過實測對比，分析研究采取的措施及其效果，以資類似工程借鑒。

1 工程實例

A銀行與B銀行場地均位于福建省泉州市豐澤區(qū)東海片區(qū)，分別設(shè)有3層與4層地下室，支護(hù)結(jié)構(gòu)之間距離5.70m～10.00m。場地土層自上而下為：雜填土，松散，厚度0.80m～8.50m；中細(xì)砂，稍密-中密，厚度2.70m；淤泥，流塑，厚度2.70m～12.30m；含泥中砂，稍密-中密，厚度0.90m～3.00m；粉質(zhì)粘土，可塑，厚度0.60m～6.30m；殘積砂質(zhì)粘性土，可塑，厚度0.60m～16.50m；全風(fēng)化花崗巖，土狀，厚度0.40m～4.40m；強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(1)，散體狀，厚度1.10m～19.20m；強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(2)，碎塊狀，厚度0.40m～7.10m；基巖為中風(fēng)化花崗巖。

A銀行設(shè)3層地下室，主體結(jié)構(gòu)工程樁采用(沖)鉆孔灌注樁，地下室周長約325.00m，基坑開挖深度為14.93m～16.43m。 地面高程7.800m～10.200m?；又ёo(hù)采用排樁式內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)?；訃o(hù)樁采用Ф1000@1300或Ф1100@1300沖孔灌注樁，擋土與止水帷幕采用Ф850@600三軸水泥攪拌樁(后因遇填塊石，改為Ф800@1300高壓旋噴樁)。支撐結(jié)構(gòu)采用3道鋼筋混凝土對撐及角撐。

B銀行設(shè)4層地下室，主體結(jié)構(gòu)工程樁采用人工挖孔樁，地下室周長283.0m，基坑開挖深度為19.00m。地面高程6.500m～7.800m?；又ёo(hù)采用排樁式內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)。基坑圍護(hù)樁采用Ф1100@1300mm,鋼筋混凝土旋挖灌注樁，擋土與止水帷幕采用Ф850@600三軸水泥攪拌樁，支撐結(jié)構(gòu)采用3道鋼筋混凝土對撐及角撐。

兩個基坑工程由兩個不同的設(shè)計單位按常規(guī)設(shè)計方法[1]計算和設(shè)計，基本上同一時期前后施工，因此必須考慮兩個基坑彼此相互影響問題。兩家銀行曾經(jīng)多次協(xié)調(diào)，想把兩個基坑并成一個基坑，也提出了并坑的設(shè)想，但存在問題如下：

(1)基礎(chǔ)形式不同，A銀行采用沖(鉆)孔灌注樁，基坑開挖前，需進(jìn)行工程樁施工。B銀行采用人工挖孔樁，基坑開挖后，進(jìn)行人工挖孔樁施工。若要并坑，B銀行需暫時停工，等A銀行進(jìn)行樁基施工。開挖到底后，A銀行需暫時停工，等B銀行進(jìn)行樁基施工，兩個工程施工工期都很緊張，均無法停工等待，無法協(xié)商一致。

(2)內(nèi)支撐位置一般要避開樓板位置，由于各地下室樓板標(biāo)高不同，若支撐梁避開A銀行樓板位置，則會遇到B銀行樓板位置，反之亦然，影響支撐拆除安全和地下室施工。

(3)基坑開挖深度不同，地下室層數(shù)不同，地面標(biāo)高不同，支撐道數(shù)無法統(tǒng)一，兩個基坑原設(shè)計均采用3道支撐。若以A基坑支撐標(biāo)高為準(zhǔn)，則B基坑第三道支撐離坑底開挖面距離太大，需再加設(shè)一道支撐，變?yōu)?道支撐；若以B基坑支撐標(biāo)高為準(zhǔn)，則第三道支撐位于A基坑底板位置，A基坑無法進(jìn)行底板施工。

(4)支撐拆除時，需通過換撐由主體結(jié)構(gòu)承擔(dān)土壓力等荷載，由于兩個工程的地下室深度和各層標(biāo)高不同，地下室底板、樓板錯位，換撐傳力較復(fù)雜，且出現(xiàn)一個基坑外側(cè)可以設(shè)置隔板換撐，另一個基坑樓板無法施工、無法設(shè)置隔板換撐。

由于上述原因，兩個工程基坑實際上無法合并支護(hù)、合并施工，故只能各自施工。

2 相鄰基坑相互影響分析

對單個基坑而言，基坑外側(cè)土壓力都是半無限體土壓力，是基本上平衡的。若存在相鄰基坑，則相鄰一側(cè)的冠梁外側(cè)無超載土體，如圖1陰影部分。且土體為窄條，即相鄰側(cè)基坑土壓力為窄條土壓力，與半無限體土壓力不同，窄條土壓力比半無限體土壓力小，對各基坑而言，兩側(cè)土壓力出現(xiàn)不平衡，就會出現(xiàn)如圖2所示的向坑外變形的現(xiàn)象，擠壓窄條土體。

但窄條土體土壓力若按半無限體土壓力代替，則該側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)計算的受力偏大，其實際安全系數(shù)偏高。

圖1 相鄰基坑相互影響分析圖

圖2 相鄰基坑相互影響變形圖

將第一道支撐通過連梁相連，其不平衡受力就可通過連梁傳遞，達(dá)到受力基本平衡，并控制圍護(hù)樁樁頂變形，減輕支護(hù)結(jié)構(gòu)對窄條土體的擠壓作用，各基坑可以各自開挖。筆者在2010年福州設(shè)計的基坑工程中，通過相鄰基坑的頂部冠梁相連，成功完成各自基坑開挖的案例。通過監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)相鄰位置的支護(hù)樁和土體水平位移反而比其它邊小，說明頂部冠梁相連后，相鄰基坑相互影響甚微。此后，在福州多項工程上應(yīng)用，均取得成功，但缺乏系統(tǒng)的理論研究。

3 相鄰基坑相互影響有限元計算

由于存在相鄰基坑，按目前通用軟件只能進(jìn)行各自基坑的設(shè)計計算，無法進(jìn)行兩個基坑同時計算，無法反映其相互影響，需采用有限元分析。

A銀行(左)、B(右)銀行設(shè)計單位各自調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)冠梁與各道支撐標(biāo)高，使得冠梁標(biāo)高一致，相鄰冠梁采用連梁相連，如圖3所示。

圖3 A、B銀行支護(hù)結(jié)構(gòu)支撐布置與冠梁相連圖

為了分析兩個基坑相互影響規(guī)律，在基坑支護(hù)施工前，A銀行單位委托我司根據(jù)各自的工序安排形成的工況進(jìn)行有限元分析，并復(fù)核各基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足要求。我司采用了通用巖土有限元分析軟件Midas GTS NX對基坑開挖與地下結(jié)構(gòu)施工的過程進(jìn)行數(shù)值分析計算，有限元模型如圖4～圖5所示。

圖4 基坑工程有限元計算模型

圖5 支護(hù)結(jié)構(gòu)計算模型

材料本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫倫(Hardening Soil Model)彈塑性模型，每個地層土體的參數(shù)除按勘察報告給出的土工試驗與現(xiàn)場測試指標(biāo)確定并換算外，相關(guān)缺項的計算參數(shù)相關(guān)規(guī)范[2]、工程地質(zhì)手冊[3]確定。計算模型中土體單元的材料參數(shù)如表1所示。

表1 土體單元材料參數(shù)一覽表

考慮到相鄰基坑之間存在較厚的軟土，土體強(qiáng)度較低，專家提出對基坑相鄰位置的軟土采用水泥土攪拌樁進(jìn)行加固，但福州已有實例并沒有采取加固措施。為了進(jìn)行對比，有限元計算按照軟土不加固和采用水泥土攪拌樁加固兩種形式進(jìn)行分析。

根據(jù)A、B兩個銀行建筑的工期安排，有限元按各自的實際工況模擬計算。

3.1 相鄰位置土體未加固(處于天然狀態(tài))的有限元計算結(jié)果(圖6)

(1)A基坑西側(cè)(遠(yuǎn)離B基坑一側(cè))圍護(hù)樁最大位移為30.66mm，東側(cè)(臨近B基坑一側(cè))圍護(hù)樁最大位移為12.95mm；B基坑?xùn)|側(cè)(遠(yuǎn)離A基坑一側(cè))圍護(hù)樁最大位移為26.49mm，西側(cè)(臨近A基坑一側(cè))圍護(hù)樁最大位移為16.77mm。

(2)基坑開挖期間地面的最大沉降發(fā)生在兩基坑相鄰位置的土體地面，最大沉降值為14.38mm。

(3)基坑開挖期間兩基坑之間連梁的最大軸向壓力值為592.26kN。

(4) B基坑第一道支撐梁局部強(qiáng)度稍有不足。

圖6 土條未加固的有限元計算結(jié)果圖

3.2 相鄰位置土體采用水泥土攪拌樁加固的有限元計算結(jié)果(圖7)

(1)采用土條加固方案后，A基坑(遠(yuǎn)離B基坑一側(cè))圍護(hù)樁最大位移最大值31.15mm，相鄰側(cè)A基坑圍護(hù)樁最大位移為7.90mm；B基坑(遠(yuǎn)離A基坑一側(cè))圍護(hù)樁最大位移27.18mm。相鄰側(cè)B基坑圍護(hù)樁最大位移為9.51mm。

(2)兩基坑相鄰側(cè)土體豎向沉降為7.94mm。

(3)基坑開挖期間兩基坑之間連梁的最大軸向壓力值為831.38kN。

圖7 土條加固后的有限元計算結(jié)果圖

(4)B基坑第一道支撐梁局部強(qiáng)度稍有不足。

從計算結(jié)果可以看出：相鄰位置土體不加固與采用水泥土攪拌樁加固措施均能滿足要求，由于本次設(shè)計在泉州屬于首次應(yīng)用，為了確保安全，經(jīng)相關(guān)專家討論，選用采取水泥土攪拌樁加固措施的方案。而且，B基坑設(shè)計單位根據(jù)有限元計算結(jié)果，對第一道支撐梁強(qiáng)度稍有不足進(jìn)行了加強(qiáng)。

有限元分析報告通過了專家論證。

4 基坑開挖監(jiān)測與有限元計算結(jié)果對比分析

兩個基坑按各自要求布置監(jiān)測點，主要為土體變形監(jiān)測、圍護(hù)樁變形監(jiān)測、地面沉降、水平位移監(jiān)測等，并在相鄰部位增加連梁應(yīng)力監(jiān)測點和地面位移監(jiān)測點，經(jīng)監(jiān)測，結(jié)果如下：

(1)采用土條加固方案后，A基坑(遠(yuǎn)離B基坑一側(cè))圍護(hù)樁最大位移實測值29.9mm，(計算最大值31.15mm)，相鄰側(cè)A基坑圍護(hù)樁最大位移實測11.7mm～15.3mm(計算最大值為7.90mm)。

(2)兩基坑相鄰側(cè)土體豎向沉降實測值12.7mm～14.5mm(計算值為7.94mm)。

(3)基坑開挖期間兩基坑之間連系梁的最大軸向壓力值實測為974.5kN(計算值為831.38kN )。

不同深度圍護(hù)樁水平位移-深度(測斜)曲線與有限元計算結(jié)果比較接近，如圖8所示。

從監(jiān)測結(jié)果可以看出：有限元計算結(jié)果與實測值比較接近，反映的規(guī)律基本相同。

圖8 圍護(hù)樁水平位移深度實測曲線與計算曲線

5 結(jié)論

(1)相鄰深基坑開挖造成土壓力不平衡，相鄰位置的窄條土壓力比半無限體土壓力小，按半無限體土壓力代替窄條土壓力偏于安全。

(2)頂部冠梁采用連梁相連后，可以避免窄條土體受到擠壓破壞，基坑相鄰位置的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、受力比其他邊小，可確保各自基坑的安全穩(wěn)定。

(3)有限元計算結(jié)果與實測基本接近，其變化規(guī)律基本反映實際情況。