DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.040
软土地区基坑分区开挖参数分析
黄沛1，刘国彬1，霍润科2
(1. 同济大学 地下建筑与工程系，上海，200092；
2. 西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安，710055)
摘要：在敏感环境下施工时，为减小基坑开挖对临近结构的影响，常将深大基坑用分隔墙分割成若干个小基坑。以上海软土地区某工程为背景，借助数值计算，分析深大基坑分区开挖时分区宽度、分区开挖次序和分隔墙插入比对临近被保护结构一侧地下连续墙和墙后土体变形的影响。研究结果表明：当先远后近(远近相对于被保护结构而言)方式开挖，分区宽度等于基坑开挖深度时，分区开挖的作用效果最好，此时墙体水平位移和墙后地表沉降比未分区时分别小39%和41%；当先近后远的方式开挖时，分隔墙离基坑边缘越近，分区开挖的作用效果越明显；在同等分区宽度下，先远后近开挖所引起的墙体变形和墙后地表沉降比先近后远开挖的低；分隔墙的插入比对基坑围护墙位移和墙后土体沉降影响比较小。
关键词：深基坑；分区；软土
中图分类号：TU473 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2015)10-3859-06
Parameter analysis of zoned excavation in soft soil area
HUANG Pei1, LIU Guobin1, HUO Runke2
(1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;
2. College of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture & Technology, Xi’an 710055, China)
Abstract: In order to reduce the impact of deep excavation on adjacent structure, the deep and large excavation was usually divided into several small ones by cross walls during excavating in sensitive environment. Based on a deep and large excavation in Shanghai soft clay, the influence of partition width, excavation sequence and insertion ratio of the cross wall on the deformations of diaphragm wall and behind soils nearby the protected structures were studied through a series of numerical analysis. The results show that the most ideal partition width equals the final excavation depth for the far-to-near (far or near is relative to the protected structure) excavation. In this case, the horizontal displacement of the diaphragm wall and the surface settlement behind the wall decrease by 39% and 41% respectively in comparison with the unzoned excavation. For the near-to-far excavation, narrow partition width is more beneficial than wide partition width during zoned excavation. Under the same partition width, the deformation of the diaphragm wall and the surface settlement behind the wall caused by the far-to-near excavation is less than that of the near-to-far excavation. The insertion ratio of the cross wall only has a comparatively slight impact on the diaphragm walls deformations and behind soils settlements.
Key words: deep excavation; zoned excavation; soft soil
随着城市快速发展，大型地下空间开发显得越来越重要。受城市复杂的周边环境和狭小空间的制约，这些大型地下空间在修建过程中往往不得不紧挨着周边的高层建筑或者运营地铁等敏感结构。为了减小基坑开挖对临近敏感结构的影响，在施工过程中往往要采取一系列严格的变形控制措施。近年来,在软土地区一些大型基坑开挖过程中，分隔墙得到了广泛的使用，它可以将大型基坑分割为若干个小基坑，从而达到减小基坑开挖所引起的地层变形和方便施工的目的。目前对垂直于分隔墙一侧围护墙(图1中的墙AM和CN)墙体变形以及墙后地表沉降，相关学者进行了大量的研究。Ou等[1-2]根据实测数据和数值计算，分析了分隔墙对基坑围护结构变形和墙后地表沉降的影响。Hsieh等[3]根据现场实测地下连续墙的测斜值分析了分隔墙与基坑外围地下连续墙之间接头对基坑围护结构变形的影响。Hsieh等[4]结合连续梁的变形特性，提出了适用于平面应变状态下有分隔墙的基坑地下连续墙变形预测公式。Ou等[5-6]根据三维数值计算，分析了分隔墙间距、坑底以上分隔墙的高度、分隔墙的插入深度、坑角效应、基坑宽度对基坑围护墙水平位移的影响。Wu等[7]对比了11组有分隔墙和11组无分隔墙基坑的地表沉降和围护墙水平位移，结果发现，分隔墙可以有效地减小地下连续墙的水平位移及墙后的地表沉降。目前对采用分隔墙分区开挖时，人们对平行于分隔墙一侧的围护墙(图1中的墙AC和MN)墙体变形及墙后土体沉降的研究还很少。在实际工程中被保护结构位于平行于分隔墙一侧的情况也很多。为了研究软土地区基坑开挖过程中分隔墙和分区开挖对平行方向(图1中的墙AC)围护墙位移及墙后土体变形的影响，本文通过FLAC3D建立二维数值计算模型，根据25组数值计算结果，分析大型基坑采用分隔墙分区开挖时分区宽度B(B为分隔墙与被保护结构一侧基坑边缘的间距)、分区开挖次序以及分隔墙插入比D/H(D为分隔墙插入深度，H为基坑最终开挖深度)对基坑地下连续墙水平位移和墙后地表沉降的影响。
图1 分区开挖示意图
Fig. 1 Schematic diagram of zoned excavation
1 工程概况
本工程属于上海市某大型地下停车库的一部分。工程场地地貌类型单一，属长江三角洲下游滨海平原地貌类型。土体主要由饱和黏土、粉土以及砂土组成。由工程现场勘探可知与工程建设密切相关的土体从上到下依次可以分为9层，各层土的层厚和物理力学性质如表1所示。场地常年平均地下水水位埋深为地下0.3~1.5 m。根据现场水位监测数据，基坑开挖期间地下水水位变化不大。
基坑的宽度和开挖深度分别为72 m和14.9 m，工程标准段横断面如图2所示。基坑的外侧围护结构采用厚度和深度分别为0.8 m和30 m的地下连续墙(墙AC和MN)。分隔墙EF的施工工艺和厚度与外侧地下连续墙的相同，基坑被分隔墙EF分割为L区和R区(如图2所示)2个基坑。每个区的支撑体系均采用三道钢筋混凝土支撑，各道支撑的几何尺寸、平均水平间距和支撑轴线标高如表2所示。基坑采用顺做法施工，各区的开挖主要分为4个工况，每个工况的开挖深度如表3所示。
表1 土体物理力学参数
Table 1 Physico-mechanical parameters of soils
图2 工程标准段断面图
Fig. 2 Cross-section of site
表2 基坑支撑几何参数
Table 2 Geometric parameters of struts
表3 基坑开挖主要工况
Table 3 Main Stages of Construction
2 计算模型
计算模型如图3所示，模型二维尺寸为232 m× 80 m。模型边界距基坑围护结构80 m，坑底厚度取65 m[8-9]。模型底面QT为固定边界，约束水平位移和竖直位移；侧面PQ和ST为位移边界，约束水平位移；顶面PS为自由边界。模型共有4 788个实体单元和150个结构单元。
2.1 计算假定
1) 计算采用总应力法分析。由工程勘察可知上部黏土的透水性较差，因此，在计算过程中不考虑地下水渗流的影响。
2) 不考虑地下连续墙和分隔墙施工，以及基坑内钻孔灌注桩施工对初始应力场的影响。
3) 为保证计算结果的可比性，在计算过程中，不考虑实际工程中坑底局部的地基加固，以及基坑周边结构下部群桩对基坑变形的影响。
2.2 单元类型及计算参数
地下连续墙和分隔墙用实体单元进行模拟，按弹性体考虑。考虑到现场环境对地下连续墙施工质量的影响，混凝土弹性模量取18 GPa，泊松比取0.2。地下连续墙和分隔墙与土体之间的相互作用通过接触面单元模拟，接触面的法向刚度和切向刚度取周围“最硬”相邻区域等效刚度的10倍[10]；接触面摩擦角取0.8倍的墙体周围土体有效内摩擦角[11]。混凝土支撑用beam单元进行模拟，混凝土支撑弹性模量取18 GPa，泊松比取0.2。基坑内格构柱和钻孔灌注桩采用Pile单元模拟，桩土之间摩擦角取0.7倍的桩周土体有效内摩擦角，桩法向刚度和切向刚度取周围“最硬”相邻区域等效刚度的10倍[12]。基坑的开挖和底板浇筑用空模型进行模拟。
在分析过程中，土体本构采用修正剑桥模型(MCC)，修正剑桥模型[13]的相关计算参数根据工程地质勘察报告计算和文献[14-15]确定，各参数取值如表1所示。
图3 计算模型
Fig. 3 Calculation model
2.3 主要研究参数
本文主要研究基坑分区开挖对左侧地下连续墙(墙AC)水平位移和墙AC后地表沉降的影响，在计算分析中主要变换的参数如下。
1) 基坑分区宽度B取0.5H(H为基坑最终开挖深度)，1.0H，1.5H，2.0H，2.5H和3.5H。
2) 开挖次序：R区开挖结束后开挖L区(先远后近)和L区开挖结束后开挖R区(先近后远)。
3) 分区宽度B=H时，分隔墙EF插入比D/H取0.62，0.69，0.77，0.9，1.0，1.2和1.47。
3 计算结果分析
为了体现分区开挖对基坑围护结构及墙后地表变形的影响，在分析中加入未分区开挖时基坑围护墙水平位移曲线和墙后地表沉降曲线。
3.1 分区宽度的影响
不同分区宽度下基坑开挖结束后地下连续墙最大水平位移曲线如图4所示。不同分区宽度下基坑开挖结束后基坑围护墙AC后最大地表沉降曲线如图5 所示。
由图4(a)和图5(a)可知：对先远后近的开挖方式，当分区宽度B=H时，地下连续墙AC的水平位移和墙后的地表沉降最小。说明对先远后近开挖，当分区宽度为1.0倍基坑开挖深度时，基坑开挖对临近地层产生的影响最小；当B=H时，墙AC的水平位移比未分区时小39%，墙后的地表沉降比未分区时小41%；当B=0.5H时，墙AC的变形和墙后地表变形比B=H时略大；当B＞H时，墙AC和墙后地表的变形随着分区宽度B的增加而增加；当B=3.5H时，围护墙变形和地表沉降接近于未分区时的变形。
图4 不同分区宽度时地下连续墙(AC)最大水平位移
Fig. 4 Maximum horizontal displacement of diaphragm wall (AC) with different partition widths
图5 不同分区宽度时墙(AC)后最大地表沉降
Fig. 5 Maximum surface settlement behind diaphragm wall (AC) with different partition widths
由图4(b)和图5(b)可知：对先近后远的方式，当分区宽度B为0.5H时，地下连续墙AC的水平位移和墙后的地表沉降最小，此时，墙AC的水平位移和墙后地表沉降比未分区时分别小15%和19%；随着分区宽度B的增加，墙AC的水平位移和墙后地表沉降也逐渐增加。这说明先近后远开挖时，较小的分区宽度有利于减小基坑开挖对临近地层产生的影响。
3.2 开挖次序的影响
图6所示为分隔墙插入比D/H=1时，不同开挖次序下地下连续墙AC最大水平位移随分区宽度变化。由图6可知：在分区宽度相同时，先远后近开挖所引起的地下连续墙水平位移比先近后远开挖时的小；当B=H时，先远后近开挖引起的最大地下连续墙水平位移比先近后远小28%。
图7所示为分隔墙插入比D/H=1时，不同开挖次序下地下连续墙AC后最大地表沉降值随分区宽度变化。由图7可知：当B≤2.5H时，先远后近开挖所引地起墙后地表沉降小于先近后远开挖；当B=H时，先远后近开挖引起墙后最大地表沉降比先近后远小40%。
图6 分区开挖次序对地下连续墙(AC)水平位移的影响
Fig. 6 Effect of excavation sequence on horizontal displacement of diaphragm wall (AC)
图7 分区开挖次序对墙(AC)后地表沉降的影响
Fig. 7 Effect of excavation sequence on surface settlement behind diaphragm wall (AC)
由以上分析可知：开挖次序的选择对基坑围护结构和墙后地表变形有较大的影响，在现场条件容许情况下，应该尽量选择先远后近的次序开挖。
3.3 分隔墙插入比的影响
分区宽度B=H时，基坑左侧地下连续墙(AC)最大测斜值随着分隔墙插入比变化如图8所示。从图8可见：当D/H从0.62增加到1.47时，先远后近和先近后远2种开挖次序引起的最大墙体水平位移只分别减小了6.8%和9.6%。
图8 分隔墙(EF)插入比对墙(AC)水平位移的影响
Fig. 8 Effect of the insertion ratio of cross wall (EF) on horizontal displacement of diaphragm wall (AC)
图9 墙后最大地表沉降随插入比变化
Fig. 9 Variation of insertion ratio of cross wall (EF) with surface settlement behind diaphragm wall (AC)
当分区宽度B=H时，基坑左侧墙后最大地表沉降值随分隔墙插入比变化如图9所示。从图9可见：当D/H从0.62增加到1.47时，先远后近和先近后远2种开挖次序引起的最大墙体水平位移仅分别减小了4.2%和7.3%。
由以上分析可知：增大分隔墙插入比可以减小基坑开挖引起的墙体水平位移和墙后土体沉降，但是减小的幅度非常有限。因此，在实际工程中，分隔墙的插入比只需满足基坑开挖稳定性要求即可，不必刻意通过增大分隔墙的插入比的方式来减小基坑开挖对周边地层的影响。
4 结论
1) 基坑分区开挖时，分区宽度对地下连续墙及墙后土体变形影响较大。对先远后近次序开挖，分区宽度等于基坑开挖深度(B=H)时，分隔墙的作用效果最好，此时，墙体水平位移和墙后地表沉降比未分区时分别小39%和41%；随着分区宽度的增加，分区开挖的作用效果逐渐减小。采取先近后远的方式开挖时，较小的分区宽度有利于减小基坑开挖引起的围护墙和墙后地表变形。
2) 在分区宽度相同的情况下，基坑开挖次序对基坑围护墙和墙后土体变形影响较大。在分区宽度B≤2.5H时，先远后近次序开挖所引起的墙体变形和墙后地表沉降均比先近后远次序开挖的沉降小。B=H时，先远后近开挖引起的最大地下连续墙水平位移和墙后地表沉降比先近后远分别小28%和40%。
3) 分隔墙的插入比(D/H)对减小基坑开挖引起的墙体位移和墙后土体沉降作用不明显，在实际工程中，分隔墙插入比满足基坑开挖稳定性要求即可。
参考文献：
[1] Ou C Y, Hsieh P G, Lin, Y L. Performance of excavations with cross walls[J]. J Geotech Geoenviron Eng, 2011, 137(1): 94-104.
[2] Ou C Y, Lin Y L, Hsieh, P G. Case record of an excavation with cross walls and buttress walls[J]. Journal of Geo Engineering, 2006, 1(2): 79-86.
[3] Hsieh H S, Lu Y C, Lin T M. Effects of joint details on the behavior of cross walls[J]. Journal of Geo Engineering, 2008, 2(3): 55-60.
[4] Hsieh P G, Ou C Y, Shih C. A simplified plane strain analysis of lateral wall deflection for excavations with cross walls[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2012, 49(10): 1134-1146.
[5] Ou C Y, Hsieh P G, Lin Y L. A parametric study of wall deflections in deep excavations with the installation of cross walls[J]. Computers and Geotechnics 2013, 50(5): 55-65.
[6] Hsieh P G, Ou C Y, Lin Y L. Three-dimensional numerical analysis of deep excavations with cross walls[J]. Acta Geotechnica, 2013, 8(1): 33-48.
[7] Wu S H, Ching J, Ou C Y. Predicting wall displacements for excavations with cross walls in soft clay[J]. J Geotech Geoenviron Eng, 2013, 139(6): 914-927.
[8] 王卫东, 徐中华, 王建华. 上海地区深基坑周边地表变形性状实测统计分析[J]. 岩土工程学报, 2011, 33(11): 1659-1666.
WANG Weidong, XU Zhonghua, WANG Jianhua. Statistical analysis of characteristics of ground surface settlement caused by deep excavations in Shanghai soft soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(11): 1659-1666.
[9] WANG Jianhua, XU Zhonghua, WANG Weidong. Wall and ground movements due to deep excavations in shanghai soft soils[J]. J Geotech Geoenviron Eng, 2010, 136(7): 985-994.
[10] 陈育民, 徐鼎平. FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2008: 141-162.
CHEN Yumin, XU Dingping. Principles and applications of FLAC and FLAC3D[M]. Beijing: China Water Power Press, 2008:141-162.
[11] Itasca Consulting Group Inc. Fast Lagrangian analysis of continua in 3 dimensions, version 3.0[M]. Minneapolis: Itasca Consulting Group, Inc, 2005: 139-145.
[12] 徐中华. 上海地区支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形性状研究[D]. 上海: 上海交通大学土木工程系, 2007: 25-71.
XU Zhonghua. Deformation behavior of deep excavations supported by permanent structure in Shanghai soft deposit[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University. Department of Civil Engineering, 2007: 25-71.
[13] 刘国彬, 王卫东. 基坑工程手册[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2009: 209-260.
LIU Guobin, WANG Weidong. Excavation engineering handbook[M]. Beijing: Chinese Construction Industry Press, 2009: 209-260.
[14] 丁勇春, 王建华, 徐斌. 基于FLAC3D 的基坑开挖与支护三维数值分析[J]. 上海交通大学学报, 2009, 43(6): 976-980.
DING Yongchun, WANG Jianhua, XU Bin. Three-dimensional numerical analysis of braced excavation based on FLAC3D[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2009, 43(6): 976-980.
[15] 陈建峰, 孙红, 石振明，等. 修正剑桥渗流耦合模型参数的估计[J]. 同济大学学报, 2003, 31(5): 544-548.
CHEN Jianfeng, SUN Hong, SHI Zhenming, et al. Estimation of parameters of modified cam-clay model coupling biot theory[J]. Journal of Tongji University, 2003, 31(5): 544-548.
(编辑 陈爱华)
收稿日期：2015-01-25；修回日期：2015-03-29
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(41172237)(Project (41172237) supported by the National Natural Science of China)
通信作者：黄沛，博士研究生，从事软土地区隧道及基坑工程研究；E-mail：cwjzxwzj@163.com
