随着城市建设的不断发展, 高层建筑越来越密集, 地下基坑的开挖朝着大面积、深开挖的方向发展, 越来越多的深基坑出现在城市中心区基坑施工时, 施工单位通常在基坑周围堆放建筑材料、安放重型建筑机械、行驶重载汽车等, 这些施工堆载对基坑的影响不容忽视。此外, 群体建筑或者城市中心区经常出现几个相近的建筑同时施工、多基坑同时开挖的情况。在寸土寸金的市区, 这些基坑之间的土体要么是城市道路的一部分, 上边行驶重载施工车辆, 要么被施工单位用来堆放建筑材料或者土方, 基坑之间的堆载对相邻基坑的土体变形、支护结构内力及变形都存在不可忽视的影响。

为了研究相邻基坑间存在堆载情况下, 基坑的土体变形、支护结构变形的特点, 本文利用三维非线性有限元分析软件PLAXIS 3D Foundation对相邻基坑间的堆载进行模拟分析, 针对不同基坑间距及基坑类型, 重点分析基坑间地面沉降、支护结构水平位移和基坑底隆起的规律。

采用的土体本构模型为高级双曲线模型, 即硬化土模型 (hardening-soil model) 。研究表明, 该模型计算土体变形较为准确。在PLAXIS软件中硬化土模型需要输入的主要参数有:①土体黏聚力c=7k Pa, 内摩擦角φ=25.0°;②三轴试验时标准围压下割线模量E₅₀^ref=8 000k Pa;③主固结仪加载中的切线模量E_oed^ref=8 000k Pa;④幂指数m=0.6;⑤卸载再加载刚度E_ur^ref=2.4×10⁴k Pa;⑥土的重度18k N/m³。

基坑类型选择悬臂式支护结构和支撑式支护结构, 为了便于计算, 对模型进行了简化, 左侧为基坑A, 右侧为紧邻的基坑B。两基坑开挖深度均为6m, 基坑A和B宽度为30m, 长度为40m, 两基坑间距L为深度的1~3倍, 即分别取6, 9, 12, 15, 18m这5个数值, 且在B基坑旁边 (距离1.5m处) 布置堆载, 堆载范围长40m, 宽3m, 大小为35k Pa, 具体如图1所示。基坑开挖边线距离模型边界为30m, 为基坑开挖深度的5倍, 土层厚度为基坑底以下24m, 为基坑开挖深度的4倍, 可基本消除边界影响, 且不考虑地下水。计算区域为如图2所示的120m×100m×30m立方体。

根据基坑类型和基坑间距, 可以得到如表1所示的计算模型组合 (共20个计算模型) 。

悬臂式支护结构采用排桩支护方案, 支护桩采用直径1.0m钻孔桩, 桩间距为1.7m, 桩长15m。在计算过程中, 支护桩按等效刚度原则简化为连续墙, 等效厚度为:

支撑式支护结构采用0.6m厚地下连续墙, 且在地下连续墙顶部设1道支撑, 先支撑后开挖, 最终达到预定开挖深度。

根据三维有限元软件分析结果, 基坑间堆载区土体地面沉降、支护结构水平位移和基坑底隆起与不同基坑间距及基坑类型密切相关。图3为基坑间土体中部剖面的地面沉降云图, 图中左侧为A基坑, 右侧为B基坑, 堆载区靠近B基坑。图中数值表示两基坑的间距, 土体沉降程度用黑白色表示, 图像经过软件处理, 各图的颜色均具有可比性, 颜色越黑的区域, 沉降越大;反之, 颜色越白的区域, 沉降越小。

由图3可以看出, 基坑间土体地面的最大沉降发生在堆载区, 当两边均为悬臂式基坑且距离最近时, 堆载区产生的沉降最大 (见图3a左侧) ;当两边为支撑式基坑且距离最远时, 堆载区产生的沉降最小 (见图3d右侧) 。

由于基坑间土体地面的最大沉降发生在堆载区, 将最大沉降与基坑类型、基坑间距进行对比, 得到图4所示关系曲线。从该图可以发现如下规律。

1) 在基坑间距相同的情况下, 当两边均为悬臂式基坑时, 沉降值最大;当两边均为支撑式基坑时, 沉降值最小。

2) 任何类型的基坑, 随着基坑间距的减小, 沉降值变大;随着基坑间距的增加, 沉降值变小。基坑间距变化过程中, 当两边均为悬臂式基坑时, 沉降值变化幅度最大;当两边均为支撑式基坑时, 沉降值变化幅度最小。当基坑间距接近3倍基坑开挖深度 (即18m) 时, 沉降值趋于稳定。

3) 当A基坑与B基坑支护类型不同时, 由于堆载布置在B基坑旁边, 如果A基坑是支撑式且B基坑是悬臂式, 比A基坑是悬臂式且B基坑是支撑式堆载所产生的沉降值要大。此外, 当基坑间距接近3倍基坑开挖深度 (即18m) 时, A基坑对B基坑的影响大大减小, 此时, 不论A基坑是何种类型, 沉降值仅仅受B基坑影响, 故在图4中, 4条曲线在基坑间距为18m处两两接近重合。这也反映出, 当基坑间距超过3倍基坑开挖深度以后, 基坑之间基本上便没有互相影响。

基坑底隆起的最大值与基坑类型、间距关系如图5所示。从图中可以看出, 基坑底隆起最大值在64~65mm。如果选取不同基坑类型的坑底隆起云图进行分析, 如左侧A基坑为支撑式, 右侧B基坑为悬臂式, 两基坑间距为12m (见图6) , 可以发现堆载、基坑类型对基坑底隆起的影响很小。本质上, 基坑底隆起是因为上方的土体被挖掉, 导致卸载, 土体回弹而隆起, 故与基坑类型、间距关系不大。

在本次有限元计算时, 堆载被当作是B基坑的施工堆载, 故重点研究B基坑靠近堆载一侧的支护结构水平位移, 因为该侧的支护结构受堆载和A基坑影响最大。在不同基坑类型、间距情况下, B基坑靠近堆载一侧支护结构中部的水平位移如图7所示。

由图7可以看出, 悬臂式基坑的水平位移大于支撑式基坑的水平位移, 悬臂式基坑的最大水平位移在基坑顶部, 而支撑式基坑 (只有1道支撑在顶部) 的最大水平位移在基坑底部。

如果把B基坑靠近堆载一侧支护结构最大水平位移与基坑类型、基坑间距进行对比, 得到如图8所示的关系曲线。

1) B基坑支护结构最大水平位移与基坑间距呈正相关性, 即不论A和B为何种基坑, 当它们的间距越小时, B基坑支护结构最大水平位移也越小, 这是因为间距越小, 基坑之间的土体也越少, 能够施加在支护结构上的作用力也降低了, 水平位移就减小。但对于不同基坑间距, 其水平位移数值变化幅度不大。

2) 当A基坑为悬臂式时, 能够减小B基坑的水平位移, 即在B基坑类型和A, B基坑间距不变的情况下, 与A基坑为支撑式相比, B基坑的水平位移较小。这是因为当A基坑为悬臂式时, A基坑支护结构的变形较大, 起到卸载作用, 故B基坑支护结构受到的压力降低, 水平位移就较小。

3) 随着A、B基坑间距增大, 基坑间的影响减小, 当间距为18m (3倍基坑深度) 时, 图8中的曲线两两接近重合。

4) 结合前面的土体沉降变形分析, 当两边均为悬臂式基坑时, 基坑支护结构的水平位移大, 基坑间土体向两边侧移, 故沉降值大;当两边均为支撑式基坑时, 基坑支护结构的水平位移小, 基坑间土体无法向两边侧移, 故沉降值就小。

为进一步研究基坑间的堆载对相邻基坑的土体变形、支护结构变形的影响, 本文对某实际工程采用三维有限元建模进行分析, 并与实际监测数据进行对比。

某相邻2个项目距离较近, 分别为1号综合楼和2号综合楼 (见图9) 。1号综合楼基坑尺寸为40m×28m, 深8.4m, 支护结构采用直径0.8m、间距1.1m、长22.4m的钻孔灌注桩, 设2道支撑, 1道在基坑顶部, 1道在4.75m处;2号综合楼基坑尺寸为55m×25m, 深8.55m, 支护结构采用直径0.8m、间距1.1m、长24m的钻孔灌注桩, 设2道支撑, 1道在基坑顶部, 1道在4.8m处。两基坑间距约10m。1号综合楼基坑周边没有堆载, 但2号综合楼由于周边范围较狭窄, 不得不在两栋楼之间堆放大量施工荷载, 包括挖出的土方、原材料、重载施工车辆等, 堆载距离两基坑各为2m左右, 即堆载范围宽度为6m左右, 长度沿着2号综合楼全长布置。考虑施工不确定性, 堆载大小按40k Pa考虑。在实际施工过程中, 2个综合楼基坑基本同时开挖。现对2号综合楼基坑的土体变形、支护结构变形进行模拟分析。

计算采用的土体本构模型为硬化土模型。深度45m范围内地基土共可分为4层, 各土层分布都较稳定。土层计算参数如表2所示。

采用三维非线性有限元分析软件Plaxis 3D Foundation对该工程实例进行模拟分析, 数值模型尺寸为155m×135m×45m。建模时对堆载区周边土体网格进行加密。基坑尺寸均按照实际尺寸建立, 基坑开挖、加撑均按照实际工况模拟。

根据三维有限元分析结果, 基坑间堆载区土体地面沉降和基坑底隆起如图10所示。

从图中可以看出基坑间堆载区中部地面沉降值最大。而且基坑中部隆起值最大, 尽管1号综合楼和2号综合楼位置不对称, 但是这种不对称性对2号综合楼基坑隆起变形影响很小。

由于2号综合楼基坑上半部分与1号综合楼基坑相邻, 2号综合楼基坑下半部分是独立的。按照图9中对土体做2个剖面。1—1剖面在2号综合楼基坑上半部分与1号综合楼基坑相邻处, 2—2剖面在2号综合楼基坑下半部分, 与1号综合楼基坑无关, 该两剖面沉降云图如图11所示。

图10中, 2—2剖面右侧为2号综合楼基坑, 左侧为无限土体, 该剖面最大沉降值为64.60mm;1—1剖面右侧为2号综合楼基坑, 左侧为1号综合楼基坑, 该剖面最大沉降值为64.04mm。可以看出, 对于支撑式支护结构, 靠近相邻基坑处, 沉降值略大, 但总体而言, 相邻基坑的影响较小, 这个结论与图6和图7的计算结果相一致。

2号综合楼基坑位于1—1和2—2剖面处的支护结构水平位移计算值如图12a所示。可以看出, 2号综合楼基坑位于1—1剖面处的支护结构由于靠近1号综合楼基坑, 水平位移较小;2号综合楼基坑位于2—2剖面处的支护结构远离1号综合楼基坑, 水平位移较大。

在基坑施工过程中, 对基坑进行实时监测, 得到2号综合楼1—1剖面处和2—2剖面处的支护结构水平位移的实测值如图12b所示。2—2剖面处的支护结构水平位移均大于1—1剖面处的支护结构水平位移, 说明计算反映的相邻基坑支护结构变形规律的正确性。计算与实测有所偏差, 主要是因为堆载的不均匀、实际支护结构各部分混凝土施工的差异性, 且土层计算参数也会存在一定的偏差。

通过上述计算和分析, 研究了相邻基坑间存在堆载情况下, 基坑间地面沉降、支护结构水平位移和基坑底隆起, 得到如下结论。

1) 在相邻基坑间距相同的情况下, 当两边均为悬臂式基坑时, 基坑间土体沉降值最大;当两边均为支撑式基坑时, 沉降值最小。

2) 随着相邻基坑间距的减小, 基坑间土体沉降值变大;随着基坑间距的增加, 沉降值变小, 在此过程中, 当两边均为悬臂式基坑时, 沉降值变化幅度最大;当两边均为支撑式基坑时, 沉降值变化幅度最小。

3) 当堆载布置在悬臂式基坑旁产生的沉降值, 要比堆载布置在支撑式基坑旁产生的沉降值大。

4) 堆载、基坑类型和基坑间距对基坑底隆起的影响很小。

5) 随着相邻基坑间距的减小, 堆载旁边的基坑支护结构水平位移也减小, 但对于不同基坑间距, 其水平位移数值变化幅度不大。

6) 悬臂式基坑的开挖起到卸载的作用, 使与其相邻的基坑支护结构水平位移减小。而支撑式基坑的开挖起到的卸载作用较弱。

7) 随着相邻基坑间距的增大, 基坑间的相互影响减小, 当间距为3倍基坑深度时, 基坑间影响可忽略。