浙江大学学报(工学版), 2021, 55(2): 338-347 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.02.014

土木工程、交通工程

考虑邻近结构阻隔影响的基坑开挖前降水引发地层变形的特性

曾超峰,, 王硕, 袁志成, 薛秀丽

湖南科技大学 岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室,湖南 湘潭 411201

Characteristics of ground deformation induced by pre-excavation dewatering considering blocking effect of adjacent structure

ZENG Chao-feng,, WANG Shuo, YUAN Zhi-cheng, XUE Xiu-li

Hunan Provincial Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stability Control and Health Monitoring, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China

收稿日期: 2020-09-16  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51708206,51978261);中国博士后科学基金资助项目(2019T120797);湖南省自然科学基金资助项目(2020JJ5193,2020JJ4300);湖南省教育厅资助项目(20A190,17B097)

Received: 2020-09-16  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目(51708206,51978261);中国博士后科学基金资助项目(2019T120797);湖南省自然科学基金资助项目(2020JJ5193,2020JJ4300);湖南省教育厅资助项目(20A190,17B097)

作者简介 About authors

曾超峰(1987—),男,副教授,博导,从事岩土工程科研与教学工作.orcid.org/0000-0002-0917-9815.E-mail:cfzeng@hnust.edu.cn , E-mail:cfzeng@hnust.edu.cn

摘要

依托天津某地铁车站基坑实测资料开展一系列数值模拟研究,考虑邻近结构阻隔影响,探讨在坑外有/无地下结构及既有地下结构与基坑不同间距条件下开挖前降水引发的围护结构及坑外土体变形特性,通过对比各工况下基坑围挡与坑外土体变形模式、最大围挡侧移与最大地面沉降发展规律、墙后地表沉陷与基坑围挡侧移的面积关系等,揭示邻近结构对开挖前抽水引发基坑变形的影响机理. 研究表明,坑外地下结构的存在对地层运动发展有一定阻隔作用,且地下结构与基坑间间距越小,这种阻隔效应越明显;地下结构对其后方地层变形具有牵引效应,导致地下结构后方出现明显沉降槽,但随着地下结构与基坑间间距的增大,牵引效应不断减弱. 阻隔、牵引效应发挥的临界值分别为1倍、2倍的目标降水深度;当地下结构与基坑间间距处于相应临界值以内时,在基坑设计中应考虑阻隔与牵引效应的影响以得到更合理的支护与施工监测方案.

关键词: 基坑变形 ; 开挖前降水 ; 邻近结构 ; 阻隔效应 ; 牵引效应 ; 数值模拟

Abstract

A series of numerical simulations were carried out on the basis of a practical dewatering test in an excavation for metro station in Tianjin, to investigate the characteristics of wall and soil movement induced by pre-excavation dewatering considering the blocking effect of adjacent structure. The effect of the spacing between the existing structure and the excavation on the ground response was revealed. By comparing the deformation modes of retaining wall and soil, the development of the maximum wall and soil deformations and the relation between the soil loss areas induced by wall deflection and soil surface settlement, the influence mechanism of the adjacent structure on the dewatering-induced foundation pit deformation was revealed. Results show that the existence of surrounding underground structure limits the development of the ground movement, and a more apparent limiting effect would appear in the case with greater spacing between the underground structure and the excavation. In the meantime, the underground structure has a pulling effect on the ground behind it, leading to obvious surface subsidence behind the underground structure, but this pulling effect weakens continually with the increase of the distance between the underground structure and the excavation. In addition, the critical values of distance between the underground structure and the excavation were obtained to estimate the blocking effect and pulling effect, which were one and two times of the target dewatering depth. When distance between the underground structure and the excavation is within the corresponding critical values, the blocking effect and pulling effect should be considered during foundation pit design to yield more reasonable support scheme.

Keywords: foundation pit deformation ; pre-excavation dewatering ; adjacent structure ; blocking effect ; pulling effect ; numerical simulation

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本文引用格式

曾超峰, 王硕, 袁志成, 薛秀丽. 考虑邻近结构阻隔影响的基坑开挖前降水引发地层变形的特性. 浙江大学学报(工学版)[J], 2021, 55(2): 338-347 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.02.014

ZENG Chao-feng, WANG Shuo, YUAN Zhi-cheng, XUE Xiu-li. Characteristics of ground deformation induced by pre-excavation dewatering considering blocking effect of adjacent structure. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2021, 55(2): 338-347 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.02.014

近年来,随着我国城镇化进程的不断加快,大批深基坑出现在拥堵的城市环境中,导致基坑与周边建筑或地下设施的间距越来越小,如何有效控制基坑施工对周边环境的扰动成为目前工程建设的重要需求[1-4]. 一直以来,工程与科学领域对基坑变形的关注焦点都在土方开挖及开挖后一系列施工过程,人们常认为围护结构变形起点在土方第1次开挖[5-6]. 然而,从基坑施工全过程的角度来看,在土方开挖前仍有基坑围挡施工和降水施工[7-8] 2个阶段,其中,开挖前的降水施工常持续数周,并有以下目的:1)检验降水井的出水量和井内水位下降能否满足设计需求,若出水效果不好则须及时补井,以避免在土方开挖阶段出现水位无法下降而导致施工延误或工程事故(凡采用管井降水的基坑均须开展此项工作)[9];2)检验基坑围挡是否渗漏或其挡水效果,并分析降水对周边环境影响(当紧邻周边重要设施时,须进行此项工作)[10];3)作为降水试运行以评估群井启闭对水位控制效果的影响,并基于此制定正式的降水运行方案(常用于须承压水降水的情况). 由于在降水前已施工好基坑围挡,围挡有可能受到坑内降水卸孔压的影响而发生运动.

曾超峰等[9,11]通过现场试验发现开挖前常规降水可以引起围护结构发生15 mm的侧移和10 mm以上的坑外建筑物沉降. 为了控制这部分变形,采用在墙顶先施工第1道钢支撑、再降水的方法,发现墙顶侧移明显减小,但是深埋位置在降水5 d后仍出现约5 mm的侧移,并引发坑外建筑约8 mm沉降. 郑刚等[12]在天津另一个地铁基坑开挖前的降水测试中提前施工了墙顶第1道钢筋混凝土支撑,约3 d的坑内群井降水仍引起了最大约8 mm的围护结构侧移和最大约12 mm的坑外地面沉降. 这些实例说明,开挖前降水引起的基坑围挡及周边土体变形问题是高水位地区典型的、客观存在的基坑工程问题,且在没有墙顶第1道支撑的保护下(许多基坑的第1道支撑往往被设计有一定埋深,一般须首先开挖1~2 m方可施做墙顶第1道支撑[13],导致许多基坑工程的开挖前降水在没有墙顶第1道支撑的保护下完成[14]),降水导致的围护结构运动格外明显,须引起重视(尤其在基坑邻近有变形敏感地下结构时). 此外,Wang等[15-16]开展了开挖前降水问题研究,不过他们只关注该过程引起的坑外水位下降及土体固结沉降问题,未关注该过程同时导致的基坑围护结构侧移及由于该侧移引起的坑外地层运动.

另一方面,当坑外存在既有地下结构时,土体的运动会在一定程度上受到既有地下结构限制,从而呈现出与坑外没有地下结构时不一样的变形响应[17-18]. 虽然Liao等[17-18]研究了紧邻地铁车站、既有桩基建筑的基坑变形特性,但是他们主要关注土方开挖过程引起的变形,并未考虑开挖前降水的影响. 实际上,对于“存在邻近既有地下结构时,开挖前降水引发的基坑变形特性”目前尚不清楚. 考虑到当今城市环境中已遍布地下结构,有必要开展此类研究以揭露开挖前降水过程中坑外地层及既有结构真实的变形状态,从基坑施工全过程变形预测与控制的角度来说是有现实意义的.

本研究依托天津某地铁车站基坑实测资料开展一系列数值模拟研究,对比坑外有/无地下结构及既有地下结构与基坑不同间距条件下开挖前降水引发的围护结构及坑外土体变形特性,并在此基础上针对紧邻地下设施的基坑工程设计提出若干建议.

1. 工程背景

天津某地铁车站基坑(见图1[11]),长198 m、宽21 m,开挖深度为17.6~19.1 m. 地下连续墙厚度为0.8~1.0 m,高度为33~42 m. 基坑B南侧约8 m处有一砖混建筑,其沉降被要求控制在20 mm以内. 场区埋深50 m以内主要为粉质黏土和粉土,潜水层水位埋深为0.8~2.9 m,土层分布及主要土层参数(根据现场勘查和室内土性试验得到)如表1所示. 表中,H为土体埋深,γ为土的天然重度,K0为静止土压力系数、w为土中水的质量分数,e为土的初始孔隙比,Es为土的压缩模量.

图 1

图 1   地铁车站基坑降水井及变形监测点平面布置

Fig.1   Layout of dewatering wells and monitoring points of metro station


表 1   土层分布及主要土性参数

Tab.1  Strata distribution and main soil mechanical parameters

土层性质 H /m γ /(kN∙m−3 K0 w /% e Es /MPa
粉质黏土 5.5 19.35 0.49 29.9 0.811 4.00
黏质粉土 11.0 19.30 0.43 26.5 0.792 8.26
粉质黏土 19.0 20.10 0.50 26.4 0.696 5.80
砂质粉土 24.0 20.15 0.42 21.9 0.640 8.71
黏土 27.0 19.75 0.55 30.4 0.764 5.98
砂质粉土 33.0 20.65 0.35 20.2 0.583 8.29
粉质黏土 37.0 20.50 0.39 22.4 0.611 7.26
粉砂 42.0 20.05 0.30 18.2 0.585 10.50
粉质黏土 50.0 19.30 0.39 23.8 0.676 6.20

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在基坑地连墙、降水井施工完成后,为了检验降水井出水量及评估降水对坑外建筑影响,现场进行开挖前抽水工作,首先在基坑A进行,监测发现10 d的群井抽水(最大抽水深度为16 m,坑外无水位下降)过程中,围护结构持续发生指向坑内的侧移,在降水第10 d时最大侧移为10 mm(C3测孔处),如图2所示. 图中,H为埋深,δh为围护结构侧移. 在基坑B降水之前,提前设置墙顶第1道支撑,随后进行5 d的降水(最大抽水深度为20 m,坑外无水位下降),此时,墙顶侧移被限制住,但在深埋位置却表现出相对于基坑A降水而言更大的侧移,最大约为5 mm(C13位置处),并引起坑外约8 mm建筑物沉降. 关于该工程实测的详细介绍可以参见文献[11]. 下文将依托本工程进行数值建模,研究坑外地下结构与基坑不同间距条件下开挖前降水引发的围护结构及坑外土体变形特性(针对更常见的墙顶尚未施工第1道支撑的情况[14]).

图 2

图 2   围护结构侧移实测值

Fig.2   Measured retaining wall deflections


2. 数值模型及验证

2.1. 数值模型建立

基于第1章工程背景利用ABAQUS分别建立2类数值模型,第1类模型是对第1章中基坑A降水试验的模拟,并利用工程实测资料对模型参数进行校核;第2类模型采用与第1类模型同样的土层分布及土性参数,但分别建立坑外有/无地下结构的模型,研究地下结构对开挖前降水引起土体运动以及围护结构变形的影响.

1)第1类模型(模拟实际工程模型). 如图3所示,模型整体尺寸为400 m×230 m×50 m,在水平方向,模型边界设置在基坑围护结构后方超过100 m处,由于在第1章降水试验时发现坑内外无水力联系,在模型建立时无须考虑坑外水位下降引起的变形问题,不必根据降水影响半径的范围来确定模型边界,根据类似研究经验[9],此时将模型水平边界设置在坑外超过100 m处将不会出现边界约束影响计算结果的问题. 在深度方向上,模型土层被划分为9层,根据前人经验[9],采用修正剑桥模型模拟土体在降水过程中的受力变形行为,数值模型中土层分布及物理力学参数如表2所示. 表中,KH为土体水平方向的渗透系数,KV为各土层竖直方向渗透系数,M为临界状态应力比,κ为剑桥模型回弹系数,λ为剑桥模型压缩系数. KVKH根据对第1章降水试验的数值反演得到,Mκλ通过三轴试验得到.

图 3

图 3   模拟实际基坑数值模型网格图

Fig.3   Finite element mesh of model simulating actual foundation pit


表 2   数值模型中土层分布及物理力学参数

Tab.2  Soil distribution and parameters used in model

土性 H /m KH /(m∙d−1 KV /(m∙d−1 M κ λ
粉质黏土 5.5 0.1 0.1 0.979 0.0065 0.0553
黏质粉土 11.0 0.5 0.5 1.192 0.0036 0.0312
粉质黏土 19.0 5.0×10−4 1.0×10−4 0.979 0.0052 0.0445
砂质粉土 24.0 1.0 1.0 1.202 0.0034 0.0293
黏土 27.0 5.0×10−5 1.0×10−5 0.800 0.0046 0.0397
砂质粉土 33.0 1.0 0.7 1.202 0.0033 0.0283
粉质黏土 37.0 5.0×10−4 3.0×10−4 0.900 0.0037 0.0320
粉砂 42.0 2.5 1.5 1.382 0.0022 0.0191
粉质黏土 50.0 5.0×10−4 2.0×10−4 0.900 0.0035 0.0305

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模型中基坑围护结构及降水井布置同第1章中工程实际布置,且均采用弹性模型来模拟,根据钢筋混凝土设计规范,它们的弹性模量分别设置为30、210 GPa. 为了使模型计算精度高且计算量尽可能小,地下结构与基坑围挡附近的网格设置相对较密(最小尺寸为0.5 m),而沿着远离地下结构方向,网格尺寸逐渐增大(最大为24.5 m,位于模型侧向边界处). 在土体深度方向,网格尺寸为1.5~4.0 m,同样地,在基坑围挡深度范围内的网格相对较密,而在围挡以下,土体网格相对较疏;网格形状均为六面体,网格质量较好,在建模过程中无网格畸形预警,单个模型的网格总数量约为15万. 另外,模型中土体采用C3D8P单元模拟,可以考虑渗流应力耦合,围护结构采用C3D8I非协调单元模拟,降水井采用S4壳单元模拟;土体与结构之间的摩擦服从Coulomb摩擦定律,根据相关文献经验[9],摩擦系数设置为0.3.

模型侧向边界被限制水平方向变形,且被赋予常水头边界,模型底部被同时限制竖向和水平方向变形,并被赋予不透水边界. 在降水井与土体接触面上设置drainage-only flow(DOF)渗流边界以控制降水过程,该渗流边界指的是过水断面上的法向渗流速度与该处孔隙水压力成正比,比例因子为渗流系数ks,而ks可以根据实测单井抽水量和降水井几何参数通过简单公式计算得到,具体计算方法参见文献[9].

2)第2类模型(坑外有/无地下结构模型). 根据上述模型的土层分布及土性参数建立坑外有/无地下结构模型,如图4所示. 由于对称性,仅建立1/2模型,且为了建模方便,基坑平面统一设置为长200 m、宽120 m的矩形,坑内设置16口降水井,井间距约为14.6 m,单口降水井疏干面积约为213 m2,符合单井疏干面积200~250 m2的经验要求.

图 4

图 4   坑外有/无地下结构时数值模型网格图

Fig.4   Finite element mesh of models with and without adjacent structure


对于有地下结构模型,仅以天然地基上某一特定尺寸箱型基础(长60 m、宽20 m、埋深11 m)为例,将其设置在基坑外侧,其与基坑的位置关系如图4(b)所示,该箱型基础与基坑间距离D是模型中的变化参数,取值见表3. 须指出的是,本研究的重点在于地下结构对开挖前降水引发地层变形的影响,所有变形结果均针对降水过程引起的变形(即降水结束时的变形减去降水开始时的初始变形,这一初始变形主要为给地下结构加荷载所引起的变形),所以为了方便,在有地下结构模型中未考虑上部结构类型,只是在地下结构上方施加190 kPa均布荷载[19]来近似模拟建筑物(约16层框架结构建筑)荷载.

表 3   模型计算工况与参数取值

Tab.3  Calculation conditions and parameter values

参数 取值/m
1)注:∞表示坑外无地下结构的工况
Hd 5.5、11.0、16.0、19.0、21.5
D 5、10、15、20、40、∞1)

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共建立30个模型(5个坑外无地下结构模型和25个坑外有地下结构模型),以考虑不同D和不同坑内降水深度Hd的影响(模型计算工况与参数取值见表3),每个模型均开展21 d的坑内降水数值模拟(若无特殊说明,第3节相关数据均为降水21 d计算结果),以探究坑外有/无地下结构及不同D条件下,开挖前降水引发的基坑变形特性.

2.2. 模型验证

图5[1]所示,将第1章实测资料中基坑A最大围护结构侧移(C3位置处)实测值与笔者模型计算值进行对比. 可以看出,围护结构侧移的实测值与模型的计算值较吻合,本研究数值模型得到校核.

图 5

图 5   C3测斜孔处侧移实测值与计算值对比

Fig.5   Comparison of computed and observed wall deflection at C3


3. 计算结果与分析

3.1. 围护结构侧移模式及地面沉降模式

以降水深度Hd=11.0、21.5 m为例,如图6所示为坑外有/无地下结构及地下结构与基坑不同间距条件下开挖前降水引发的坑外地面/地下结构沉降δv及围护结构侧移δh. 可以看出,无论坑外有/无地下结构,基坑开挖前降水均使得围护结构发生指向坑内的悬臂式侧移,并进一步导致围护结构后方地层变形. 由于坑内外无水力联系,此变形并非坑外水位下降引起的固结变形,而是围护结构发生侧移后,其后方土体跟随围挡同步移动而出现的变形. 当坑外存在既有地下结构时,基坑降水引起的围护结构侧移及地面沉降均小于相同降水条件下无地下结构时的结果;地下结构与基坑间距D越小,开挖前降水引起的围护结构侧移及地面沉降越小. 说明坑外既有地下结构对其与基坑之间的地层变形具有阻隔效应,限制了这部分土体变形的发展,且这种阻隔效应随着地下结构与基坑间距的增大而减弱. 值得注意的是,由于土体对围护结构底部的约束较好,且围护结构顶部向坑内侧移,因此,在围护结构变形协调机制的作用下,围护结构顶部与底部之间的墙体可能出现指向坑外的侧移. 在降水深度较小时,这一现象较明显,而随着降水深度增大,由于受到降水影响的土层范围将向下延伸,围护结构侧移整体增大,围护结构向坑外侧移的现象不再明显.

图 6

图 6   坑外有/无地下结构时开挖前降水引发基坑变形计算曲线

Fig.6   Dewatering-induced foundation pit deformation in conditions with and without adjacent structure


须指出的是,坑外地下结构在阻碍土体运动的同时,其本身也会随着土体的运动而发生变形响应,呈现出不均匀沉降,当其与基坑距离较近或降水深度较大时尤为明显,但地下结构沉降始终小于其附近地面沉降. 此外,坑外无地下结构阻隔时的基坑降水引起的坑外地面沉降为“单沉降槽”模式,而坑外存在地下结构时则为“双沉降槽”模式(不但地下结构与基坑之间存在沉降槽,地下结构后方也存在沉降槽),这意味着地下结构对其后方的地层变形有牵引效应,这种牵引效应随着地下结构与基坑间距的增大而减弱,地下结构与基坑间距越大,地下结构后方地面沉降越小.

3.2. 最大地表沉降和最大围护结构侧移

以降水深度Hd=21.5 m为例,如图7所示为各工况下围护结构顶部侧移δhm及坑外最大地面沉降δvm随降水变化曲线. 可以看出,围护结构侧移及坑外地面沉降均随降水时间延长而非线性增大,且在降水开始后4 d内发展较快,之后逐渐趋于稳定. 这体现了开挖前降水引起的基坑变形存在时间效应,工程人员应着重关注降水前期基坑变形的发展,并加强变形监测,若变形增长超过预期,应及时停止降水.

图 7

图 7   开挖前降水引发基坑变形时程曲线

Fig.7   Time-history curves of dewatering-induced foundation pit deformation


图8所示为不同降水深度条件下,δvmδhmD的变化规律. 总体而言,开挖前降水引起的δvmδhmD的减小而减小,降水深度越大,该规律越明显,体现了坑外邻近结构对土体运动阻隔效果的变化规律. 另外,当D<Hd时,坑外结构对δvmδhm的影响相对较为明显;当D>Hd时,坑外有/无地下结构对δvmδhm基本无影响. 为此,可以认为D=Hd为阻隔效应发挥作用的临界值(针对坑内外无水力联系时,开挖前降水引起的变形而言),在邻近既有结构的基坑设计中,考虑阻隔效应可以得到更合理的支护方案. 此外,地下结构后方地表最大沉降 $\delta _{{\rm{vm}}}' $D/Hd的变化如图9所示. 可以看出, $\delta _{{\rm{vm}}}' $随地下结构与基坑间距的减小而增大,降水深度越大,该规律越明显,体现了坑外邻近结构对地下结构后方土体牵引效果的变化规律. 当D<2Hd时,坑外结构的存在将引起其后方相对较明显的沉降(尤其对于有较大降深需求的基坑而言);当D>2Hd时, 地下结构后方的地面沉降已较微小(小于0.5 mm). 可以近似认为D=2Hd为牵引效应发挥的临界值,在基坑施工过程中,若邻近结构距基坑的距离小于2Hd且目标降深较大,仍须评估地下结构后方的地面沉降.

图 8

图 8   最大基坑变形随地下结构与基坑间距变化

Fig.8   Maximum foundation pit deformation versus spacing between adjacent structures and excavation


图 9

图 9   地下结构后方最大沉降随地下结构与基坑间距变化

Fig.9   Maximum ground settlement behind underground structure versus spacing between adjacent structure and excavation


为了更好地表现δvmδhm之间的关系,将本研究所有工况计算所得的δvmδhm进行统计,结果如图10所示. 可以看到,当坑外存在地下结构时,开挖前降水引起的δvm大致为0.45δhm~0.76δhm,该结果与文献[20]得到的类似地质条件下坑外无地下结构时的计算结果相似. 说明虽然既有地下结构屏障效应的存在导致最大围护结构侧移和最大地面沉降均发生减小,但是它们的比值近乎不变. 另外,本研究及文献结果均是在坑内外无水力联系条件下得到的,而文献[21]得到了考虑坑内外水力连通条件下沉降侧移比的变化规律,δvm=δhm~10δhm,可以看出,当坑内外水力联通时沉降侧移比显著增大,原因是此时的土体沉降是由围挡变形和水位下降同时导致的.

图 10

图 10   最大围护结构侧移与最大地面沉降的关系

Fig.10   Relation between maximum wall deflection and maximum ground surface settlement


3.3. 最大地表沉降增量与最大围护结构侧移增量

通过以上分析,得到地下结构与基坑间距D与围护结构及土体变形的关系. 对于工程设计人员来说,更为重要的是围护结构及土体最大变形. 许多设计施工单位已经拥有某一地区的基坑变形经验与数据库,可以通过建立变形增量与地下结构-基坑间距增量ΔD的关系,并利用已知的基坑变形数据来初步分析不同D条件下的新施工基坑的变形. 通过大量数据分析,发现最大围护结构侧移增量Δδhm和最大地面沉降增量Δδvm与ΔD满足统一的函数关系,如图11所示. 由此可以根据已有工程资料初步估算类似地质条件下新施工基坑在不同D下的最大围护结构侧移及坑外最大地表沉降,为工程初步设计提供参考. 须注意的是,本函数关系可能仅适用于基坑外邻近浅埋基础的情况,对于邻近深埋结构(如桩基础、隧道)的适用性有待进一步验证,不过根据本研究思路可以方便得到相关表达式以供设计初步参考.

图 11

图 11   最大基坑变形增量随地下结构与基坑间距变化

Fig.11   Increment of maximum foundation pit deformation versus spacing between adjacent structure and excavation


3.4. 坑外地面沉陷面积与围护结构侧移面积的关系

图12所示为开挖前降水引起的地面沉陷面积Asv及围护结构侧移面积Aw随地下结构与基坑间距D、降水深度Hd的变化关系. 其中,AsvAw根据围护结构侧移曲线和地表沉降曲线按面积积分得到,具体计算思路如图13所示. 图中,x为距围护结构距离,y为土体深度. 由图12可以看出,AsvAwD/Hd的变化规律与δvmδhm的变化规律表现类似,即AsvAwD/Hd的减小而非线性减小,降水深度越大,该规律越明显,体现了坑外邻近结构对土体运动阻隔效应的影响. 不过,当坑外有地下结构时,在本研究所计算的工况中地面沉陷面积始终较无地下结构时的小,因为本研究工况中地下结构始终处于基坑降水对坑外土体变形的影响区以内,地下结构的存在必然阻隔土体运动导致土体沉陷面积减小.

图 12

图 12   围护结构侧移面积及地面沉陷面积随地下结构与基坑间距变化

Fig.12   Areas of wall deflection and ground surface settlement versus spacing between adjacent structure and excavation


图 13

图 13   土体损失面积求解示意图

Fig.13   Schematic diagram of soil loss calculation


为了更好地体现AsvAw之间的关系,将本研究所有工况计算所得的AsvAw进行统计,结果如图14所示. 图14(a)(b)分别为以降水深度和基坑与邻近结构间距为分类条件进行的数据整理. Asv=0.50Aw~1.25Aw,平均值为1.08Aw. 当D越小时,沉降面积相对于侧移面积更小,此时地下结构对土体运动的阻隔影响明显,随着D的增大,阻隔效应减弱,沉陷面积有所增大并接近甚至超过侧移面积,降水深度越大,规律越明显. 通过建立围护结构侧移面积与坑外地面沉陷面积的关系,可以方便后续基于围护结构侧移(最大侧移和侧移曲线)来估算坑外地面沉降(最大沉降和沉降槽曲线).

图 14

图 14   坑外地面沉陷面积与围护结构侧移面积关系

Fig.14   Relation between soil loss areas induced by wall deflection and soil surface settlement


须指出的是,本研究仅考虑开挖前降水过程而不涉及土方开挖过程,因此,本研究得到的阻隔效应与牵引效应规律可能仅适用于对开挖前降水引发变形的分析. 实际上,Liao等[17-18]针对土方开挖过程开展了邻近地下结构阻隔效应分析,得到了该条件下坑外土体变形规律及其与邻近地下结构位置的关系. 建议设计人员在开展相关工程设计时,同时参考本研究研究结果和Liao等[17-18]的研究结果,以得到更为合理的基坑支护方案,以同时控制开挖前降水引起的变形和土方开挖引起的变形.

4. 结 论

(1)当坑外存在既有地下结构时,基坑降水引起的围护结构侧移及地面沉降均小于相同降水条件下无地下结构时的结果,体现了既有地下结构对地层变形的阻隔效应;随着地下结构与基坑间D的增大,这种阻隔效应逐渐减弱,可以近似认为D=Hd为阻隔效应发挥作用的临界值,并建议在基坑设计中考虑阻隔效应的影响,以得到更合理的支护方案.

(2)坑外地下结构对其后方地层变形有牵引效应,导致地下结构后方出现明显沉降槽. 随着地下结构与基坑间距的增大,这种牵引效应逐渐减弱,可以近似认为D=2Hd为牵引效应发挥的临界值,在基坑施工过程中,若邻近结构距基坑的距离小于2Hd且目标降深较大,仍须评估地下结构后方的地面沉降.

(3)当坑外存在地下结构时开挖前降水引起的最大地面沉降为最大围护结构侧移的0.45~0.76倍,而坑外地面沉陷面积为围护结构侧移面积的0.50~1.25倍,平均值为围护结构侧移面积的1.08倍. 该经验关系可以用于后续基于围护结构侧移估算坑外地面沉降.

(4)本研究仅讨论了邻近浅埋结构对开挖前降水引发基坑变形的影响,后续研究将对比邻近结构不同形状、不同埋深对结果的影响.

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