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基坑开挖前的变形影响因素详细讲解

325 2021-04-25 15:17:51

在基坑开挖前,围护墙施工等原因将导致基坑围护结构或坑外土体发生位移。围护墙的施工对周边环境的影响可以分为有挤土和非挤土两种形式,非挤土形式主要体现在挖孔或者挖槽的桩墙,在桩孔或桩槽开挖后,出现了临空面,从而引发周围土层的侧移,并最终导致周边土体发生位移,而挤土的形式则体现在钢板桩、预制桩等桩墙,当对其进行挤入时,往往会引发周围土体发生挤出,从而引发周边环境的破坏。

Burland & Hancock(1977)例和Tedd et al.(1984)的研究表明;在一些工程中,地连墙和板桩墙的施工引起的周边土体位移可能分别达到总位移的 50%和 30%。Clough& O'Rourke(1990)(2l认为通过振动挤入的板桩将引发松散或中等密度的砂层发生沉降,其引发土层的竖向应变随与板桩相对距离的变化而变化。如图 3-25所示,可见随着相对距离的增大,竖向土层应变迅速降低,通过该图即可计算板桩周边不同距离处的土体沉降,计算时只需根据板桩挤入设备确定的振动速率。选择相应的竖向应本曲线,并用对应距离处的竖向应变值与板桩打入深度相乘,得到的乘积即为该点处沉降值。由此可见,挤入型的围护墙体施工将对周边环境造成较大的影响。

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地连墙的施工流程一般包括导墙施作、沟槽挖掘和混凝土浇筑等三个阶段。其中,导沟一般深度约为2~3m,有时可能深达 5m,但其引起的周边土体位移较小,常常忽略。故地连墙施工引发的坑外十体的位移主要发生在沟槽挖掘和混凝士浇筑两个施工阶段。在沟槽开挖阶段,采用泥浆进行护壁以减小土体开挖引发的不平衡,但是开挖槽壁上的原始侧向士压力与泥浆压力之差仍将导致十体发生卸荷,从而使得槽壁发生位移,并间接引发周边地表十体发生位移,而当进行墙体混凝土的浇筑时,混凝土产生的侧向压力大于泥浆压力,故槽壁将发生一定的回缩,但其对减小地表土体位移的作用很小,故地连墙施工时导致的坑外地表土体的位移主要发生在沟槽开挖阶段。此外,在地连墙混凝土形成强度期间,坑外土体超静孔隙水压力的消散、土体的固结亦将使周边地表土体产生一定的位移。

由上述分析可知,地连墙施工引发周边土体位移的影响程度,主要与沟槽的宽度。深度及长度,以及泥浆的护壁效果紧密相关。—般认为,由干地连墙成槽施工司I发的十体的位移占整个基坑开挖变形总量的比例很小,但是在一些工程中,地连墙成槽施工引发的沉降量却占总沉降量的 40%~50%,尤其是对于基坑周边环境保护要求较高的情况,其影响需要给予足够的重视。

Farmer & Attewell (1973)在伦敦地区进行地连墙开挖的现场试验,其中地连墙厚度 0.8m,长度 6.1m,深度 15m,监测结果表明∶在开挖 A 区块和 B 区块时,周边地层的位移很小,当开挖 C 区块时,各个监测孔的水平位移随开挖深度增大而增大,且随着与地连墙相对距离的增大而减小,如图 3-26 所示,其中监测孔 1的最大水平位移发生在地表下 5m深度处,其值为 15mm,即为开挖深度的 0.1%倍,当闲置 7 天后其值增大到 16mm,且在距离地连墙6.1m 的孔4 基本不受槽段开挖的影响。此外,孔1 及孔,2 处的地表沉降分别约为 3mm 及 0.5mm,且孔1处的最大沉降值发生在地表下 7.7m 深度处,其值为 6mm。由此可见,地连墙的开挖对于周边的地层位移将产生一定的影响,需给予足够的重视。

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欧章煜(2004)通过台北捷运工程地连墙施工实践的研究发现,如图 3-28 所示,单一槽段施工引发的地表沉降范围约为 1.0 倍的槽深,最大沉降值约为 0.05%倍槽深,且其数值约为 1015mm;多幅槽段施工引发的地表沉降范围与单幅槽段基本相同,而最大沉降值约为 0.07%倍的槽深,相比单幅槽段施工引发的沉降有一定的增大,但随整个地连墙的施工完成,其地表沉降范围则扩大到约 2.0 倍的槽深,沉降范围主要发生在 1.5倍槽深范围内,而在 1.5~2.0 倍的槽深范围内,其沉降值不太明显,其中最大沉降值也增大到约 0.13%倍的槽深,略小于 Clough & O'Rourke(1990)的 0.15%倍槽深值,但两者总结的包络线已经极其接近。

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Gaba et al.(2003)分析了硬黏土中带扶壁地连墙和平板地连墙施工引发的土体位移进行对比研究,结果表明;带扶壁地连墙同平板地连墙施工引发的地表沉降基本一致,其范围约为 1.5倍槽深,最大地表沉降约为 0.04%倍的槽深;而带扶壁地连墙施工引发的水平位移范围略大于平板地连墙,约为 1.5 倍槽深,最大水平位移约为 0.07%倍的槽深。

刘国彬等(2004)通过对上海大木桥路地铁车站基坑工程地连墙施工对周边建筑物的影响进行研究,认为地连墙成槽施工将引发周边建筑物的发生不同程度沉降,地连墙周边每一测点的累计沉降是由各个槽段的施工影响的综合叠加,当单独研究某一槽段对周边建筑物的影响时,其周边房屋沉降沉降规律为∶在平行于槽段方向上,沿槽段宽度中心线呈对称分布,在槽段中心线上沉降值最大,与中心线相对距离为 1.5~2.0 倍的槽段宽度范围内迅速衰减;在垂直于槽段方向上基本呈现线性衰减,且大约至 3.0~4.0 倍的槽段宽度范围内衰减至最大值的 20%~30%。

Baxter et al.(2007)通过有限元模型对中密砂土中地连墙的施工过程进行模拟,其中模拟工序包括泥浆下挖槽、混凝土浇筑及混凝土的硬化等三个阶段,分析结果表明地连墙的三个施工阶段均对槽壁及周边土体的位移有重要影响,且位移大小同槽深、砂土的密度及地下水位的位置等因素有重要的关系,主要结论包括∶①随槽深增大,地表沉降值增大; ②随砂土压缩性的增大,地表沉降值增大;③随地下水位深度增大,地表沉降值减小。反之则结论相反。

除了上述介绍的地连墙施工对周边天然地表的位移影响,一些学者针对地连墙施工对周边建筑物的沉降影响进行了研究,研究结果发现∶对于距离地连墙 1.0 倍槽深范围内的建筑物,施工将引发显著的沉降,且主要的沉降范围为 1.5 倍的槽深,在这一范围之外,受开挖影响的建筑物沉降将显著减弱,同时影响程度与建筑物的基础埋深有重要关系,埋深越浅,其建筑物的沉降越大,反之则越小。

通过上述的分析可知,地连墙的成槽过程对周边环境产生一定的影响,根据土层地质条件及施工水平存在一定的差异,其水平位移及沉降影响范围一般为1.5~2.0倍的槽深,最大的沉降值可达 0.05%~0.15%倍的槽深,而最大水平位移一般小于0.07%倍的槽深。

除了地连墙成槽施工对周边土体产生影响外,灌注桩或咬合桩的施工也将对周边地层产生一定的影响。工程实践表明,灌注桩与咬合桩引发的周边土体位移不仅包含竖向沉降,还包含水平方向的位移,其中,沉降影响范围约为 2 倍的桩深,最大沉降值一般为 0.05%桩深;而最大侧移的影响范围约为 1.5 倍的桩深,对应于灌注桩与咬合桩,其最大位移分别可达 0.08%和 0.04%的桩深。

当前的基坑工程施工往往只注重基坑开挖阶段对周边环境的影响,其相应的监测也常常始于开挖阶段,忽视开挖前地连墙施工的影响,这将对周边环境的保护产生不利影响。

通过上述的分析可以看出,基坑开挖前,围护墙的施工等因素将对基坑的变形产生重要的影响,尤其是对于坑外环境保护等级较高的基坑工程,基坑开挖前的变形应给予足够的重视。