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特殊形状基坑的稳定问题

359 2021-04-26 14:58:13

根据工程性质不同和建筑物形状的需要,一般基坑的形状有长条形(长度方向远远大于宽度)、矩形、圆形及其他一些不规则形状。长条形基坑多见于明挖隧道、沟渠等工程中,矩形基坑在建筑工程基坑中最为常见,另外,由于建筑物形状或场地限制,圆形基坑和其他一些不规则形状的基坑也非常之多。在基坑的稳定性分析研究中,—般将基垃作为平面问题来考虑,这在无形的就把基坑认为是长度方向远远大于宽度方向的长条形基坑。因此,如果以这个观点,长条形的基坑就可以认为是普通形状的基坑,那么其他形状,矩形、圆形和其他不规则形状都可以称为特殊形状基坑。

传统的稳定分析方法和二维的有限元(有限差分)法大都无法考虑这些平面形状所引起的空间效应,但也有例外,比如,坑底抗隆起稳定分析方法中的 Bierrum 和 Eide 方法就可以考虑矩形不同长宽比和圆形时基坑抗隆起稳定安全系数的差异,Terzaghi 方法也引入了经验修正系数来考虑基坑平面长宽比对基坑稳定的影响。在矩形基坑中,空间效应通常对变形和稳定是有利的,由于基坑角部两侧壁的互相约束作用,基坑的角部变形较小,稳定安全性也较高。圆形基坑的空间效应更明显,稳定性比矩形基坑还要高。这些有利因素,我们可以在计算分析时作为安全储备而不去考虑,这样基坑是偏于安全的。但是,还有一些特殊形状的基坑的空间效应是有害的,例如外凸形的基坑侧壁,基坑内部的阳角等。例如图 5-121,对于5-121(a)图中的凹形的内拱墙,由于土压力的作用,将在

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支护结构内部产生压力,支护结构的抗压性能普遍很好,并且即使支护结构中存在薄弱的连接环节,例如地连墙的接缝等,也会由于此种压力作用而使接缝更加紧密,因此,这种拱效应对于变形和稳定都极为有利。但是,对于图 5-121(b)下部的凸形的外拱墙,由于土压力作用,将在支护结构内部产生拉力,这对于各种支护结构都是不利的。例如,排桩支护结构为一根根独立的桩,无法抗拉,由干拉力作用,距增大,坑外十体会流向坑内;土钉墙支护的喷射混凝土面层抗拉强度很低,在拉力作用下很容易破坏;地连墙虽然具有一定的抗拉能力,但其接缝部位会因受拉产生破坏而形成薄弱环节;另外,搅拌桩止水帷幕也会在这种拉力作用下产生拉裂缝而产生渗水、流砂等情况。这些现象都会对施T造成很大障碍,对基坑安全构成威胁,严重时就会导致基坑的失稳破坏。

如图 5-122 所示,即为一形状比较复杂的基坑,坑内不但有直角阴角,也有大角度阴角和直角阳角。对于此种形状特殊的基坑,如果需要内支撑结构,支撑的布置会很棘手,布置不当就会导致基坑的安全隐患。例如图 5-122 中的直角阳角,其与前述外凸形的基坑类似,在此角部发生破坏的可能性较大,尤其在无内支撑的情况下。图 5-122(b)为此基坑的一种支撑布置形式,在图中所示大角度的阴角处,内支撑需要谨慎处理。可以看到,此处,支撑与基坑侧壁的角度很大,这样就会有几个问题,首先,支撑与挡土结构较难连接,其次,支撑轴力要远大于挡土结构所需的垂直于基坑侧壁的力,导致支撑轴力过大。因此,大角度阴角处此种支撑方式易导致支撑破坏而使基坑失稳。如果确需这样布置支撑,可以不采用杆型的支撑,取而代之,采用平面实体的支撑,增加其的刚度、强度,并做好支撑与侧壁的连接,如图 5-122 (b)中的阴影部分。

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下面举两个特殊形状基坑产生失稳破坏的实例。第一个即为前面介绍过的著名的新加坡Nicoll 大道地铁基坑事故如图 5-123 所示,基坑南侧壁为外凸形,此侧面十压力将在挡十结构中产生拉力,而此基坑地下连续墙又为分段施工修建的,各段之间仅采用了较弱的连接器,并目基坑既没有设置加强的纵向冠梁,又没有使各层水平支撑的腰梁形成连续的有效约束,所以,支护结构几乎不能承担土压力产生的这种纵向拉力。在基坑破坏前,地面位移计监测的南墙的最大地面位移大于北墙,在北墙的地连墙接缝处主要是压力变形,变形较小,而沿着南墙,连接器主要是拉力变形,且变形很大,为 1.5~2.5mm。这些都说明空间效应很大,导致南墙处于危险状态。在破坏时,南墙接点脱落,各段连续墙分散的散落在坑中,如图 5-124 所示。

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第二个例子为北京某基坑(图5-125)。此基坑为复合土钉墙支护,在基坑内部的一个阳角部位发生了基坑倒塌破坏,图 5- 126 显示了整个倒塌过程。在此处基坑倒塌前,旁边曾发生了管路漏水事故,此情况也是导致基坑倒塌的一个诱因。由图5-126 可见,开始时,阳角其中—侧支护结构发生了部分破坏,若此处不是一个阳角,那么基坑就可能不会继续破坏。然而由于阳角处的拉力作用,另一侧产生了拉裂缝,裂缝不断加大开展,最终使整个角部倒塌。

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以上两个工程实例增加了我们对特殊形状基坑危险性的认识。虽然,在以上事故中,空间效应并不是引起事故的唯一原因,但不可否认,空间效应在导致基坑失稳的因素中占有相当大的比重。因此在遇到上述阳角、外凸形基坑侧壁等形式的基坑时,一定要采取适当的预防措施,例如提前加固、设置合理支撑、增加支护结构的水平纵向连接刚度强度等,并且需要在施工时控制危险区域的超载、地下水和地表水等可能诱发基坑失稳的因素,只有这样,才能保证基坑的安全,避免产生重大的事故。

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