粉砂土地区典型基坑开挖对周边土层位移场的影响

城市建设的快速发展,不可避免的出现大量近接工程,例如在既有运营地铁隧道周边、或既有道路、建筑周边出现基坑开挖工程。基坑开挖对周边环境的影响受到越来越多的关注,基坑开挖卸载对周不同的构筑物产生变形影响,超过相应控制要求,就会对构筑物的正常使用及安全产生不利影响。文中在Plaxis有限元软件平台上,基于土体小应变本构模型(HSS)分析典型类型基坑围护结构变形对周围土层的位移场的数值模拟分析。结果表明,坑外土体变形影响区可简化为规则的几何形状,在围护结构最大变形值相同的情况下,就变形值来说,踢脚变形最大,复合变形和内凸变形次之,悬臂变形最小;就影响范围来说,悬臂变形最大,复合变形和内凸变形次之,踢脚变形最小。     

不同围护结构变形模式对坑外既有隧道变形影响的对比分析

随着越来越多的地铁建成并投入运营,既有地下隧道受邻近基坑施工的影响及控制成为越来越重要的问题。通过建立考虑土体小应变的有限元模型,针对4种典型围护结构变形模式引起的坑外不同位置处隧道变形特点以及位移影响范围进行分析,结果表明:在围护结构最大变形相同而变形模式不同的情况下,坑外既有隧道的变形也会存在较大的差异。根据隧道拱顶拱底的竖向变形特点,可将基坑外不同位置的隧道根据其变形分为沉降区、变形过渡区及隆起区。悬臂型模式对坑外隧道的位移影响范围最小,内凸型与复合型模式影响范围基本相同,分布大于悬臂型,而踢脚型模式下范围最大。在实际工程中除控制围护结构最大变形值外,尚应根据周围环境特点合理控制围护结构变形模式,并尽可能避免出现踢脚模式变形。     

不同围护结构变形模式对坑外深层土体位移场影响的对比分析

对某深基坑开挖全过程中围护桩的水平位移进行了实测,由于水平支撑提供的支撑刚度不同,不同位置处的围护桩可产生不同的水平位移分布模式,且最大水平位移值也存在明显差别。通过建立考虑土体小应变的有限元模型,针对4种典型围护结构变形模式引起的坑外深层土体位移场变化特点进行分析,结果表明：即使围护结构最大水平位移相同,由于侧移分布模式不同,基坑外地表和深层土体的竖向及水平位移场均可存在较大差别,从而可能对环境产生不同程度的影响。围护结构在内凸型和复合型模式下,坑外深层土体竖向变形可分为凹槽形沉降区、三角形过渡区和隆起区,而深层土体水平位移场可分为弓形变形区、变形过渡区以及悬臂形变形区；悬臂型模式下坑外深层土体竖向位移场只存在三角形变形区和隆起区,而水平位移场则全部呈悬臂形；踢脚型模式下的竖向位移和水平位移影响范围均为最大。在实际工程中除控制围护结构最大变形值外,尚应根据周围环境特点合理控制围护结构变形模式,并尽可能避免出现踢脚模式变形。     

基坑开挖引起邻近既有隧道变形的影响区研究

既有隧道会因邻侧基坑开挖卸荷产生变形,对隧道正常使用和安全产生影响,其变形控制至关重要。基于大量工程案例资料,以天津市某邻近既有隧道深基坑实测资料为基础,采用考虑土体小应变刚度特性的有限元方法对基坑施工对坑外既有隧道变形影响规律进行了参数分析,结合不同规范变形控制标准,划分了不同围护结构变形模式和最大水平位移条件下坑外既有隧道变形影响区。研究结果表明,坑外变形影响区大致可简化为直角梯形形状。根据实际工程基坑围护结构可能产生的变形形式、最大变形和隧道与基坑的相对位置,可根据该影响区预估隧道可能产生的变形。围护结构变形模式和变形控制值相同条件下,变形影响区范围随着围护结构最大水平位移增大而增大;围护结构最大水平位移和变形控制值相同条件下,围护结构悬臂型变形模式下变形影响区范围最小,内凸型和复合型次之,踢脚型最大。     

不同围护结构变形形式的基坑开挖对邻近建筑物的影响对比分析

当基坑开挖深度相同,而围护结构及支撑系统的差异将使得围护结构将发生不同形式的变形,坑外土体的位移及邻近建筑物的变形也将存在相应差异。针对不同围护结构变形形式对应的基坑邻近建筑物的变形开展精细化分析,算例结果表明：当围护结构发生踢脚、内凸或复合形式的变形时,紧邻基坑的建筑物将发生显著的下凹挠曲变形,且下凹挠曲程度随沉降槽的近基坑侧土体沉降值增大而减小,尤其是当围护结构发生踢脚和内凸变形时,建筑物的下凹挠曲变形最为显著,并产生显著的墙体拉应变,此时邻近的建筑物是最为不利的;而对于任意变形形式的围护结构,当建筑物距基坑距离约为 1 ～ 1.5 倍开挖深度时,均将产生显著的上凸挠曲变形,所引发的建筑物墙体拉应变亦较为显著,即该位置处的建筑物都将是不利的。     

多工况施工条件下基坑群变形特性分析

多个基坑近邻施工越来越常见,彼此间不同施工工况对变形影响较大。以武汉市地铁青菱站近邻基坑群工程为例,针对不同开挖顺序对基坑群变形影响问题,采用数值模拟的方法对不同基坑围护结构深层位移和基坑周边土体沉降的变形特性进行了分析。研究结果表明：在基坑群开挖过程中,基坑坑间土体沉降叠加效应受坑间距影响较大;不同开挖顺序对基坑外边侧围护结构变形和周边土体沉降影响不大,但对基坑内边侧围护结构变形有一定影响。3个基坑同时开挖基坑内边侧围护结构位移量最大,基坑依次顺序开挖位移量最小,先开挖2个基坑再开挖另一个基坑位移量位于二者之间。相关结论可为基坑群开挖顺序的设计提供参考。     

坑中坑开挖对悬臂式支护结构侧移的影响分析

悬臂式支护结构比内撑式支护结构对变形更为敏感,坑中坑开挖将对悬臂式支护结构侧移产生较大影响。利用有限元计算程序,建立坑中坑有限元模型并作全面数值模拟研究,得到了坑中坑不同开挖位置、深度及大小对围护结构变形的影响规律,并探讨了相应的变形控制措施。结果表明：外坑围护结构最大侧移随坑趾系数的增大而减小,并且坑趾系数存在临界值,最大侧移随着深度比和面积比的增大而增大；围护结构侧移受深度比影响最大,坑趾系数次之,面积比最小；增大内坑围护结构刚度和入土深度对抑制外坑围护结构变形增大的作用不明显,相反,内坑设置支撑能起到显著的作用。     

复杂条件下基坑开挖对周边环境的影响研究

为了研究复杂条件下的基坑开挖对周围环境产生的影响,使用Midas GTS NX有限元软件建立三维数值模型,分析常州历史文化街区一基坑开挖对土体、围护结构及临近地铁隧道的影响。结果表明：基坑开挖存在明显的空间效应,阴角利于基坑稳定;开挖后坑内土体隆起,坑外土体沉降;地铁隧道在竖向主要表现为隆起,水平向主要表现为朝向基坑方向发生位移;隧道竖向位移和水平位移均与基坑范围存在明显对应关系,在基坑范围内的隧道变形最大;隧道整体在竖向表现为收缩变形,水平向表现为扩张变形。     

黏性隔水层基坑突涌机制的离心模型试验

 针对承压水作用下基坑底隔水层为黏性土体的情况,设计突涌离心模型试验,分析不同开挖深度和水位作用下围护墙的弯矩、水平位移与稳定性,观测坑底土体隆起和突涌破坏状态。试验结果表明：随着承压水头的升高或开挖深度的增加,土体隆起变形的曲率变大并在坑底中央逐渐产生裂隙破坏;墙体被动侧土体抗力逐渐减小,围护墙弯矩和水平位移逐渐变大;围护墙后土体内形成竖向裂纹,基坑发生踢脚破坏。考虑土体强度的基坑抗突涌稳定性分析,宜将土体黏聚力折减来反映土体与围护结构接触缺陷、隔水层裂隙发育以及受到地下水软化等不利因素的影响。     

在建城际铁路基坑开挖过程数值模拟研究

为研究城际铁路某车站基坑开挖过程,以MIDAS/GTS有限元软件为基础,建立了某车站基坑开挖三维数字模型,采用修正Mohr-Coulomb模型模拟分层开挖过程,计算并分析了每层开挖对基坑土体和围护结构的影响。结果表明：基坑开挖过程中,会造成基坑周围土体沉降,基坑内底部土体隆起;基坑从第1层开挖至坑底,坑外土体最大沉降为0.21 mm,坑内土体最大隆起为3.99 mm。在基坑开挖至坑底时,围护结构的竖向位移和水平位移都最大,分别为0.13 mm（临近坑底隆起部分的围护）和0.64 mm。     

基坑围护结构侧向变形引起的坑外土体变形研究

基坑围护结构侧向变形引起的土体侧移和沉降,会对坑外桩基的水平和竖向承载性状造成影响。基于影像源法,在综合考虑围护结构变形、地表沉降以及围护结构变形方向对坑外土体位移影响的基础上,对基坑围护结构侧向变形引起的坑外土体侧移和沉降计算方法展开了研究。首先,采用分段法,分别研究了围护结构变形和地表沉降作用下坑外土体侧移及深层沉降;然后,基于叠加原理,针对坑外任意点位置土体侧移和沉降,推导出了适用于不同基坑围护结构变形模式的相关计算公式;最后,将采用本文方法得到的坑外土体侧移及沉降计算结果同实测结果及现有理论方法的计算结果进行对比分析。结果表明,采用本文方法得到的坑外土体侧移及深层沉降与现场实测结果吻合度更高,从而验证了本文方法的可行性。     

基坑开挖对邻近地铁隧道的影响

越来越多的基坑开挖邻近既有地铁线路,这就对基坑支护及既有地铁线路的保护提出了极高的要求。基于天津某邻近既有地铁线路的基坑工程实例,对实测数据进行分析,得到:使用对撑可以减小围护结构变形且对撑的线刚度对其约束变形的能力影响很大;随着基坑开挖的进行,基坑围护结构水平位移逐渐变大,变形模式也由悬臂形逐渐转变为内凸形;基坑开挖会对邻近既有地铁线路产生影响,由基坑开挖引起的隧道结构隆起变化规律受地下连续墙变形模式影响较大。     

上海滨江软土地区深基坑工程变形特性实测分析北大核心

上海某变电站深基坑工程位于滨江软土地区,为了确保工程施工的顺利开展,基坑开挖施工期间进行了全面监测。监测内容包括坑外承压水水位、围护结构侧移、围护结构外侧土体侧移、围护结构顶部竖向位移、立柱回弹以及支撑轴力。监测数据表明:采用早强混凝土可能会引起较大的围护结构侧向位移;围护结构的侧向位移随开挖深度增大而增大,最大侧移深度随开挖深度增大而下移,均处于开挖面的附近;围护结构外侧土体的侧向变形发展规律与围护结构基本一致,且外侧土体的侧移均小于其对应围护结构的侧移;而底板的整体浇筑和地下结构施工对基坑变形有很好的限制作用。     

考虑空间效应的基坑开挖对邻近隧道影响分析

基坑开挖引起的围护结构变形将引起周边土体的卸荷,而土体卸荷将会对邻近隧道附加变形及内力产生不利影响。考虑围护结构变形的空间效应,建立了基于基坑侧壁位移影响的三维土压力卸载计算模型,并借助Mindlin解得到了基坑开挖卸荷在隧道轴线处引起的附加应力。考虑地基土体变形连续性,将隧道视为置于Pasternak地基的Euler-Bernoulli梁,得到了隧道附加变形的受力响应。将基坑开挖引起的附加荷载施加于邻近隧道,得到了考虑空间效应的基坑开挖诱发邻近隧道附加变形的理论计算方法。通过与已有案例的对比分析,验证了本文方法的可靠性。进一步分析了围护墙最大变形、隧道与基坑边距离及地基模量等因素的影响规律,结果表明：围护墙最大变形的增大会进一步增加隧道的变形及内力,而隧道与基坑边距离及地基模量的增加,则会减小隧道的附加变形及内力。     

上海滨江软土地区深基坑工程变形特性实测分析

上海某变电站深基坑工程位于滨江软土地区,为了确保工程施工的顺利开展,基坑开挖施工期间进行了全面监测。监测内容包括坑外承压水水位、围护结构侧移、围护结构外侧土体侧移、围护结构顶部竖向位移、立柱回弹以及支撑轴力。监测数据表明:采用早强混凝土可能会引起较大的围护结构侧向位移;围护结构的侧向位移随开挖深度增大而增大,最大侧移深度随开挖深度增大而下移,均处于开挖面的附近;围护结构外侧土体的侧向变形发展规律与围护结构基本一致,且外侧土体的侧移均小于其对应围护结构的侧移;而底板的整体浇筑和地下结构施工对基坑变形有很好的限制作用。     

基坑围护结构破坏引起邻近土体位移场分析

地下空间开发不断深入,围护结构作为基坑工程的重要组成其安全问题不容小觑,维护结构变形研究具有重要现实意义。建立plaxis2d有限元模型以模拟基坑破坏后对基坑围护结构以及围护结构周边环境影响分析,各道水平内支撑破坏引起邻近水平内支撑轴力增加,邻近内支撑处地下连续墙剪力与弯矩增大,最大值点为基坑底部的水平内支撑;基坑底部水平支撑破坏后对围护结构造成的影响最大。同时底部水平支撑破坏对基坑周围地表与深层土体沉降比其余内支撑破坏影响更加明显。     

悬臂支护中土体加固的影响分析

在软土地区的基坑支护工程中,对于浅基坑常采用在基坑底部加固的方法来减小基坑侧向位移。为了探究坑底加固土体对围护结构的变形和内力影响规律,以弹性支点法为基础建立了悬臂式支护基坑的有限元模型,分析了坑内土体不同加固深度及加固程度对支护结构变形及内力的影响。分析认为,围护结构位移随坑底加固深度增加而逐渐减小,达到一定深度时位移趋于一致,支护结构内力受影响较小;加固程度增大,位移减小,且存在临界加固程度。因此,选择合理的坑内土体的加固深度及程度可以达到安全、经济的目的。     

锚碇深基坑施工过程数值模拟及安全监测研究

以非洲马普托大桥南侧锚碇深基坑项目为依托,运用FLAC~(3D)对深基坑开挖全过程进行了前期分析,预测了基坑围护结构及周边土体的变形规律。根据数值模拟结果,对监测方案进行优化并开展基坑施工阶段安全监测,得到基坑围护结构变形、周边建筑物沉降、周边土体位移等实测数据。将数值计算结果与现场实测数据进行对比和分析,结果表明:FLAC~(3D)计算所得墙体最大变形位置及最大位移值与后期现场实测数据吻合良好,对周边土体沉降最大位置的预测是准确的,表明建模及土体参数取值基本合理,对围护结构整体变形规律及周边土体的位移场规律预分析模拟精度较高。     

基于改进MSD法的基坑开挖动态变形预测

为满足基坑支护体系的安全性和经济性,其设计方法研究具有至关重要的地位。在已有基于塑性变形的土体强度调动法基础上,根据工程实践经验,对基坑体系变形机制进行修正,提出改进MSD法,该方法适用于分析内支撑结合柔性围护结构支护的深大基坑开挖及支护过程的影响。在能量守恒方程中引入内支撑压缩变形能、开挖面以上围护结构弯曲变形能和基坑开挖面埋深的影响,提出变波峰余弦函数曲线形式。将改进MSD法应用于工程实践和模型试验中,与原MSD法和竖向弹性地基梁法相比,得到改进MSD法预测结果与实测结果吻合效果更佳,表明改进方法具有更好的适用性。该研究成果可为基坑支护体系设计提供依据。     

基坑开挖对周边环境影响的三维数值分析

基坑开挖会对邻近既有隧道及土体变形特性产生重要影响。基于Midas GTS420研究基坑开挖对周边土体、支护结构及邻近双向水平隧道的变形特性影响。数值模拟结果表明:周边土体沉降主要发生在开挖基坑长边中部及拐角部位,最大沉降位置位于围护结构外约1/3基坑宽度处;围护结构的最大水平位移位于基坑长短边拐角处,当基坑开挖深度接近于临界深度时,水平位移迅速增大;隧道的横向位移存在一个临界埋置深度,其深度约9m。