不同施工条件下基坑预降水对地连墙侧移影响研究

已有工程实测表明,基坑开挖前的预降水可引起围护结构和周边环境厘米级的变形,但相关的研究报道还是偏少,基坑预降水引起的基坑变形性状仍未被全面揭示。采用ABAQUS建立考虑降水井瞬态降水的二维流固耦合有限元模型,研究了基坑宽度和预降水深度对预降水引发变形的影响。研究表明,预降水引发的最大地连墙侧移及地连墙侧移沿深度发展范围随着基坑宽度、降水深度的增加而增大,并且存在临界基坑宽度使得在临界宽度范围内,最大地连墙侧移及地连墙侧移深度范围随基坑宽度的增加而快速增加,而超过临界宽度后,基坑宽度对地连墙侧移的影响会明显减弱;同时存在临界降水深度,使得在其范围内,最大地连墙侧移随预降水深度的增加而变化缓慢,而超过临界降水深度后,降水深度的增大将引起最大地连墙侧移发生较大幅度的增长。     

基坑开挖前潜水降水引起的地下连续墙侧移研究

在天津地铁3号线某车站基坑工程开展了现场潜水预降水试验与测试,发现基坑开挖前的潜水预降水即可引起可观的地下连续墙向坑内的位移,进而引起坑外地面及建（构）筑物沉降;并对比了预降水前在地下连续墙墙顶设置水平支撑与否及分段降水时对应的地连墙侧移模式及大小,发现降水前提前在墙顶设置水平支撑能够大幅度减小预降水过程中地连墙墙顶侧移,并使得墙体侧移模式由悬臂型转化为内凸型。对试验依托的实际工程,结合有限元软件ABAQUS建立考虑降水井瞬态降水的三维流固耦合模型,研究了基坑开挖前潜水降水过程地连墙侧移机理。研究表明,基坑开挖前潜水降水导致坑内土体在土体自重和墙体侧压力作用下发生三向固结,从而导致墙体发生侧向位移,同时坑内外墙、土压力发生重分布。基坑提前设置第一道水平支撑再降水、结合信息化施工分层分段降水等均可有效减小基坑开挖前潜水降水引起的变形。     

含水层越流情况下基坑降水引发变形机理及控制措施

在天津等沿海地区，地层中通常分布有多个承压含水层，由于隔水层厚度不均匀，且常包含粉土、粉砂透镜体，各含水层间存在水力联系的现象较普遍。天津某地铁车站基坑开挖前的降水试验中，基坑外水位发生大幅下降，实测地连墙侧移与坑外地表沉降分别达到允许变形的29.0%和73.5%。基于此案例，采用三维有限元对含水层越流情况下基坑降水引发的变形机理、规律和影响区进行研究，并对降水引发坑外沉降的控制措施进行了对比研究。结果表明，含水层越流导致基坑内外存在水力联系时，坑内降水引发的坑外沉降由支护结构侧移和水位下降共同导致，沉降区根据诱发机理可分为两部分，距基坑2倍降水深度以内为支护结构侧移和水位下降复合影响区，以外为水位下降影响区。降水井底部弱透水层高渗透性引发越流将增大坑内水位降深，从而增大地连墙变形及其引发的坑外沉降。地连墙墙趾处弱透水层高渗透性引发越流将增大基坑内外水力联系及坑外沉降，但会减小地连墙变形。对于含水层越流风险高的地层，疏干降水建议采用“深浅井”方案以更好地实现按需降水和基坑变形控制；回灌和加深止水帷幕截断基坑内外水力联系均可较好控制坑外水位下降，但切断水力联系会导致支护结构侧移增大，对于...     

坑内降水基坑底不同位置土体变形性状的室内试验研究

在分析坑内降水的基坑开挖中坑底土体的应力变化的基础上,对基坑降水与开挖交替作用下坑内不同位置土体的变形性状进行研究,并与仅考虑基坑开挖作用下土体的变形性状进行比较。试验结果表明,分步降水、开挖交替作用下坑底不同位置土体的变形性状相对于仅考虑开挖时均显著改善,其初始卸荷变形模量均明显提高。对于坑底不同位置的土体,降水均能显著减小基坑回弹总量。但由于降水使每开挖步土单元释放的应力加大,分层每开挖步基坑的回弹变形比没有考虑降水时的回弹变形大。模拟靠近地连墙附近土单元应力路径的试验结果表明,降水开挖交替作用下地连墙附近土单元其开挖步的回弹变形明显大于基坑中心的土单元,并且可能导致考虑降水条件下基坑边部土体单元总的回弹变形大于没有降水时的总回弹变形。最后,坑内降水对基坑内土体变形性状、坑底回弹的影响与降水时间、降水深度、土层渗透系数等密切相关。对地下水位以下的超深开挖,应考虑大深度降水对坑内土体力学性状及回弹变形的影响。     

降水井错位布置对基坑预降水引发围护结构侧移的影响

基坑开挖前预降水是富水地层中深基坑施工的一项重要施工步骤,其引起的围护结构及周边地层变形可以达到cm级。然而,传统基坑设计理论与相关研究未提出基坑预降水引发基坑变形的控制方法。本文提出了一种降水井错位布置的方法用于控制预降水引起的围护结构变形,指出可使距离围护结构越近的降水井相对越深、相邻降水井间距相对越小。数值计算结果表明,这种方法相对于常规抽水方式(等间距等长布置降水井,同时或随意开启)而言,可以改变预降水过程中坑内渗流场分布,使得在围护结构附近出现指向围护结构的渗流迹线,从而限制了预降水过程中背离围护结构的坑内土体水平位移的发展,最终起到减小围护结构侧移的作用。若合理地对降水井进行错位布置,可较大程度限制基坑预降水引发围护结构的侧移。     

某超大深基坑工程围护墙变形实测与分析

某深大基坑工程采用主楼顺作、裙房逆作的总体施工方案。基于实测数据,对裙房逆作深大基坑工程的围护墙变形性状及影响因素作了深入分析。分析结果表明:首层开挖时,在东、北两侧基坑盆边预留土堤尺寸较大的条件下,盆中土方开挖所引起的墙体侧移也较为可观;围护墙平均最大侧移与开挖深度的比值为0.262%;各阶段围护墙侧移增量最大值发生位置的深度与开挖面之下的土层硬度相关,当开挖深度达15.7 m以后,因开挖面之下的土层变硬,侧移增量最大值发生的位置都在开挖面之上;基坑边角附近存在显著的空间效应,且基坑的角部空间效应随基坑角部的角度增大而减小,当基坑角部角度达110°时,基坑角部的空间效应不明显;在一定的开挖深度条件下,墙体侧移随开挖深度的增加而增大,但当开挖宽度达到一定值后,墙体侧移将不随开挖宽度的增加而增大;施工场地大门出入口处的墙体侧移受车辆动载的影响较大。     

偏压作用下坑底土体加固对围护墙变形特性的影响研究

依托杭州文一西路提升改造工程中的典型匝道基坑工程,采用有限元方法,针对偏压作用对基坑地连墙变形性状的影响,分析了不同偏压条件下坑底土体加固对地连墙变形的控制效果。结果表明：随着偏压荷载大小或偏压荷载宽度的增加,偏压侧、非偏压侧地连墙分别向坑内、坑外偏移,而偏压荷载位置仅影响地连墙整体扭转变形趋势;坑底土体加固对地连墙的变形控制效果明显,在不同偏压条件下,随着加固深度增加,两侧地连墙分别体现为向坑外、坑内的偏移趋势,最大侧向位移绝对值逐渐减小进而趋于恒定;当偏压荷载距基坑较远时或偏压荷载宽度较大时,非偏压侧地连墙最大侧向位移绝对值则呈现先减小后增大的趋势,说明坑底土体加固不仅能够有效减小地连墙最大侧移量,还能显著扭转其逆时针变形趋势。     

桩-锚支护深基坑开挖的有限元分析

为研究深基坑开挖对基坑及周围土体的位移影响,采用有限元软件ABAQUS模拟基坑开挖过程,对基坑内部、支护结构及临近土体位移进行研究。研究表明开挖初期,基坑后侧土体沉降最大处位于开挖深度1～2倍距离范围;开挖深度增大,基坑后侧土体沉降出现两个极值,分别发生锚杆自由段与锚杆尾部处;开挖深度较大时,在靠近支护桩位置出现大于基坑中心位置隆起量的凸起。支护结构最大侧移点位于坑底以上2～3m处。增加锚杆预应力或支护结构刚度,结构最大侧移、支护桩附近回弹凸起、坑后锚杆自由段处沉降量均减小,刚度增加前期的侧移控制效果更为显著。增加锚杆预应力,支护结构最大侧移点下降至坑底以下,排桩变形由"大肚子"状逐渐变为"S"形。     

深基坑桩锚支护体系位移数值分析

利用大型有限元分析软件ADINA,考虑土的非线性和基坑分步开挖原则,以郑州楷林大厦深基坑为例,按照实际基坑开挖与支护的施工步骤,建立三维有限元模型进行数值分析,得到支护结构与土体随基坑开挖过程的变形规律及影响因素:支护桩水平位移最大点在基坑中上部,预应力锚杆对限制基坑壁的侧移起着至关重要的作用;基坑支护桩后主动区域受扰动最大的土层在桩体深度以下,支护结构入土深度加大,可有效控制土体向坑内流动;基坑外侧地表沉降呈现抛物线形状,在距离支护结构约1.5倍开挖深度处出现沉降最大值。     

复杂环境下地铁深基坑变形行为的实测研究

本文通过对上海软土地区开挖深度为15.5m的多支撑基坑的现场实测,发现与世界范围其它工程实例相比,本基坑的墙体侧移和地表沉降是非常小,空间效应不明显,其原因是基于时空效应的分层分小块的快挖快撑、坑内注浆加固以及积极的支撑预加轴力等措施的应用。同时通过土体体积的变化量和平方根时间方法分析在中板养护期间的土体随时间变形,指出在开挖期间基坑变形不仅仅与土蠕变相关,土体的固结也对变形产生了相当的影响。     

天津市承压含水层条件下地下连续墙深度优化

对天津地区多个建筑基坑及地铁基坑观测发现,长时间大深度降水时,在较大的深度范围的土层内都存在越流现象,并且出现较大的地表沉降。基于对天津市市区各处基坑勘察报告的对比分析,利用天津市区典型工程地质条件,采用考虑降水井瞬态降水的三维有限差分数值模型进一步研究,根据突涌计算得到基坑底部水位降深,对不同地连墙深度条件下的5~25 m深基坑进行减压降水,得到渗流场结果后采用分层总和法计算基坑周边变形场。计算结果表明,降水开始后3~10 d内,水位趋于稳定,基坑外沉降在10~20 d发展较快;并且随着地连墙入土深度的增加,基坑外沉降减少;基于计算结果,提出针对不同环境安全等级条件下的地下连续墙深度优化方案。     

Influence of deep excavation induced ground movements on adjacent piles

In urban areas, excavations for cut-and-cover tunnels and basement construction cause detrimental effects on adjacent existing piles. Hence quantifying the excavation induced lateral deformations and bending moments on piles are important to ensure the stability of structures. In this paper, behaviour of a single pile subjected to excavation induced ground movements is analysed using the finite element method, which has the ability to simulate the construction sequence comprising soil excavation, deformations due to dewatering within the excavation and installation of struts. A fully coupled analysis is carried out based on the effective stress principle. The numerical model was verified using the centrifuge test data found in the literature. A parametric study was carried out to establish the excavation induced pile behaviour varying the depth of the excavation, soil properties, wall support system, pile fixity conditions and pile location with respect to the excavation. Increasing axial load does not have a significant influence on the pile behaviour. However, pile head fixity condition, and stiffness and spacing of the wall support system have a significant influence on the pile behaviour adjacent to the excavation. Finally, based on the parametric study, a set of design charts are developed to predict the pile behaviour by taking into account the depth of excavation, undrained shear strength, width of the pile, spring stiffness, spacing of vertical supports, and unsupported depth of the excavation. The capability of the proposed design charts are demonstrated using a three-dimensional finite element analysis, a case study from the literature and a previously published simplified analysis procedure.     

基坑开挖引起的地面沉降估算

基于4种不同的围护结构基本变形模式,对上海地区典型土层分布状况进行了多种工况下的基坑开挖数值模拟计算。计算结果发现,在4种不同的围护结构基本变形模式下,墙后最大沉降量和基坑围护结构最大侧向位移之间呈线性关系,墙后的地面沉降曲线呈明显的正态函数分布,并可拟合得到其正态函数曲线表达式。在此基础上,提出了基于围护结构变形模式的地面沉降估算方法。工程实例验证表明,该方法具有一定的实用性和可靠性,不失为一种方便实用的估算基坑开挖引起墙后地面沉降的方法。     

基坑降水对坑底土体回弹影响的试验研究

采用逆作法时,深基坑开挖引起的坑底隆起对于地下工程结构会产生显著影响。目前对于深基坑的回弹量计算,都是以基坑开挖卸荷为基本应力路径获取变形模量,并未考虑降水的影响。软土地区深基坑的开挖,特别是深度达20～30 m甚至更深的超深基坑工程,均要涉及到大幅度降低坑内地下水位的问题。应用三轴试验对基坑工程开挖与降水交替作用下开挖区土体的强度与变形性状进行模拟,并与仅考虑基坑开挖作用下被动区土体的强度与变形性状进行比较。结果表明:对超深基坑,降水作用可改善土体的力学性状;大深度降水对基坑总的回弹量有较大影响,能显著减小回弹总量。基于降水对基坑被动区土体强度及变形性状的显著影响,在深基坑工程设计中应考虑实际的应力路径,即进行考虑降水与开挖综合影响的分析。     

Influence of groundwater drawdown on excavation responses – A case history in Bukit Timah granitic residual soils

Performances of a braced cut-and-cover excavation system for mass rapid transit (MRT) stations of the Downtown Line Stage 2 in Singapore are presented. The excavation was carried out in the Bukit Timah granitic (BTG) residual soils and characterized by significant groundwater drawdown, due to dewatering work in complex site conditions, insufficient effective waterproof measures and more permeable soils. A two-dimensional numerical model was developed for back analysis of retaining wall movement and ground surface settlement. Comparisons of these measured excavation responses with the calculated performances were carried out, upon which the numerical simulation procedures were calibrated. In addition, the influences of groundwater drawdown on the wall deflection and ground surface settlement were numerically investigated and summarized. The performances were also compared with some commonly used empirical charts, and the results indicated that these charts are less applicable for cases with significant groundwater drawdowns. It is expected that these general behaviors will provide useful references and insights for future projects involving excavation in BTG residual soils under significant groundwater drawdowns.     

Estimating wall deflections in deep excavations using Bayesian neural networks

In this study, a neural network algorithm has been used to model the soil-structure interaction behavior of deep excavations in clays. The hybrid evolutionary Bayesian back-propagation (EBBP) neural network was used in this study and utilizes the genetic algorithms and gradient descent method to determine the optimal parameters within a Bayesian framework to regularize the complexity of learning and to statistically reflect the uncertainty in data. The EBBP analysis was carried out on an extensive database of braced excavation performance from finite element analyses. Additional parametric studies indicate that the model gives logical and consistent trends. Back-analyses of some instrumented case histories from the literature also indicate that the trained neural network model gives reasonable predictions in comparison to the actual measured values. The trained model can serve as a simple and reliable prediction tool to enable estimates of maximum wall deflection for preliminary design of braced excavations in clay. The model is able to take into consideration various factors such as the wall stiffness, support stiffness, the in-situ stress state, non-homogeneous soil conditions, and the variation of soil properties with depth. An added advantage of this approach is that it provides meaningful error bars for the model predictions.     

苏州地区大尺度深基坑变形性状实测分析

以苏州广播电视总台现代传媒广场大尺度深基坑(面积为33500 m2)为工程背景,并收集了该地区11个采用钻孔灌注桩围护、顺作法施工的方形基坑(长宽比1.01~2.68)及至少23个采用地下连续墙围护的长条形地铁车站基坑的实测数据,全面地对比分析了苏州地区采用不同挡土结构、不同形状的大尺度深基坑的变形性状。研究结果表明:1方形基坑连续墙最大侧移值(δhm)平均值为0.08%He;地铁车站基坑连续墙δhm平均值为0.20%He;2方形基坑和地铁车站基坑的围护结构最大侧移点埋深(Hm)分别落于(He-10,He+5)和(He-7,He+8)范围内。采用混凝土支撑的基坑的Hm稍小于采用钢支撑的基坑的Hm;3同样采用地下连续墙围护的本工程方形基坑和长条形地铁车站基坑的墙后地表沉降最大值(δvm)的范围分别为(0.01%~0.09%)He和(0.04%~0.27%)He。地铁车站基坑墙后地表沉降影响范围约为4.5He,大于方形基坑墙后地表沉降的影响范围;4本工程方形基坑和地铁车站基坑δvm/δhm的范围分别为0.13~1.07和0.22~1.65;5方形基坑和地铁车站基坑的立柱隆起值(δcu)分别为(0.07%~0.26%)He和(0.10%~0.23%)He;6大尺度方形基坑和地铁车站基坑表观土压力包络线峰值分别为0.80γHe和0.87γHe,皆出现在开挖面以下(0.21~0.64)He处。采用Terzaghi和Peck及日本土木学会建议的土压力分布模式会显著低估该地区大尺度深基坑表观土压力峰值。     

Influence of groundwater drawdown on excavation responses e A case history in Bukit Timah granitic residual soils

Performances of a braced cut-and-cover excavation system for mass rapid transit(MRT) stations of the Downtown Line Stage 2 in Singapore are presented. The excavation was carried out in the Bukit Timah granitic(BTG) residual soils and characterized by significant groundwater drawdown, due to dewatering work in complex site conditions, insufficient effective waterproof measures and more permeable soils. A two-dimensional numerical model was developed for back analysis of retaining wall movement and ground surface settlement. Comparisons of these measured excavation responses with the calculated performances were carried out, upon which the numerical simulation procedures were calibrated. In addition, the influences of groundwater drawdown on the wall deflection and ground surface settlement were numerically investigated and summarized. The performances were also compared with some commonly used empirical charts, and the results indicated that these charts are less applicable for cases with significant groundwater drawdowns. It is expected that these general behaviors will provide useful references and insights for future projects involving excavation in BTG residual soils under significant groundwater drawdowns.     

邻近地层损失对地下挡土结构土压力与地表沉降影响试验研究

城市浅层空间隧道往往从一侧或两侧地下挡土结构物之间穿过,多数情况下会引起地层损失。目前城市地下开挖引起塌陷事故呈现逐年增多的趋势,当地层损失产生后,周边已建或在建基坑挡土结构的土压力和地层沉降发展规律是决定是否需要进行加固或处理的依据。为了获取地层损失的扰动影响规律,开发了模型试验装置与钢棒相似土技术,采用活动门下沉模拟地下开挖引起的地层损失,采用挡墙平移模拟基坑开挖。分别考虑活动门深度与宽度比、活动门位置深度与距离比、活动门位置深度与侧限宽度比,开展了15组二维模型试验。利用挡土板上的18块悬臂式载荷计测得挡土结构土压力,采用粒子图像测速技术获取表面沉降曲线。结果表明:地层损失会使邻近基坑挡墙上部土压力增加,下部土压力减小;地层损失发生后,邻近的新建基坑如继续进行开挖施工,由于土体受到了充分的扰动,挡土结构底部不会出现土压力减小的箱槽效应,挡墙平移达到主动极限状态时的土压力分布与库仑主动土压力较为吻合;邻近地下开挖引起地层损失与挡墙平移的叠加效应影响下,地表沉降最大值和曲线曲率随活动门宽度增加而增加,随活动门距离和侧限宽度减小而增加。由于采用钢棒相似土,所获得的研究成果主要反映砂土地层的土压力与变形特性。     

上海地区板式支护体系基坑变形预测简化计算方法

基坑变形预测是分析基坑开挖对环境影响的核心内容之一。收集了上海地区65个常见的板式支护体系基坑工程案例,并对其进行了分类。对不同类型的板式支护体系基坑建立不同的基于土体HS-Small模型的平面应变有限元模型进行分析。根据室内土工试验结果与基于实测数据的参数反演分析,确定了上海软土地区典型土层土体的HS-Small模型计算参数。通过对108个有限元计算结果的分析及归一化,推导了能够综合考虑基坑系统刚度、基坑深度和基坑宽度的上海地区板式支护体系基坑围护结构最大侧移和地表最大沉降的简化计算公式,并且提出了基坑围护结构侧移曲线和地表沉降曲线,同时也给出了上海地区板式支护体系基坑变形的预测流程。采用本文给出的简化方法预测了上海地区的7个工程的变形并与实测结果进行了比较,结果表明该方法能较好地预测上海地区的板式支护体系基坑的变形。