考虑邻近结构连续阻隔影响的基坑降水引发地层变形特性研究

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基坑降水是富水地区基坑施工引发周边环境变形的重要因素。近年来,大量学者针对基坑降水环境效应问题开展了研究,他们的研究焦点主要为降水引发的坑外地层固结沉降及其对周边地下结构的影响。可是,对于止水帷幕完全截断坑内外水力联系的基坑工程而言,基坑降水并不会导致坑外土体的固结沉降,而是通过诱发围护结构侧移并由此引发坑外地层运动。显然,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。而截至目前,国内外鲜有关于这一问题的文献报道。为此,本文针对性地研究了考虑邻近既有地下结构阻隔影响的基坑降水引发地层变形特性。本研究依托天津地铁3号线某基坑工程,针对土方开挖前的基坑降水过程,开展了2组几何相似比为50的缩尺模型试验,研究了考虑邻近既有地下结构阻隔影响时基坑开挖前降水引发围护结构及周边地层的变形规律及变形机理;同时,基于工程实测资料分别建立了坑外有/无地下结构的基坑降水三维数值模型,并用实测资料对数值模型进行了验证;在此基础上,利用该模型进一步开展了参数分析以得到不同既有地下结构布置条件下,基坑降水引发的坑外地层变形特性,参数分析中所考虑的主要参数包括:地下结构与基坑间距、地下结构长度、地下结构埋深。本文模型试验和数值计算得到了下列成果:(1)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了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(此变形并非坑外水位下降引起的固结变形,而是围护结构后方地层损失导致的地层变形)。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结果;而地下结构与基坑间距(D)越小、地下结构长度越大(L)、地下结构埋深(Z)越大,开挖前降水引起的围护结构侧移及地面沉降越小;这说明,坑外既有地下结构对其与基坑之间的地层变形具有屏障效应,即,既有地下结构可阻隔这部分土体变形的发展,且这种屏障效应随着地下结构与基坑间距的增大而减弱,随着地下结构长度和地下结构埋深的增大而增强。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(即,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,且这种牵引效应随着地下结构与基坑间距、地下结构长度及地下结构埋深的增大而减弱。(2)通过对所有不同工况的计算结果进行统计分析,探究了围护结构最大侧移(δhm)和地下结构与基坑之间地面最大沉降(δvm)的关系,研究发现不同条件下δvm的变化基本在δvm=0.5δhm到δvm=0.9δhm之间。同时对围护结构最大侧移增量及地面最大沉降增量的相应关系进行了拟合,得出了一个幂函数等式,可以对基坑降水方案的制定提供初步参考。(3)研究表明,开挖前降水使得坑内土体固结,从而导致坑内土体发生指向坑内的水平位移,其埋深10m范围内主动区墙土总压力减小、埋深19m范围内被动区墙土总压力减小及围护结构两侧负摩擦力的不对称是开挖前降水引起围护结构变形的根本原因。而坑外存在地下结构时,其埋深19m范围内被动区的墙土总压力减小量更大,且地下结构与基坑间距越小,其总压力减小量越大。地下结构长度及地下结构埋深越大,其总压力减小量越大。这也是围护结构侧移越小、既有地下结构的屏障效应越显著的根本原因。
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