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岩土研究院

深基坑工程开挖引起土层变形分析与控制

391 2021-04-25 14:09:10

基坑开挖过程中,由于基坑开挖面及侧面的卸荷作用,使得坑底发生隆起变形,支护墙体在两边土压力差作用下产生侧移,同时,在坑底隆起和墙体位移的共同作用下,坑外土体也将发生相应的变形,故基坑开挖变形表现为∶墙体变形、坑底隆起以及基坑周围土体的变形。

本章针对基坑变形特点的特点进行详细介绍,并对基坑变形的机理进行阐述,同时对基坑变形尤其是坑外土体变形的预测方法进行总结。此外,考虑到坑外的土体变形对周边环境有着重要的影响,本章还对基坑周边建筑物的破坏现象、变形机理、破坏判别标准及预防措施等作详细的介绍。

深基坑的施工往往伴随着极强的环境效应,基坑的开挖势必引起周围土体应力场的变化,导致周围地基土体的变形,对邻近建(构)筑物及地下管线产生较大影响,严重时将危及邻近建(构)筑物及地下管线的安全。目前国内的深基坑工程大多处于繁华的城市中心,基坑施工影响范围内往往有较重要的建筑、道路、地下管线、地铁隧道等,坑内土体开挖引起的变形如果过大,将会导致周边建筑物、道路、地下管线等重要设施产生不均匀沉降甚至发生开裂破坏,影响其正常的使用功能,并造成一定的社会影响。

基坑开掺变形主要包括三个部分;墙体变形、基坑底部隆起以及基坑周围土体的变形。研究表明这三个方面是相互联系的,其中又以墙后地表变形对环境的影响最大。

1.坑底隆起变形

基坑开挖时,由于解除了开挖走的土体的自重应力,坑底土体将产生回弹。当坑底土体为黏性土时,开挖还将导致坑底土体产生负孔隙水压力,负孔压的消散进一步导致坑底土体吸水膨胀和软化,使坑底进一步隆起。在较窄的基坑中底部隆起始终为中间大两侧小,基坑较宽时,若开挖深度不大,坑底为弹性降起,隆起形状常表现为中间大两侧小;若开挖深度较大,除了弹性隆起,还将发生显著的塑性隆起,且隆起形状常为中间小两侧大。

基坑底土体隆起是坑底土体原有应力状态因竖向卸荷而改变的结果。在开挖深度不大时,坑底土体在卸荷后发生竖向隆起,当支护结构底部为良好的原状十或注浆加固土时,支护结构在土体作用下也会被抬高,这种隆起基本上不会导致两侧支护结构的侧向变形。随着开挖深度不断增加,坑内外土面高差不断加大,到达一定程度时,将导致基坑底产生塑性隆起,同时在基坑周围产生较大的塑性区,并引起地表沉降。

2.围护结构变形

支护结构的变形和位移一方面表现为墙体的侧向变形,另一方面表现为墙体的竖向位移。对于悬臂支护基坑或有内支撑的基坑,开挖较浅,还未设支撑时,不论是刚性墙体还是柔性墙体,墙体侧向变形均表现为三角形分布,即墙顶位移最大,墙体绕底部以下某—点向坑内倾转。有内支撑基坑加设内支撑后,随着开挖深度增加,墙体侧向变形表现为墙顶位移不变,墙体中部向坑内突出。

墙体的竖向位移在实际工程中危害性较小,所以常被忽视。由干开挖时释放了十体自重应力,墙体一般在土体的带动下有所浮起,这给基坑稳定、地表沉降和墙体自身的稳定带来一定危害,在软土基坑中尤其如此。当采用灌注桩或是地下连续墙支护时,如果支护结构施工时清孔不净,桩底有沉渣,则基坑开挖阶段支护结构也可能下沉。

3.坑外土体位移

基坑开挖时,荷载不平衡导致支护结构产生水平向变形和位移,从而改变基坑外围土体的原始应力状态,引起土体移动。支护结构外侧主动区的土体向坑内移动,使背后土体水平应力减小,剪力增大,出现塑性区;而在开挖面以下的被动区土体向坑内移动,使坑底水平应力加大,导致坑底十体剪应力增大而发生水平向挤压和向 上隆起的位移。

因此,基坑开挖的过程是基坑开挖面上土体卸载的过程,由于卸载而引起坑底土体产生向上为主的位移,同时也引起围护墙在两侧压力差的作用下而产生水平向位移和因此而产生的墙外土体的位移。可以认为,基坑开挖引起周围地层移动的主要原因是坑底土体隆起和围护墙的位移。

当开挖深度较大且土质较弱时,基坑周围土体塑性区范围较大,土体的塑性流动也较大,土体从支护结构外围向坑内和坑底移动,此时支护结构后产生地层移动,这也是坑外土体变形的主要原因。

基坑开挖将引起挡墙后相当范围内土体产生变形,其中以坑外地表沉降为基坑工程对周围环境的主要危害之一。因此,研究地表沉降分布形式、沉降范围及沉降最大值等对研究基坑开挖对周边环境影响具有重要的意义。