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型钢-水泥土结构的变形机理分析

299 2021-07-23 15:39:24

在基坑工程中,变形是一种衡量基坑稳定性的重要指标。基坑的变形主要包括基坑边坡、基坑坑底、围护结构和支护结构的变形。在基坑开挖施工过程中,当变形量较大时,基坑会出现明显的破坏,轻则开裂,重则垮塌。此外,基坑变形还对基坑周边环境产生不良影响,特别是在城市基坑开挖中,基坑周边往往修建重要道路、建筑(构)物和地下管道线路等设施,基坑变形将影响这些设施的使用性能,严重时甚至威胁其安全。因此,在基坑施工过程中,基坑的变形必须得到严格控制。

控制基坑变形的重要措施之一是控制基坑围护结构的变形。SMW 工法桩支护结构是我国目前广为采用的一类基坑围护结构,因此对其变形机理和分析方法必须进行深入研究。在国内外,对于 SMW 工法桩的变形研究已有一些成果,提出的分析方法主要有地层损失法、估算法和有限单元法。有限单元法需要大量的计算数据,在实际工程中难以得到推广应用。结合地层损失法与估算法,有些学者提出了时空效应理论。这种方法已逐渐受到工程技术人员的重视。

基于新奥法理论,时空效应法强调了时间与空间对于基坑变形的影响。在基坑开挖过程中,强调分层、对称、均匀、有序的开挖,尽量减少开挖后无支护状态下岩土暴露在空气中,合理利用土体在开挖过程中基坑自身出现的应力位移变化情况,达到控制基坑地层变形的目的。(1)基坑工程的空间变形效应理论。

基坑变形主要突出地体现在地表沉降、基坑的水平位移与坑底的隆起。 Clough 等发现,随着抗隆起安全系数 Fs的增加,地表沉降、基坑水平位移与坑底的隆起等均相应地减小。

Skempton 在相关的实验、工程与理论的基础上,提出了抗隆起安全系数公式;

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由 Skempton 提出的公式可以看出,在沿基坑长度方向采用分段开挖施工,当分段开挖的长度不超过基坑宽度时,基坑的抗隆起系数有一定程度的增大,从而能减少基坑的变形。

在基坑开挖过程中,采用分层、分段、均匀开挖方式,并及时进行支护,这样不但能减小施工前期墙体的变形,而且还能减小施工后期基坑坑底的隆起量,能有效地控制变形,工程实践和理论分析表明,基坑开挖按照 3~4m 划分一层、 3~5m 划分一段施工时,可以很好地发挥土体的空间变形效应,有效地控制基坑支护结构和坑底土体的变形。

(2)基坑工程的时间效应理论

岩土体是一类具有流变性质的介质,在一定的应力作用下将发生蠕变变形。因此,开挖形成的基坑边坡,既使在开挖作业停顿期间,也会随着时间的推移而缓慢地发生变形。在软土地基中开挖基坑,这种随时间而发展的变形尤为明显。当基坑开挖至一定深度,边坡坡体受到较高的应力作用时,土体将会由微小的蠕变快速发展到蠕变破坏。大量工程实践经验表明,在开挖之后8小时内,完成相关的支护措施可将基坑的变形控制在合理的范围内。