横隔墙布置方式对开挖前降水引发基坑变形影响规律研究

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近年来,我国城镇化进程不断加快,城市环境中出现大量紧邻既有地下结构的基坑工程,基坑施工引起的环境变形需要严格控制。目前,基坑领域的绝大多数研究均只关注基坑开挖过程的环境影响,并提出各种支护形式(内支撑、桩锚等)以控制基坑开挖引起的变形。然而,基坑施工全过程只有土方开挖引起了变形吗?已有大量工程案例表明,基坑开挖前的降水过程即可引起显著的围护结构及周边地层变形,这意味着传统未考虑开挖前基坑变形的研究恐低估基坑施工的环境效应,更为重要的是,目前尚未有研究提出开挖前降水引起基坑变形的有效控制方法。为此,本文提出在坑内设置与地连墙正交的横隔墙的方法来减小开挖前降水引起的基坑变形。横隔墙与地连墙同步沉入土中,在开挖前降水过程中起到全断面支撑地连墙的作用,在土方开挖过程中,可以随开挖的进行而不断剔除横隔墙,也可结合基坑设计要求将横隔墙作为地下空间的内墙而保留下来。本研究以工程实例为依托,通过室内模型试验与数值模拟,揭示了坑内设置横隔墙对开挖前降水引发基坑变形的控制作用,进一步探究了横隔墙的布置方式对于基坑变形的影响。具体地,在本研究中,笔者首先基于工程实测资料分别开展了三组精细化的室内开挖前降水试验,初步探究了基坑开挖前降水过程中,坑内非贯通式横隔墙对围护结构侧移、坑外地面沉降的影响规律;然后,基于实测资料以及已有的模型试验结果,分别建立了不同横隔墙间距、不同横隔墙宽度、不同横隔墙高度的100余个三维有限元流固耦合数值模型,并通过工程实测数据对有限元模型计算结果进行校核;进一步地,利用这些数值模型计算结果分别探究了不同横隔墙间距、横隔墙宽度、横隔墙高度对开挖前降水引发基坑变形的影响规律,探讨了不同的横隔墙布置方式影响基坑及土体变形的机理。本文的室内模型试验和数值模型计算研究得到了以下结论:(1)基坑内部设置全贯通式的横隔墙(即,横隔墙与两侧地连墙均接触,可用于地铁等窄条形基坑)可以有效控制基坑开挖前降水引发的最大围护结构侧移和坑外最大地面沉降。在一定范围内,由于基坑的空间效应,随着坑内横隔墙间距减小,开挖前降水引起的围护结构侧移和坑外地面沉降逐渐减小。研究表明,横隔墙间距与基坑宽度的比值(d/B)对围护结构侧移、坑外地表沉降的影响作用存在临界值。该临界值与降水深度有关,临界值为d/B=1.5ln Hd,当d/B<1.5ln Hd时,随着横隔墙间距的减小,围护结构侧移与坑外地面沉降迅速减小;当d/B>1.5ln Hd时,横隔墙间距的变化对围护结构侧移及坑外地面沉降几乎没有影响。因而,若基坑变形控制要求极高时(如紧邻既有地铁隧道),可通过设置坑内横隔墙并满足d/B<1.5ln Hd以实现对基坑变形的有效控制。当然,横隔墙间距也不宜过小,应充分结合基坑设计与施工条件、工程预算等实际问题选取合适的间距设置横隔墙。(2)基坑内部设置非贯通式的横隔墙(即,横隔墙仅与一侧地连墙接触,适用于仅基坑一侧有被保护建筑或地下结构时)对于针对性地限制横隔墙位置处的围护结构侧移及该位置坑外地面沉降具有明显影响。横隔墙位置处的侧移及坑外地面沉降随着横隔墙宽度的增加而逐渐减小。研究表明,对于降水深度(Hd)要求不同的工程,非贯通式横隔墙对基坑变形的控制效果不同。如果Hd越大(如,大于20 m,或降水深度达到承压含水层位置),非贯通横隔墙的变形限制效率越低,需要较宽的横隔墙才能体现较好的控制效果,此时,建议横隔墙宽度与基坑宽度比值b/B大于0.75;而对于Hd较小的工程(如,小于10 m,或降水深度未达到承压含水层位置),非贯通横隔墙的变形控制效率相对较高,较短的横隔墙即可达到较大幅度的变形控制效果,此时,对于一般的基坑变形控制要求而言,建议横隔墙宽度与基坑宽度比值b/B介于0.25-0.5即可。(3)合理设计横隔墙高度,可在减少经济成本的同时兼顾基坑变形的控制。研究表明,降水深度以上横隔墙高度(hc1)的变化对横隔墙位置处的地连墙侧移及坑外地面沉降分布具有很大影响,随着hc1的增加,横隔墙位置处地连墙侧移及坑外地面沉降显著减小,因此当坑外建筑物变形要求较高时,增加hc1可以有效控制基坑变形。相反,降水深度以下横隔墙高度(hc2)的变化对横隔墙位置处最大地连墙侧移及坑外地面沉降的控制作用十分有限,但对降水深度下方局部位置的地连墙侧移有一定的限制效果。在具体工程实践中,建议没必要在地连墙全深度范围内设置横隔墙,一般而言(即,被保护对象仅在浅埋位置时),横隔墙底面可设置在降水深度(Hd)处,而横隔墙顶面可设置在1/3Hd-2/3Hd位置处(降水深度越大,横隔墙顶面位置应越接近1/3Hd位置,而降水深度越小,横隔墙顶面位置可越接近2/3Hd位置),因为,在这个范围内设置横隔墙即可起到较好的变形控制作用。但是,由于横隔墙对变形的限制范围有限(主要在横隔墙分布范围内),若横隔墙底面仅设置在降水深度位置处时,降水深度以下的地连墙仍会出现一定的侧移,因此,当降水深度下方有对变形控制要求较高的深埋地下结构时(如紧邻基坑的地铁隧道),可考虑将横隔墙延伸至降水深度以下,但并不需延伸很多,根据本文计算结果发现,横隔墙底面超出降水深度的范围仅需1/3倍降水深度至地连墙底面距离即可有较好的控制降水深度下方地连墙变形的效果。
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