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偏压排水明渠透水地层基坑边坡稳定性研究

发表时间：2021/4/21 来源：《基层建设》2020年第33期作者：刘测

[导读] 摘要：为缓解随城市化推进所带来的日益增长的交通压力，我国的地铁建设近年来得到了大力发展。

        北京市政建设集团有限责任公司北京市 100000
        摘要：为缓解随城市化推进所带来的日益增长的交通压力，我国的地铁建设近年来得到了大力发展。在地铁修建过程中，其车站多以基坑形式进行施作，而城市基坑工程的设计及施工往往受到各种条件制约，包括邻近的建筑结构和复杂的工程地质条件等。随着城市地铁网络的扩张，边坡偏压作为一种典型的地质情况变得越发难以避免。
        关键词：基坑；邻近边坡；稳定性；
        一、偏压强度对于地表沉降影响
        图1为实际工况下（偏压强度＝１）基坑开挖完成后的地层沉降云图（图中基坑右侧为远坡，且不显示结构单元），图中地层隆起为正、沉降为负．由图1中可以看出，地层的隆起区主要分布在坑底及基坑围护墙处，并呈现向基坑外侧衰减的趋势．沉降区主要分布在远坡处地表附近，沉降区形状为凹槽式分布，这与相关的研究结果是相符合的。地层隆起、沉降分布特性一定程度上也验证了本次分析参数及模型边界选取的合理性。本次模拟所分析的５种逐渐升高的偏压情况下，开挖影响范围分别为３７ｍ、３８ｍ、３９ｍ、４１ｍ、４１ｍ．可以发现随邻近边坡高度（偏压强度）的增加，沉降区的影响范围逐渐向基坑外侧扩展。此外，随偏压的加大，地层沉降区范围有向深部土体扩展的趋势，５种偏压情况下，沉降区影响深度分别为９ｍ、１０ｍ、１２ｍ、１３ｍ、１４ｍ．基坑外侧的沉降分布情况对于周边建筑物的变形控制以及基坑工程的施工安全具有重要意义，为定量识别边坡高度对于基坑外侧地表沉降的影响规律，提取了远坡侧的地表沉降数据进行分析．

图1原型基坑周围地层沉降云图（单位：米）
如图2所示，５种偏压条件下，远坡处地表均呈现为凹槽式沉降：基坑围护墙处出现小范围的隆起，之后向坑外处产生逐渐增大的沉降现象，并在距基坑围护墙一定距离处出现最大沉降点．随后地表沉降值逐渐减小直至影响边界。随偏压强度的增大，地表最大沉降值逐渐增大，出现最大沉降点的位置逐渐向基坑外侧移动，从距基坑围护墙７ｍ处逐渐扩至１１ｍ处，这与偏压造成的地应力分布变化有关。结合图1和图2，边坡高度的变化对于远坡处沉降影响程度较小，但对于地表最大沉降值的影响较为明显。

图2远坡处地表沉降影响范围
提取各偏压条件下远坡处的地表最大沉降值进行拟合，拟合结果如图3所示。从结果上看，地表最大沉降值随边坡高度的增加呈指数型增长的趋势，最大沉降值与边坡高度的关系式为：ｙ＝－１．４２＋３．１３ｅ（ｘ＋２１．９）／９７．９．其中相关系数Ｒ２为０.９９８，说明拟合度较高，可反映地表最大沉降的变化趋势。

        图3远坡处地表最大沉降值拟合曲线
        二、偏压强度对于围护桩变形影响
        围护桩作为控制基坑土体变形、保障基坑工程安全的关键结构，其变形行为对于基坑稳定性的控制具有重要意义。５种逐渐升高的偏压环境下基坑近坡桩及远坡桩的变形曲线．不同偏压环境下，近坡桩和远坡桩的变形模式基本相同，呈现一种类“弓形变形”，最大水平变形出现在桩体中部，桩顶及桩底处变形值较小．此种“弓形变形”特征反应出基坑中部围护结构更易于发生水平变形．随着偏压的增大，近坡桩及远坡桩的“弓形变形”特征逐渐向“前倾型”转变，桩顶变形逐渐增大。不同偏压环境下，近坡桩及远坡的桩底的变形值基本不变，但桩顶及桩体中部产生了较大幅度的变形增量．这种现象在近坡处体现得尤为明显。５种逐渐升高的偏压环境下，近坡桩的桩顶变形从－９ｍｍ增加至１５ｍｍ，桩体中部的最大变形量从６ｍｍ增至３７ｍｍ．而远坡桩受边坡偏压的影响，原本向坑内的变形量逐渐减小，并向坑外产生了小幅的变形。偏压变化对于远坡桩的最大水平变形影响不大，而对于近坡桩影响较为明显。为定量获取其最大水平变形与边坡高度之间的关系，选取变形数据进行拟合，随边坡高度的增加，近坡桩最大水平变形值呈指数型增长，两者拟合关系为：ｙ＝－１３．２９＋２０．８ｅ（ｘ－２．７）／４７．６，相关系数Ｒ２为０．９９６，拟合度较高。为分析边坡高度与近坡桩及远坡桩桩顶变形的关系，对两者数据进行公式拟合，近坡桩桩顶变形服从关系式：ｙ＝－４２．８９＋３７．８ｅ（ｘ－８．１）／８６．２，远坡桩服从关系式：ｙ＝－１４５．７４＋６４．７ｅ（ｘ＋２７３．１）／３５６．７．两者的相关系数Ｒ２分别为０．９９９和０．９９６，拟合度较高，可反映桩顶变形与边坡高度的关系。
        三、不同偏压强度下基坑侧向土压分析
        基坑围护桩后土压力的大小和分布对支护结构体系的内力、变形和稳定性验算有着决定性的作用。土压力的大小直接影响基坑及围护桩的变形情况．绘制不同边坡高度环境下基坑围护墙处的土压力分布曲线，近坡及远坡处基坑围护墙侧的土压力均表现为随深度的增加而增大．另外，随边坡高度的增加，各深度处的侧向土压力值均相应增大，这种现象在近坡处更为明显．可以发现，近坡处基坑底部土压力的增长趋势更为明显，且随边坡高度的增加，坑底处更容易发生剪切破坏现象。
        总之，地表沉降范围及最大沉降值均随边坡高度的增加而增大．边坡高度对于远坡处地表最大沉降值的影响较为明显，最大沉降值与边坡高度的拟合关系为：ｙ＝－１．４２＋３．１３ｅ（ｘ＋２１．９）／９７．９．近坡桩桩顶及桩体中部受偏压影响较大，远坡桩在桩顶处出现明显的变形增量．随边坡高度增加，围护桩最大水平变形呈指数型增长。随边坡高度的增加，基坑围护墙处的最大剪应力分布于基坑底部，表明此处易于发生剪切破坏。在实际工程中需重点关注此种现象，加强此位置的监测防控。随边坡高度的增加，近坡及远坡处基坑围护墙处的侧向土压均相应增大，增长趋势在近坡处更为明显。
        参考文献：
        ［１］高利明，地铁车站深基坑邻近浅基础房屋保护措施研究．2019.
        ［２］张祥云，关于偏压排水明渠透水地层基坑边坡稳定性研究.2020.