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考虑邻近建筑桩基阻隔效应的基坑开挖降水对周边环境影响研究

考虑邻近建筑桩基阻隔效应的基坑开挖降水对周边环境影响研究

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作者：孙海昱湖南科技大学

学位级别：硕士

进入21世纪,快速的城市化导致在拥挤的城市环境中出现了大批深基坑,基坑施工对既有建筑物或设施造成破坏的案例也越来越多。而在多层含水层系统土层中降水往往会引起多个含水层的地下水位下降,共同导致邻近桩基建筑的明显沉降。但在实... 详细信息

进入21世纪,快速的城市化导致在拥挤的城市环境中出现了大批深基坑,基坑施工对既有建筑物或设施造成破坏的案例也越来越多。而在多层含水层系统土层中降水往往会引起多个含水层的地下水位下降,共同导致邻近桩基建筑的明显沉降。但在实际降水施工过程中,桩土相互作用数据难以获得,降水过程中桩与多含水层之间荷载传递行为尚不明确,导致沉降演化预测缺乏理论依据,因而无法研究在该复杂地质条件下基坑施工对邻近建筑的影响。此外,由于基坑施工会对周边环境造成一定影响,那么周边的建筑桩基也会反作用于基坑,从而产生阻隔效应(即,加剧土体沉降和水位降深的阻水效应,以及减小土体沉降的阻土效应),由于各种因素的影响,以阻水或阻土作用为主导在时间与空间上呈现出一定特性。在这种复杂土质含水层情况下进行降水对周边环境产生的影响势必会受到建筑桩基的阻隔效应,实际上阻隔作用是贯穿基坑施工全过程的。因此,也有必要开展在实际工程中可能遇到的不同参数(如,建筑桩基与基坑距离、建筑桩基埋深、基坑宽度、土质参数、开挖深度等)条件下,建筑桩基的阻隔效应发展与转变机制特性研究。为此,本文基于这一实际要求,探究了不同建筑距基坑间距D和建筑桩基深度H等因素对考虑临近建筑桩基阻隔效应的基坑开挖降水对周边环境的影响。并基于此建立并验证了一系列数值模型,探讨了不同降水条件下桩基与多层含水层之间的荷载传递特性,以及基坑开挖降水全过程施工对周边环境的影响和阻隔效应的作用机制。主要得到以下规律:(1)工程原位抽水试验结果表明,与基坑抽水过程中地下水位的快速下降相比,建筑物沉降的发展呈现出明显的滞后性;同时,这种滞后性对于离基坑较远的建筑物来说更为明显;造成这种现象的原因是多含水层系统中多个含水层的出现明显阻断了不同含水层之间的水力联系,导致基坑抽水时不同土层的地下水下降和桩侧摩阻力不同步发展,最终造成建筑物的滞后沉降。在实际的基坑抽水过程中,应适当增加对相邻桩基建筑物变形的监测时间,特别是对那些与基坑有相对较大距离的建筑物,尤其是与基坑距离相对较大的建筑物。(2)基坑开挖降水过程中,在邻近建筑桩基阻隔作用下,由于建筑前侧含水层中地下水向坑内进行补给,而地下水需从建筑后方对其进行补给较慢,因此坑外水位降深较大,此时也因为建筑桩基的阻隔将水位降深沿水平方向曲线分为了前大后小两段。此外,阻隔效应对基坑本身与周边土体变形规律的作用则受到建筑桩基距基坑间距D与建筑桩基深度H的影响。在开挖降水过程中,随着D的增大,建筑前方土体沉降逐渐增大并趋于无建筑桩基情况,阻水、土效应均减弱,但由于受到开挖效应的影响较大,故不论D如何,均主要以阻土效应为主;当D较大时(例如D≥100m)已基本无阻隔作用存在。(3)H的变化会引发建筑桩基阻水或阻土效应在一定范围内(时间和空间上)分别占据主导地位。在开挖降水过程中,当D较小时,随着H的增大建筑桩基阻土效应越强,且此时以阻土为主;而当D较大时,在一定施工时间范围之内,随着H的增大,邻近建筑桩基的阻土效应逐渐减弱,阻水效应占据主导地位,随着基坑开挖的持续进行,阻水效应也逐渐减弱,甚至弱于阻土效应,因此,不论什么条件下(不同D和不同H),基坑开挖降水结束时均表现出以阻土效应为主。(4)基坑开挖降水会引起邻近建筑桩基围挡墙与桩基在一定范围内产生负摩阻力,从而产生附加弯矩,使建筑地下室围挡墙变形出现拐点位置,以及桩基与地下室连接位置受力变形不规则等影响。因此,在密集城市环境中,若该建筑周边已明确规划有大型建筑设施时,应适度考虑放大先建建筑桩基结构设计弯矩与轴力、以及优化桩基与地下室连接位置处的施工工艺,确保建筑结构在后续邻近地下施工过程中的稳定安全,以求提出考虑既有结构阻隔影响的基坑降水开挖引发变形的评估和环境友好型的优化工程施工方法的建议,积极响应国家号召的“双碳”战略。

关键词：多含水层系统基坑开挖降水邻近建筑桩基数值模拟阻隔效应

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