地下工程開挖環(huán)境影響分析方法

地下工程開挖環(huán)境影響分析方法梁發(fā)云黃茂松同濟大學(xué)2021-07-20第十二屆全國土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)大會上海匯報提綱研討背景一土體自在位移場確定二建筑物變形承載才干確定三位移控制兩階段分析方法四基于建筑物承載才干的變形控制規(guī)范五結(jié)論與建議六一、研討背景研討背景被動樁環(huán)境影響土層挪動地下工程開挖對周邊既有建〔構(gòu)〕筑物的維護設(shè)計和施工從穩(wěn)定控制向變形控制的轉(zhuǎn)變地下工程開挖土層位移場周邊構(gòu)造物呼應(yīng)地下工程開挖對臨近建筑物變形及環(huán)境影響分析地下工程開挖引起的土體位移場因土層條件、圍護構(gòu)造方式、施工過程等不同而各有差別建〔構(gòu)〕筑物本身抵抗變形的接受才干有所差別存在問題：難以給出一致的基坑變形控制規(guī)范研討背景處于土體位移場影響范圍的建〔構(gòu)〕筑物附加變形分析涉及復(fù)雜的構(gòu)造物與土體的相互作用現(xiàn)行上海基坑工程技術(shù)規(guī)范：基坑變形設(shè)計控制目的基坑環(huán)境保護等級圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移坑外地表最大沉降一級0.18%H0.15%H二級0.3%H0.25%H三級0.7%H0.55%HH為基坑開挖深度〔m〕缺乏之處：沒有充分思索基坑周邊環(huán)境〔維護對象〕本身抵抗附加變形的才干環(huán)境維護等級定義規(guī)范模糊，對維護對象類型、基坑開挖間隔等確定較為粗略。研討背景研討思緒開挖深度圍護構(gòu)造最大側(cè)向變形構(gòu)造物抵抗附加變形的才干判別根據(jù)最終控制位移規(guī)范地下工程開挖自在土體位移場周邊構(gòu)造物呼應(yīng)需處理的關(guān)鍵問題：〔1〕建立自在土體位移場的閱歷預(yù)測曲線〔2〕基于位移控制的分析方法〔DCM〕位移控制分析方法〔DCM〕直接從變形控制規(guī)范的角度，對周邊構(gòu)造物的維護轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂苹訃o構(gòu)造的變形，建立基坑開挖深度與周邊環(huán)境變形之間聯(lián)絡(luò)，防止了復(fù)雜的開挖過程模擬。優(yōu)點和特點提出基于維護對象變形才干的分析方法，概念明晰，簡單易行，細化了規(guī)范的分析精度，適宜于規(guī)范的推行運用。位移控制分析方法〔DCM〕二、自在土體位移場確定自在土體位移場基坑本身變形性狀圍護墻的側(cè)向變形地表橫向、縱向沉降曲線土體沉降沿深度變化規(guī)律土體側(cè)向變形沿程度向變化規(guī)律

橫向：x軸方向縱向：y軸方向自在土體位移場確定：現(xiàn)場實測、閱歷統(tǒng)計或?qū)嶋H分析土體側(cè)向變形沿程度向變化規(guī)律基于位移控制有限元方法對290條土體側(cè)向變形曲線進展了歸一化分析，得到上海軟粘土地域板式圍護基坑體系坑外土體側(cè)向變形沿程度向的衰減變化規(guī)律。給定變形曲線的最大位移控制值即可確定曲線的外形三、建筑物變形承載才干確定建筑物砌體承重構(gòu)造框架構(gòu)造獨立根底框架構(gòu)造樁筏根底構(gòu)筑物市政管線建〔構(gòu)〕筑物類型變形接受才干確定：規(guī)范規(guī)定、閱歷統(tǒng)計或設(shè)計控制目的建筑物變描畫許目的上海地基全國地基規(guī)范規(guī)范

管線控制位移與傾角相關(guān)參考絕對位移(cm)每節(jié)管差異沉降(cm)傾斜角度(°)城市施工專用地下管線的保護110.114上海市政部門1~1.51~1.50.114~0.172廣州地區(qū)建筑基坑支護規(guī)定/1.250.143北京地鐵、重慶地鐵施工相關(guān)技術(shù)標準//0.146地鐵施工對管線的影響/10.114德國建筑標準/0.5~10.057~0.114管線變形控制建議管線傾斜角控制規(guī)范：0.1°四、位移控制兩階段分析方法位移控制分析方法不關(guān)注詳細的基坑開挖施工過程，在應(yīng)力自在面施加位移邊境條件來模擬基坑開挖引起的應(yīng)力釋放，該方法的關(guān)鍵是施加合理的基坑開挖應(yīng)力自在面的位移邊境條件。易于實現(xiàn)復(fù)雜建筑物的基坑開挖環(huán)境影響分析位移控制有限元方法〔DCFEM〕第一階段：分析開挖卸荷引起的周圍自在土體應(yīng)力場或位移場第二階段：將土體應(yīng)力場或位移場施加于既有構(gòu)造物，分析其產(chǎn)生的附加位移和內(nèi)力分析結(jié)果迅速及時，適用于基坑開挖對臨近建筑物根底及市政管線的影響位移控制兩階段分析方法約束位移△=h(z)-U(z)兩階段分析方法被動樁背景隧道開挖引起土體位移土體帶動管線變形土體簡化為彈簧管線簡化為地基梁基于Winkler模型的彈性地基梁問題開挖對管線影響：簡化表示圖柔度目的豎向地基模量土體自在位移基于Winkler模型的彈性地基梁方法開挖對樁基影響：簡化表示圖

地基反力法求解被動樁程度向地基模量地基模量k應(yīng)該如何選取呢？基于Winkler模型的彈性地基梁方法在目前的計算當(dāng)中較多采用Vesic地基模量：Attewell等〔1986〕在研討隧道開挖對臨近管線影響時，建議采用擴展2倍的Vesic模量近似模擬管土接觸條件。Klar等〔2005〕在研討該課題時以為：為了使基于Winkler模型的計算結(jié)果與彈性實際法計算結(jié)果一致Vesic模量需求擴展2倍甚至更多。地基模量k選取Vesic模量的假定：無限長梁放置于地表受集中荷載適用條件：地表的彈性地基梁地基模量k選取Vesic模量假定與現(xiàn)實問題的矛盾：1〕管線和樁的埋深不可忽略Vesic模量忽略埋深是導(dǎo)致計算結(jié)果偏小的主要緣由2〕被動形狀下的管線和樁遭到了土體位移作用管線、樁在土體位移和外力直接作用下的變形和受力特性是不同的需求一個滿足上述要求的被動地基模量地基模量k選取被動地基模量的提出Vesic離散分布外力為集中力離散恣意土體位移為規(guī)范單位位移被動地基模量的提出如何得到Vesic模量1〕推導(dǎo)彈性半空間模型地表無限長梁受集中力作用位移解2〕推導(dǎo)Winkler模型下無限長梁受集中力作用位移解3〕擬合上述兩組解得到Vesic模量被動地基模量1〕推導(dǎo)彈性半空間模型地表無限長梁規(guī)范位移作用的位移解2〕推導(dǎo)Winkler模型下無限長梁受規(guī)范位移作用的位移解3〕擬合上述兩組解得到被動地基模量被動地基模量的提出b為梁的半寬，h為埋深被動地基模量的提出利用程度向Mindlin解和Kevlin解獲得恣意深度程度被動地基模量管線算例驗證：與彈性實際法對比Klar等〔2005〕利用彈性實際法計算了隧道開挖對上覆管線的影響〔隧道開挖引起的土體沉降運用Peck公式計算〕最大歸一化彎矩隨管土剛度比變化

Marshall等(2021)利用劍橋大學(xué)離心機模擬研討基于地層損失比的隧道開挖對上覆管線的影響。管線算例驗證：與離心機實驗對比管線算例驗證：與實踐工程對比實例分析：上海軌道交通七號線隧道近間隔穿越大口徑污水管線實際預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果根本符合算例文獻：LOGANATHANN,POULOSHG,XUKJ.Groundandpile-groupresponseduetotunneling[J].SoilsandFoundations,2001,41(1):57–67.樁根底算例驗證：與離心機實驗對比群樁，到隧道間隔6m群樁，到隧道間隔10m群樁，到隧道間隔10m隧道開挖工程實例分析樁根底算例驗證：與工程實例對比算例文獻：LEERG,etal.Deformationscausedbytunnelingbeneathapiledstructure[C].Proc13thICSMFE.NewDelhi,1994:873–878.五、基于建筑物承載才干的變形控制規(guī)范分析過程分為三步：(1)采用兩階段方法，得到一定的基坑開挖深度和基坑與建筑物間隔條件下，基坑變形最大值與臨近既有建筑物附加變形的關(guān)系曲線。(2)改動基坑開挖深度，得到不同開挖深度條件下，基坑變形最大值與建筑物附加變形的關(guān)系曲線。(3)基于建筑物承載才干的角變量允許值，將基坑開挖深度與基坑變描畫許最大值相互對應(yīng)，構(gòu)成基坑開挖環(huán)境維護的變形控制規(guī)范。變形控制規(guī)范框架構(gòu)造短樁根底按角變量0.002作為控制目的市政管線按傾斜角0.1度作為控制目的變形控制規(guī)范基坑程度位移最大值與臨近建筑傾斜的關(guān)系曲線框架構(gòu)造群樁根底第一步第二步框架構(gòu)造短樁根底在基坑位移最大值和建筑物傾角關(guān)系曲線中提取建筑物傾角為0.002和0.003所對應(yīng)得基坑位移最大值得到基坑開挖深度和基坑變形最大值的關(guān)系曲線。第三步基于周邊建筑物承載才干的變形變形控制柔性接口排水管選用管線參數(shù)：N型接口承插式鑄鐵管、DN600mm、外徑635mm、壁厚9.9mm、彈性模量15000MPa、泊松比0.25、每節(jié)5m；中心埋深h=2m，中心間隔基坑邊b=2m；管線埋設(shè)走向平行于基坑邊；土體參數(shù)：彈性模量2.124MPa、泊松比0.4、重度18.1kN/m3；基坑參數(shù)：寬度B=30m，開挖深度H取6~20m，采用板式圍護構(gòu)造加內(nèi)支撐的支護體系。位移控制規(guī)范市政管線管線傾斜控制標準0.1度六、結(jié)論與建議引薦的地基模量在被動位移下更符合實踐情況，直接印證了Attewell等和Klar等以為被動地基模量需比Vesic地基模量大兩倍甚至更多的觀念。經(jīng)過與彈性實際法、離心機實驗和實踐工程對比驗證了建議的兩階段分析方法的合理性。位移控制分析方法從變形控制規(guī)范的角度，對周邊構(gòu)造物的維護轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂苹訃o構(gòu)造的變形。結(jié)論建議：位移控制有限元方法采用與土體實踐應(yīng)變范圍相順應(yīng)的土性目的非常必要艱苦工程地下構(gòu)造周圍土體通常處于小應(yīng)變形狀，多在0.01%~0.1%而目前的工程分析多采用常規(guī)土工實驗?zāi)康模鋺?yīng)變處于1%的水準。將