文摘
在人口稠密的城市环境中,深度发掘引起的地面运动不可避免地呈现出相邻建筑物和结构破坏的风险。工程设计的一个重要和必要的方面来证明是评估风险程度的损害。介绍一个特定的程序来评估工程设计通过评估风险水平的建筑破坏的基础上,沿着地面变形资料,通过数值模拟计算,验证了实验方法。这个过程之后用于证明延长线的工程设计之间的一个地铁项目建设PK0 + 344.00和PK0 + 407.00随挖随填法开挖方法。损害风险水平的结果表明,所有的建筑物附近挖掘在类别级别0表明相关设计的风险是可以接受的同时考虑建筑损坏引起的深度挖掘。
1。介绍
深度挖掘通常涉及的工程设计等设计因素建设序列,结构规划、排水方案,支撑结构的详细结构设计,仪器系统。应力和变形分析,内部和外部稳定,水流动,管道通常需要为了证明相关的设计策略。的一个重要的考虑在这个理由是保持位移引起的深度发掘在可接受的范围内,因为深度挖掘城市区域不可避免地引起地面运动可能损害相邻建筑物、构筑物。支持结构如隔膜墙壁和struts通常设置为了减少可能的建筑损坏由于深度挖掘城市的情况。
因此,它是必要的,为工程设计和规划和咨询,发展理性的方法来评估损害的风险。合理的风险评估方法损坏建筑物由于深度挖掘是开发和采用在伦敦地铁的规划和咨询阶段朱比里线扩展项目涉及隧道在伦敦市中心的人口发达地区1,2]。这损失评估的方法包括三个阶段:初步评估,第二阶段评估,详细评估。
,避免复杂的和不必要的计算,初步阶段使用一个非常简单的和保守的方法评估基于预期的轮廓的损伤水平地面运动。在第二阶段,等效梁的方法(3)被用来估计的最大拉伸应变,建立某些类别的损害可能受到影响的建筑物。第三阶段的详细评估只是执行建筑被列为高危的伤害。这种方法已广泛应用在国际上只有细微的不同。本文主要关注的是该方法的第二阶段。
一个特定的程序来证明本文建立了工程设计中描述以下四个步骤:(1)预测背后的地面运动的大小和分布隔膜墙;(2)选择适当的破坏准则;(3)风险评估水平的建筑损坏下选择标准基于已知地面变形资料;(4)工程设计的合理性根据地面运动和风险评估的结果。
提出工程设计深度挖掘接受只有地面运动和风险水平的破坏是工程安全的范围内。否则,应修改设计策略和评估再次通过4个步骤。应该重复这个过程,直到最终的设计被认为是可以接受的。
在步骤1中,计算地面运动并不是直接的,因为问题的复杂性严重依赖这两个地面条件(如地层、地下水条件、变形和强度属性)和施工方法(如开挖顺序,序列的支持,防渗墙的刚性,并支持)。评估其可能造成的伤害,地面运动和横向沉降槽的开挖造成的必须先估计。最近,发展先进的计算工具允许的计算这些地面运动引起的深度挖掘通过数值模拟。在本文中,提出了经验和先进的数值方法。后者方法者优先考虑,它被广泛用于预测地面运动的深度挖掘,可以模拟施工过程,造型的不同阶段开挖和支撑条件。同时,数值结果的比较与那些通过经验法是由从两种方法相互验证各自的结果。
至于破坏准则,不同的理论进行了综述和分析选择破坏准则。描述的细节将在本文后面。这个特定的程序来证明延长线的工程设计施工的地铁项目PK0 + 344.00 PK0 + 407.00随挖随填法的开挖方法,通过数值模拟评估建筑物损害的风险。
2。开挖引起的地面运动的估计和计算
建筑相邻的反应深度挖掘是指建筑结构的平移和旋转反应侧地面运动和地表沉降。适当的风险评估建筑损坏需要一个准确的预测地面运动的大小和分布邻近开挖通过经验和先进的数值方法。
2.1。实证方法估算地面运动
派克的研究(4)占不同的土壤类型和深度提供了第一个理性依据估算一般从邻近开挖地面运动产生的。克劳夫和O’rourke5)开发的定义良好的excavation-induced结算资料通过策划各种结算数据分数最大沉降的沙子,硬粘土很难,软到中等黏土。
谢长廷和欧6)开发了一种半经验的方法来预测地面运动的分配基于之前的研究包括派克(4]和深谷,O’rourke [5]。两种类型的结算资料挖掘建议:(1)拱肩类型与最大沉降分布非常接近墙壁和(2)的凹型沉降最大值位于一些距离防渗墙。在开挖的第一阶段,拱肩类型的结算资料如果发生大量的墙挠度悬臂条件下发生。的初始阶段开挖后,受制于安装支持额外的悬臂墙挠度随着开挖的进行更深层次的海拔和凹型主导最大侧向变形发生的结算资料挖掘的底部附近。
图1介绍了图形的方法预测沉降资料的拱肩和凹条件由谢长廷和欧6]。这个数字是基于案例克劳夫和O’rourke编纂的历史数据5)和评价历史数据从台北,台湾。
(一)
(b)
在图所示的“估计”曲线1(一)采用和解剖面预测。图1(一)情节的平方根开挖边缘之间的距离( )规范化的开挖深度和标准化的解决 。 表示在某个位置进行结算代表了最大的地面沉降。
图1(b)情节的归一化距离墙的边缘和标准化的解决方案。谢长廷和欧6)得出结论,支持墙的距离,最大地表沉降发生约等于一半的挖掘深度 。解决在防渗墙位置沉降最大值的一半( )。结算轮廓曲线上的点标记 对应的程度主要影响区域。和解是几乎可以忽略不计,支持墙的距离等于4倍的深度挖掘 。
2.2。数值方法计算地面运动
建筑反应由于深度挖掘取决于挖掘支持系统的刚度等因素,系统的安装过程,土壤条件,挖掘过程、建筑的类型,从挖掘建筑的距离,建筑对开挖的方向,和建筑的大小对开挖。一个纯粹的理论方法来估计构建响应由于excavation-related变形是不可能由于这些因素的可变性导致响应。然而,随着计算机技术的快速创新,数值方法和有关计算机程序可以考虑所提到的因素。
数值模拟使用有限元法和有限差分法与上述的优势逐步取代传统简化计算methods-limit平衡方法和温克勒的理论。等应用软件PLAXIS有限元分析,脆,ICFEP, MIDAS GTS, Z-SOIL(有限元),和FLAC(有限差分法)被广泛用于执行这样的数值模拟。Schweiger [7- - - - - -13)详细介绍了数值结果基准运动解决防渗墙的设计采用PLAXIS深基坑问题。执行全面研究分析各种模型参数的影响,包括域分析,刚度的结构元素,土壤结构界面,本构模型等。由Schweiger(如上所述7- - - - - -13),关键因素之一是采用的本构模型来模拟土壤的行为。已经证实,一般使用elastic-perfectly塑性本构模型针对摩尔-库仑模型)(或其他任何包含一个线性弹性组件是不适合现实的深基坑变形预测问题。的主要缺陷在于以下几点:(1)虽然可以获得合理的壁横向运动采用莫尔-库仑模型,计算定居点往往错误;(2)基坑底部隆起是大大高估了;和(3)低的计算域边界的位置对计算位移有决定性的影响。也证明了与现场数据允许应力-应变曲线的非线性本构模型可以合理的墙挠度和现实的地面运动。土壤硬化模型就是这样的一个模型是近年来广泛应用于处理类似的问题。因此采用在随后的案例研究。
在本文中,应用FLAC3D [14是选为数值进行地面运动的计算工具。详细建立数值模型涉及的所有模型参数通过FLAC3D软件超出了本文的范围,可以称为伊(14]。
3所示。标准评估建筑的破坏
3.1。的定义Excavation-Induced变形与建筑相关的反应
构建毗邻的平移和旋转发掘导致直接拉伸菌株,弯曲菌株,在建筑结构和对角拉伸压力。一组一致的定义描述类型的地面运动和建立基于位移响应(测量或计算)的离散点的基础上提出了一种构建由Burland和发怒3由Finno和Alvello[]和总结15]。这些定义(见图2)已经被广泛接受,描述如下:(一)结算(向下位移)或胀(向上位移)表示 。(b)相对沉降(沉降差或差胀)表示 。(c)旋转或直线的斜率是梯度的变化加入两个参考点(例如,AB在图2)。旋转通常是用来描述沉降槽的斜率。(d)角应变定义在图2。是积极向上凹度(如图3向下凹度)和负(占用如图3)。(e)相对偏差是一个点的位移相对于线两侧连接两个参考点(见图2)。签署公约(d)是一样的。(f)挠度比(松弛率或占用率)是用 在哪里两个参考点之间的距离定义吗 。签署公约是一样的(d)和(e),偏转率是一个近似测量沉降曲线的曲率和经常与弯曲扭曲的结构有关。(g)倾斜描述刚体的旋转结构或一个良好定义的一部分(见图2)。(h)相对旋转(角变形)是直线的旋转连接两个点,相对于倾斜(见图2)。(我)平均水平应变被定义为长度的变化吗在长度,是用来描述建筑结构的直接横向运动。通常采取减少长度(压缩),积极在土力学。
上述定义只适用于面内变形,没有一直尝试定义三维行为。
3.2。基于角变形破坏准则
基于角变形破坏标准已经由Skempton和麦克唐纳16],Polshin和Tokar [17],Bjerrum [18),O’rourke et al。19],Attewell et al。20.]。Bjerrum [18]了角变形的管理变量的容许变形评估。典型的限制建筑物的角变形值,只有建筑沉降评估图所示4。
基于角变形破坏准则不考虑水平位移。而地面运动与深度挖掘可以包括大量组件水平应变除了垂直变形。因此,传统的标准基于沉降差或角变形单独评估建筑反应不足是由于深挖掘。
3.3。损害Boscardin提出的标准和连接21)和Burland et al。22]
3.3.1。极限拉伸应变的概念和分类的建筑损坏
砌体开裂的墙壁和完成通常,但不总是,拉伸应变的结果。Burland和发怒3首先定义了临界拉伸应变出现可见的裂缝在建筑相关联。Burland和发怒3)也表明临界拉伸应变的概念可以结合简单的弹性梁挠度标准发展出现可见的损伤。Burland et al。23]介绍了极限抗拉应变的概念替换关键的拉伸应变作为使用可靠性参数可以不同的不同的材料和正常使用极限状态。Boscardin和连接21)开发这个概念通过评估17例损伤由于excavation-induced沉降的记录。他们的范围有关可能损害的严重程度。Burland [24]总结建筑损伤的分类如表所示1提供估计建筑变形之间的关系和可能损害的严重性。
Burland et al。22]介绍了术语“风险”的水平,损伤是指在表定义的可能程度的伤害1。大多数建筑物损害程度在0到2(即前三个类别。,negligible to slight) are considered to be at “low risk” and can be readily and economically repaired. A major objective of design and construction is to maintain the level of risk below the threshold between categories 2 and 3 for all buildings.
3.3.2。等效梁的方法来评估建筑的破坏
Burland和发怒3]介绍了等效梁的方法评估损坏建筑物由于地面运动的建筑是由一个弹性矩形深梁的长度和高度(图5)。这种方法计算梁的拉伸压力对于一个给定的挠曲形状建筑物的基础,因此获得偏转率 开始破解。Burland和发怒3)考虑两种极端模式:只有中性轴弯曲和剪切中心。在弯曲的情况下,裂缝弯曲应变相关发生在前纤维,而只在剪切斜裂缝是由于剪切应变由剪切变形引起的。一般来说,两种模式的变形将同时发生,有必要计算弯曲和剪切应变确定哪种类型限制。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
得票率最高(25)总跨中挠度的表达式 中央点加载梁最大弯曲应变和最大剪应变如下: 在哪里中性轴的距离从梁的边缘张力( 占用和 为松弛);杨氏模量;剪切模量;和截面惯性矩( 占用和 下垂)。
通过设置 ,方程(1)和(2)定义极限的值 简单的梁的挠度。对于一个给定的偏差率 ,估计最大拉伸应变的建筑可以获得的最大的价值和由方程(1)和(2)。
Burland和发怒3]表明,通常占用比sagging-a更具破坏性的结果,也在实践中得到了证实。图6介绍了极限之间的关系 归一化的和 一束各向同性经历占用( 和 )中性轴的底部边缘 和接受下垂( 和 )中性轴在中间 。可以看出,如果剪切压力占据主导地位 ,而对于 ,弯曲菌株占主导地位。
Boscardin和连接21)合并应变水平扩展 ,挖掘可以诱导,在上面的分析通过简单的叠加效果Burland和发怒的3弯曲和剪切压力。
弯曲的情况下,合成的极端的光纤应变是由
在剪切区域,产生的剪切应变可以评估使用莫尔圆的应变和 在哪里泊松比。
最大拉伸应变大于和并且可以与表一起使用1评估相关的潜在伤害。
3.3.3。破坏准则提出Burland et al。22]
采用的值与各种类别的损害相关的表1利用方程(1)- (4),建筑损坏可以开发交互图显示之间的关系 和为适当的值 , , , ,和选择结构的评估。方程的物理意义(1)- (4)可以通过考虑一个各向同性梁 ( 和 )接受占用( )。对于弯曲情况,操纵方程(1)和(3), 给了
之间的关系 和归一化的由方程(5)和(6)如图7。很明显从图7那 决定了形状各向同性损伤交互图的光束发生翘曲。交互图对应的损害 呈现在图8。
(一)
(b)
(c)
3.3.4。Boscardin提出的破坏准则和连接21]
Boscardin和连接21)生产类似的损害水平应变图相关的类别和角变形(而不是偏转率 )。他们表达了角变形之间的关系和挠度比 作为
交互图对应的损害 对于各向同性梁( )接受占用策划根据方程(8)如图9。数据之间有相似之处8和9。然而,最大弯曲应变忽略Boscardin和连接的21)方法。Burland et al。22)表明,角变形之间的关系和挠度比 实际上是非常敏感的载荷分布和价值 。此外,精确的评价并不总是直截了当,可以不确定的场合。交互图的损害后下垂Burland Boscardin和连接后21)可以推导出类似的设置 和 。
3.4。选择适当的破坏标准
如上所述,Burland [24),它并不总是直接识别倾斜和角变形的评价可能会比较困难。也非常重要,不要混淆相对旋转β与角应变α。由于这些原因,Burland和发怒3]首选使用偏转率作为衡量建筑扭曲。因此,本文提出的损伤准则Burland et al。22采用。然而,Boscardin标准提出的损害和连接(21)和Burland et al。22)是最常见的和他们的选择应当依赖于方便获取相关参数。
3.5。评论损害标准的应用
可以单独考虑建筑按其挠度变形模式两边的拐点结算资料(见图3),这是用于分区。建立应变的计算,建筑跨度是必需的和被定义为建筑占用或下垂的长度区域(如图所示或在图3)。建议治疗的部分建筑占用和下垂下梁段通过计算相应的挠度比分开 和平均水平应变 。损坏的风险水平可以由分类绘制的 对根据类别边界交互图的损害。
4所示。案例研究
本节上述全球应用程序来评估扩展线的工程设计施工的地铁项目从PK0 PK0 + 407.00 + 344.00(见图10),随挖随填法/自上而下的开挖方法。地面变形和结构变形和力量都是通过FLAC3D软件通过数值模拟计算程序,利用有限差分法(FDM)。
4.1。案例介绍
图10介绍了地铁项目的平面图,包括研究区。执行下列数值分析计算阶段为了模拟施工顺序:(1)阶段1:初始应力状态( 和 )(2)阶段2:激活防渗墙(wished-in-place)(3)第三阶段:激活附加费负荷(4)阶段4:开挖步骤1−2.9米(注:0级是指地面)(5)第五阶段:激活的屋顶板厚度0.9米(6)第六阶段:从屋顶板,直到地面回填(0级)(7)第七阶段:开挖步骤2−6.2米(8)第八阶段:激活struts−5.7米(9)阶段9:地下水降低内部挖掘−15.2 m(10)阶段10:开挖步骤3的底部反转与最低点水平−13.7米(11)11个阶段:激活的转化
图11提出了三个主要的建筑(1、2和3),分别在PK0 + 380, PK0 + 364, PK0 + 350附近开挖区。这三个建筑有相同的宽度 和高度 。三建筑物开挖中心线的距离分别是10.2米,10.4米和10.9米。设计策略,这三个建筑的潜在损害的评价应根据Burland标准。同时,Boscardin标准也采用与Burland准则进行比较。
4.2。数值模型的描述
数值模型如图12包括网格、土壤剖面结构元素和附加费。模型是63米长沿纵向方向的地铁,线和右边界将从挖掘中心线的距离100米,这就足够了,因为它已经超出了开挖影响区(通常大于4倍开挖深度, 和在地面以下43.7米,底部和底部设置在地面以下43.7米的距离。模型完全511296个节点和489510区域。
在这个模型中,略微弯曲的地铁是简化为一条直线和隔膜墙小变量长度被认为承担相同的长度(19.7米)——墙长度的最小值,理论上产生保守的结果。
只有一半的整个开挖几何是数值模型的假设条件的中心线对称开挖。对称的假设条件是由于下列事项:(一)本案例研究主要是展示一个例子来说明如何应用该方法对实际问题;(b)在现实中,真的很难有绝对的对称条件。作为良好的实践,在许多实际项目,这种假设可能节省时间和鼓励工程师们采用先进的分析方法等。
土壤剖面由回填土、粉质粘土和粉质粘土砂和砾石。在图11,backfill1表示存在的回填之前开挖而backfill2指的是新添加的屋顶板上方土壤物质。Backfill1和backfill2应该有相同的属性。粉质粘土和粉质粘土砂和砾石分别分为两组:粉clay1 /粉clay2和粉质粘土和沙子和gravel1 /粉质粘土砂和gravel2采用两种不同弹性模量的值取决于土壤的深度。所有的土壤与土壤硬化model-CYSoil模型模拟(14在FLAC3D软件已被证明是能够计算实际地面沉降资料。表2CYSoil模型提出了相应的土壤参数的定义可以被称为伊(14]。
0.9米厚屋面板和0.4米厚反模仿体积元素通过线性弹性模型。表3给出了相应的模型参数对屋面板和转化。衬管元素是用于模拟参数表中给出的隔膜的墙壁4衬套接口的属性。Struts模拟通过梁元素与相应的参数见表5。
10 kPa的永久附加费是在5.8米距离内地面54.5米距离之间的隔膜墙壁和墙和模型的远端。变量附加费60 kPa由于建筑之间的权重设置在地面5.8米距离和54.5米的距离墙。这种组合的附加费是真正的附加费的简化条件。
对称边界条件设置左侧边界,即。,挖掘中心线。水平位移是固定在其他三个垂直边界(吧,前面和后面)。两个水平和垂直位移约束模型的底部。
初始应力状态计算的方法(14]。最初的潜水面位于水平−8.2米。在舞台上9,地下水在挖掘降低水平−15.2米。
4.3。结果
阶段10是最不利的。因此,结果包括地面运动用来评估阶段10概况。
4.3.1。代表的地面运动
横向部分选择在中间的数值模型Y轴,建立代表的地面运动附近开挖。图13介绍了地面沉降资料,图14显示水平地面位移的形象。在图13,地面沉降资料预测从实证方法提出的谢长廷和欧6)也表现出的最大沉降一样从应用FLAC3D计算。通过这种方式,获得的地面沉降的分布形状FLAC3D软件可以检查相比,预测的实证方法。很明显,通过FLAC3D软件类似于地面沉降资料计算预测的一个由线性段,不能捕获地面沉降资料的曲率和拐点。然而,这样的地面沉降剖面曲率和拐点可以从FLAC3D软件获得的。
见图13建筑分为三个部分,分E, F, G, H的拐点水平位移的导数为零(见图15点N)。部分EF和FG下垂和GH正在占用。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(我)
4.3.2。评价建筑物损害的风险
在图13, , ,和表示的三个部分的长度。 , ,和相应的最大相对变形量。此外,在点水平位移情况用 , , ,和 。因此,建筑物损害的风险,再计算每个部分分别通过计算相应的挠度比 和平均水平应变 在相应的 的标和表示该部门端点(E, F, F和H)。
伤害风险评价建筑1 - 3的结果如表所示6。的意义 对相关的交互图的绘制伤害每个部门的每个建筑(见图15)。应该指出,绝对的值 对用于制造这些情节。损伤交互图的形状 比首先取决于选择的最低边界限制限制弯曲和剪切限制如图7 (c)。
从图可以看出15所有的点 对每个部分内的三个建筑类别级别0意味着低风险的伤害引起的所有三个建筑挖掘。因此,地铁项目的工程设计PK0 + 344.00 PK0 + 407.00是可以接受的,同时考虑建筑物受损的风险,由于深度挖掘。
5。结论和建议
提出了一个分4步过程来证明工程设计的建筑物受损的风险,由于深度挖掘。首先,地面运动引起的资料挖掘得到等数值模型通过数值软件FLAC3D软件,同时验证了实验结果。其次,提出相应的破坏准则Burland et al。22采用。第三,发掘的建筑物相邻分区通过构建端点和拐点。与此同时,每个部门的每个建筑, 和计算从地面沉降和水平位移概要文件和交互图的绘制损伤。构建损害的风险水平然后分类根据域的点 对。第四,相应的工程设计是合理的,符合地面运动的大小和建设破坏的风险水平。这4步程序的大小应该骑车到地面运动和建筑物损害的风险水平与当前工程设计是工程安全的范围内。
采用这个过程中,地铁项目的工程设计PK0 + 344.00和PK0 + 407.00之间是合理的,是可以接受的考虑到所有的建筑物的破坏风险水平附近挖掘在类别级别0和地面运动的大小是工程安全的范围内。
这个过程提供了一种方法来估计和评价定量相邻建筑物的损害风险由于深基坑工程设计阶段。然而,尽管应用,应注意以下事项:(1)适当的土壤本构模型应采用基于土壤的行为。(2)适当的模型参数、边界条件和技术应使用。(3)占用和下垂的部分计算地面资料应当正确地划分。(4)损伤交互图中使用的参数应明确理解并正确计算考虑 比率。(5)Burland和Boscardin标准都是适用的,使用哪一个是依赖于方便获取相关参数。
然而,现场地面移动配置文件中观察到施工阶段应与地面运动概要设计阶段的计算来验证其合理性。
最后,应当指出,建设诱导的损害的风险级别评估深度挖掘只是理由的工程设计的一个方面。等其他方面分析的应力和变形,内部和外部稳定性、水流和管道,结构安全分析也应该被认为是为了证明相关的设计策略。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究是在经济上支持的重庆市教委科学技术研究项目(没有。KJQN202001343),科学技术研究项目重庆大学艺术与科学学院(没有。R2019STM09),教育部的工业合作教育项目的中华人民共和国(不。201902133039),自然科学研究项目的主要栽培重庆大学艺术与科学学院(没有。P2020TM15),指导科学技术研究项目(没有重庆土木工程和建筑的社会。2021 a05)。