文摘

传统的狭隘的基坑设计方法忽略了规模效应。工程实践表明,这是过于保守,导致大规模的浪费。在这项研究中,借助有限元分析有限元软件,围护结构在半无限和无限弹性空间模型被用来模拟桩基结构的机械性能的不同组合下开挖深度,留住pile-embedded深度,开挖宽度。此外,基于antioverturning稳定性理论和圆形滑动理论,这些变量之间的内在关系及其对基坑的稳定性的影响进行了分析。最后,基于保留结构的约束作用下的土壤坑的底部在实际工作条件下,确定临界宽度和使用对基坑进行分类。此外,现有法规的适用性进行了探讨。这些结果可以提高窄发掘的设计与施工,建筑行业和社会中。

1。介绍

目前,在中国城市建设对地下空间的趋势越来越明显;管隧道和tube-network工程的重要性正在增加。在这些项目中,基坑通常是一个长槽,和的宽度小相比,它的深度;支撑结构两侧的基坑接近对方。

在实践中,这种基坑基坑,基坑变形的依赖与稳定几何因素,如宽度、长度、深度和被称为“尺寸效应”[1]。通过比较实践与理论,曾庆红和杨(2)发现基坑隆起稳定宽度有显著影响。调查antiuplift稳定,黄和秦3)发现计算的安全系数foundation-bearing能力模型没有考虑宽度太大。通过比较软件仿真结果,王、张(4)发现相反的一条狭窄的基坑挡土墙的限制性影响坑的antiuplift稳定。因此,提出了梯形失效模式,充分考虑基坑的宽度的影响在antiuplift狭窄和长基坑的稳定。气(5考虑基坑宽度的影响在antiuplift安全系数K底部的基坑。坑的宽度减少,K增加的速度越来越快。秦et al。6)发现,增加depth-to-width比率减少了antiuplift稳定系数。王等人。7)提出了一个狭窄的基坑变形机制基于Terzaghi机制使用永勤的变形增量分布函数和计算K考虑基坑的几何尺寸。参数分析和案例验证表明,在小尺寸效应更明显width-to-depth比率,antiuplift安全系数也较大。肖et al。8)分析和现场监测数据处理从92年与不同的宽度在软土地区基坑周边发掘,发现狭窄基坑显示一个明显的尺寸效应对挡土墙的影响。通用电气(9]研究了支撑结构基坑开挖后的变形与不同length-to-width和width-to-depth比率数值模拟。狭窄的地铁基坑展出空间效应:长边的位移显著改变。之前的研究表明,基坑的形状和大小对变形和稳定性有显著影响。王(10,11)提出了一个改进算法考虑这些因素。在实际工程中,建立这狭窄的基坑更稳定。例如,只要采用横向板支持,一般浅槽的支护结构能保持基坑的稳定性没有插入土壤坑的底部(以下12]。研究表明,这是因为围护结构两侧的沟土壤抑制坑的底部。

当基坑稳定性不能满足规范,支持桩的埋置深度通常是增加的。然而,对于一个狭窄的基坑,利用尺寸效应应该放在首位,因为现有的规范算法假定基坑很广,只片面的围护结构,在被动区土壤为研究对象。因此,基坑宽度的影响并不反映在标准规范的稳定性分析方法(12),导致伟大的设计浪费。一些学者进行了卓有成效的研究工作,结合有限元数值模型,分析了基坑的狭窄的不稳定性特征。使用Coulomb-Wedge分析,应等。13]模拟平移刚性挡土墙被动土压力的狭窄的基坑和推导分析公式滑裂面倾角和被动土压力系数在一个被动的极限状态。郑et al。14]分析了长度和弯曲强度的影响支护结构的失效模式和安全系数;他们建议应该使用滑动面接触外壳结构区分广义和狭义的基坑。与大基坑相比,一个狭窄的基坑稳定,因为它有更多的优势较小的大小(15]。

当应用一个圆形滑动模式时,滑动面狭窄的基坑需要空间效应修正,提高安全系数。王(16)简化基坑隆起变形的塑性区扩展的问题造成的负载应用于弹性半空间上的坑的底部。444同时,取得了实质性的进展开发一个antioverturning稳定算法(17,18],结合基坑宽度为一个antiuplift稳定公式基于循环、屋顶模式(12,19- - - - - -22)和foundation-bearing能力模式(23]。此外,Zhang et al。24和刘et al。21)研究的狭长基坑隆起破坏机理通过离心模型试验。这些研究很少使用数值分析来验证尺寸效应和分类在现实条件下基坑。Hosseinzadeh和艾伯25- - - - - -28)的影响研究在基坑被动区土耦合在基坑的稳定性,计算主动土压力和被动土压力系数,并介绍了加强被动土压力系数优化信封的嵌入深度结构。

在目前的研究中,使用标准的算法进行有限元模拟,反映实际工作条件。semi-infinite-medium弹性模型没有考虑到尺寸效应和创建一个无限介质弹性模型考虑到尺寸效应模拟基坑在不同工作条件下的力学特性。将计算结果与文献中结果,这项研究揭示了基坑尺寸效应的基本机制,显示了设计的理论原因浪费在现有算法。最后,基坑进行分类根据其临界宽度,可以用来优化支撑结构。

2。分析机械狭窄基坑的变形特征

模型中,半无限,无限弹性空间是用来模拟单边结构和分析大局。考虑到开挖深度H,埋深D支持桩,和变量基坑宽度B,主要的形变量和应力值可以从仿真结果中提取。基坑的临界宽度是由一个单一的参数依据B:当参数大于临界宽度、半无限弹性介质用于分析;少,一个无限使用,符合压力狭窄的基坑的特点。当参数等于临界宽度,两种情况下的结果都是一样的。

通常支持方法基础海沟是假定:一个钢板桩(IV型Larsen)和一个支持(无缝钢管直径609毫米,壁厚12毫米)。actual-layered开挖的施工过程模拟。的U形钢板桩与等效转化为矩形部分的转动惯量。莫尔-库仑塑料模型用于土壤;假定为弹性支承结构。为简单起见,只有一个土层被认为是在荆州地区粉质粘土代表被选中。其物理力学参数的基础上选择一个地质勘探报告。在建模分析的步骤是根据实际施工过程:应用钢板桩和钢管支撑后安排相应的土层被发掘。原岩应力平衡的过程中,支持结构单元是“死亡”;然后激活分析,确保后续支持的功能29日]。钢板桩和土壤之间的联系被绑定约束实现。左和右边界的水平位移模型的有限,和底部表面受到固定的支持。模型的边界约束图所示1。建模过程中材料参数如表所示1。

使用ABAQUS有限元分析软件。网格是不均匀提高平面应变计算的精度和效率。网格的划分应遵循的原则规律,有序,和适当的密度,但减少计算工作量,促进融合,可以增加网格密度更重要的部分(30.]。这个模型的大小是100 m×50 m。以满足需求的二维模型分析区域,基坑的开挖边界向外扩展超过两倍开挖深度和底部的基坑开挖深度的两倍多(31日]。总共1536台和1617节点分裂,CPE4R和网格单元的类型。当安排种子,全球种子被安排为3,和关键部分的种子被编码为1。模型的网格划分图如图2。

三种常见的长度规格(9、12和15米)被选为钢板桩。根据实际项目中,三组数值模拟测试(表2);工作条件的顺序编号D从小型到大型。仿真结果的等效塑性应变狭窄的基坑在半无限无限弹性介质在图所示3。考虑到体积小的基坑工程实践,以清晰、直观地显示失败机制,我们把工作条件如下:H= 10米,B= 14米,D= 15米。仿真结果图4和图所示5。

从图可以看出3 (b)一个狭窄的基坑,在被动区土的应变分布在两个条件下相似。附近的土壤接近基地支撑桩两侧产生最大等效塑性应变;这个弱区域很容易压力下变形在施工期间。然而,压力变化的情况下无限空间很小。为了方便观察,选择大型的工作条件。在这个时候,基坑的宽度接近关键,所以两种情况之间的差异不显著。地面超载和开挖引起大量内部和外部之间的压力差。当超过土壤的抗剪强度,提升不稳定会发生应力强度故障的特征。如图5(一个),压差部队活跃区两边挤在被动区土和桩的支持有效地限制了坑外土的位移。坑的底部下面的土壤进行统一和小变形明显低于50 mm的最大变形(图2米坑底部4),这主要是由于缺乏内部支持在井底附近,低支持结构的刚度,变形阻力的相对缺乏。在图5 (b),由于开挖卸荷,在被动区土只能上升向上位移后两边是有限的。提升是最大的坑。共同作用下的压差和支撑结构的限制,两侧土壤浓度局部应力和最大等效塑性应变。从图可以看出4顶部的支持桩在基坑位移趋势,而子结构的方向是相反的。因此,基坑显示某些“避开”失败的特征。

总共八个数量,包括钢管的轴向力支持和最大应力和位移钢板桩在水平方向上,从仿真结果中提取。不同参数的曲线交点在同样的工作条件。在相同的工作条件下,B价值在不同的路口变化不大,略有波动在一个单一的值。这证实了临界基坑宽度的存在。结果两边的关键值,然而,显然是不同的。高于临界宽度,两条曲线非常接近,几乎同时,和现有算法是完全适用的。然而它下面,数值差异大;这是越来越明显的坑变得狭窄。当前的单边结构分析方法是过于保守,造成极大的浪费;应充分利用基坑尺寸效应。

3所示。宽度对基坑稳定性的影响的研究

antioverturning安全系数计算时,假定,在发生不稳定和失败的基坑,最低的点是旋转中心的支持,和墙上的主动土压力的一侧主动区和被动土压力的一侧被动区(32]。根据经典土压力理论,当基坑推翻,土壤活跃地区将形成一个垂直方向的滑动面角(45°−(φ/ 2)),在那里φ土的内摩擦角;在被动区,将(45°角+ (φ/ 2))。王(17)详细讨论之间的关系的形成滑动面在推翻失败和基坑的宽度。如果α的相对宽度坑,被定义为开挖宽度的比值B的埋置深度D的支持,不难证明,当α满足B/D< tan (45°+ (φ/ 2)),推翻失败的滑动面从库仑土压力理论将通过相反的挡土墙。因此,不能按预期形成滑动面,因为克制,所以antioverturning基坑的稳定性是提高。另一方面,滑动面形成不会对挡土墙的影响。因此,在实践中,当B/D< tan (45°+ (φ/ 2)),抑制由于围护结构两侧的土壤应考虑底部的坑。我们可以看到这更直观的示意图,如图6。

现在的标准方法计算圆形滑保持结构的稳定安全系数假定滑弧的中心位于海拔最低的支持。王(12构造一个antiuplift安全系数算法考虑基坑的宽度,使几何假设并进行物理分析圆形滑动面和圆的中心的位置。如果d之间的距离是最低的支持和坑的底部,然后(根据王的假设)最低的支持点圆的中心,距离d+D从它的底层支持结构是圆的半径、屋顶失败。显然,从几何关系,当基坑的宽度满足 ,圆形滑动面由相反的挡土墙克制。然后,在被动区土楔挤紧,不能滑动。因为不稳定的共存的两种形式,当基坑破坏,影响仿真结果,仿真值应该与平均理论值相比,和antisliding基坑的稳定性是提高。相反,就可以形成滑动面顺利。因此,当 ,D应该适当减少在设计。我们可以看到这更直观的示意图,如图7。

以上分析导致不同的临界宽度。Antioverturning理论包括三个变量:B,D,φ。一旦确定了建筑工地,φ是固定的。因此,关键的价值B只取决于D,两个线性相关。的图像B对D是一条直线通过原点的平面坐标系统。

圆形滑动理论,另一方面,涉及到三个变量:B,D,d;的临界值B取决于两个D和d。这种二元一阶的图形功能是一个表面在一个三维空间的关系。因此,考虑到是不可能的B- - - - - -D一个单一的曲线关系。我们认为B因变量和实际工作条件D,φ,d独立变量,主要关注理论和模拟值之间的关系在不同的工作环境。

我们平均的交点位置不同的结果参数曲线在相同的工作条件下,消除错误和获得更精确的关键值(见表3和图8)的临界宽度基坑在不同工作条件。

如图8不同的工作条件下,锯齿状的线代表的平均模拟和理论价值相似的形式,和周围的波动一般也很相似。模拟值通常是低于平均水平的理论价值。除了在一些情况下,它们之间的差异与增加D。因此,有限元模型基本上是验证,显示宽度对稳定性的影响的理论分析是正确的;关键的基坑宽度的两个表达式是合理的,和一个狭窄的基坑更稳定。

获得几何的理论临界宽度,有必要确定假设最低支持点的旋转中心基坑。这些假设是否符合基坑的实际失效形式还有待讨论。此外,在仿真过程中,土壤和支撑结构之间的联系方式的多样性也会影响计算结果,和各种各样的因素导致轻微的差异。

4所示。基坑的关键宽度和分类

现有基坑规范未能考虑围护结构的约束影响两岸的土壤底部的坑。当坑比临界宽度窄,这种效果是显著的。因此,临界宽度的确定是非常重要的对于狭窄的基坑的设计和优化。王(12,17获得不同的临界宽度从推翻和circular-slip失败理论;然而,这些值只在原则和不考虑工程实践。在工程实践中,两种类型的失败影响当基坑稳定共存。这样,基坑的临界宽度的确定不仅更加科学合理,也更便于工程应用。

可行的想法是理论计算值在实际工作条件下,采用实用价值基于两个这样的小窄基坑不受损。让B_质量控制和B_HCmin分别代表了理论的antioverturning值和最小循环滑动。较小的值的两个将表示B_SC,在实践中要使用的值表示B_GC。当D是常数,B_质量控制仅仅是相关的φ;没有最小值。圆形滑B_HC只是受d:基地的支持是越近,越小的理论价值B_HC。是标准中规定的基坑(jgj120 - 2012)低支持的距离不应小于3米;因此,B_HCmin应采取在d= 3 m。因此,φ独自决定的相对大小B_质量控制和B_HCmin。

典型的粉质粘土在荆州地区将被用作在计算一个例子B_质量控制。最土的内摩擦角区域集中在大约20°,所以我们假设φ= 20°。基坑的临界宽度在实际工作条件下表所示4和图9(33]。

如图9,最小圆的理论价值在实际工作条件下近似满足线性关系B_HCmin= 1.068×D+ 2.04。当φ> 30°,B_质量控制>B_HCmin对所有D∈(3、9)B_GC=B_SC=B_HCmin。当14.5°≤φ≤30°的地步B_质量控制=B_HCmin移动的直线B_HCmin= 1.068×D+ 2.04从(5.20)(11.62 9日)。采取φ= 20°为例,B_质量控制和B_HCmin相交于D= 5.68 m。当D∈3、5.68),图9显示,B_质量控制≤B_HCmin这B_SC=B_质量控制=D×tan (45°+ 20°/ 2)。然而,当D∈(5.68,9)B_HCmin˂B_质量控制,因此,B_SC=B_HCmin= 1.068×D+ 2.04。简而言之,当φ= 20°,实际价值的函数表达式如下所示:

这样一个分段函数是不方便的应用程序。相反,我们构造图中所示的紫色的线,连接要点(3、3 tan(45°+ 20°/ 2))和11.6(9日),线性方程组的工程应用价值和保持安全储备。直线的方程的情况φ= 20°是B_GC= 1.223×D+ 0.62。一般来说,对于任何φ在区间(14.5°,30°)的位置(3、3 tan (45°+φ/ 2))的变化,因此,方程B_GC就变成了B_GC= [1.94−0.5 tan (45°+φ/ 2)×D+ 4.5 tan (45°+φ/ 2)−5.81。当0°˂φ˂14.5°,图9显示,B_质量控制˂B_HCmin对所有D∈[3,9]B_GC=B_SC=B_质量控制=D谭(45°+φ/ 2)。

通过考虑不稳定的两种形式,推翻失败和圆形滑动,在实际工作条件下,值越小,基坑的实际临界宽度。这可以实际基坑分类的基础上,根据宽度B,桩深度D土壤,内摩擦角坑的底部φ。我们定义了一个“窄”坑的满足方程(2)。当方程(2),保留结构的约束效应两岸的土壤应考虑底部的坑。否则,基坑划分为“宽”,标准的算法是完全适用的。

临界宽度的确定基坑时,不仅对围护结构的插入比规定标准,还必须考虑的原则和经济可行性。例如,当H= 4 m,理论上可以D= 4米,但这将是浪费和不切实际的。因此,价值范围≤3米D≤9米能满足几乎所有实际工程的需要。给出的临界宽度仅仅是相关的D和φ;支承桩的类型没有影响,开挖深度H并不是参与。B_HCmin总是决定与d= 3 m。通过这种方式,当D是恒定的,H改变,没有顺向临界宽度的变化,有效地避免定义的临界宽度并不是唯一的问题H。同时,它确保了基坑分类广泛适用于不同的组合H和D。实际上,一个更大的H意味着更大的D在不同程度上,B_HC不能取最小值,这可能会增加临界宽度略。这表明,通过比较获得的临界宽度的大小B_质量控制和B_HCmin是相对保守的,以确保安全:挖掘深度越大,基坑宽度对稳定性的影响。虽然基坑分类在这项研究是基于荆州地区的地质条件,它也适用于其他领域。它具有一定的参考意义支持狭窄的基坑设计和施工中。

5。结论

(1)对于一个给定的开挖深度、基坑显示明显的规模效应与宽度的变化。基坑应归类为“狭义”当基坑的宽度小于临界宽度和“宽”更大。(2)最主要的一条狭窄的基坑稳定性的影响因素是它的宽度,支承桩的埋深、土的内摩擦角,宽度的主要因素。当稳定需求没有得到满足,支承桩的埋置深度不应轻率地增加;相反,在基坑宽度的影响应该被考虑。此外,对于基坑土壤质量较差,增加了内摩擦角也非常有效的加强在被动区土和提高抗剪强度。(3)支持的狭窄的基坑,保留结构的约束效应在坑的底部的土壤应该充分利用优化设计和降低成本。

数据可用性

数据支持这项研究的结果可以在请求从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家重点实验室开放研究基金的地质力学和岩土工程,岩土力学研究所、中国科学院(批准号Z020013),并对失效机理和灌浆加固技术的研究上覆富水砂层顶管开挖的湖北省(批准号2020 ac15)。