基坑开挖及降水对周边建筑物沉降的影响外文翻译资料

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基坑开挖及降水对周边建筑物沉降的影响

摘要

随着城市地下空间的大规模发展，基坑工程已成为城市建设中重要的岩土工程课题之一。本文详细研究了基坑开挖和降水对邻近建筑物的影响。主要研究工作包括以下方面：土壤固结理论、基坑开挖、降水过程的总结和分析；相邻土层位移的影响因素；基坑开挖、降水对邻近建筑物的影响机理及影响类型。建立了考虑基坑开挖全过程的有限元模型，分析了基坑周围上层位移的变化规律。对挡土结构变形规律、降水和非降水计算结果及不同开挖方法进行分析比较。计算结果表明，基坑周围不同开挖方法之间的土层位移也有所不同。随着基坑间距离的增大，框架结构附近地下连续壁的横向位移逐渐减小。距基坑墙距离30m，侧移值比5m降低4.7%，研究基坑及开挖、降水引起相邻建筑物内力变化规律，检查结构构件的安全性和适应性。计算结果表明，相邻建筑物的底部将产生大量的额外内力，部分结构构件将受到承载力的破坏。

1. 产品简介

深基坑工程的设计和施工具有技术含量高、全面性强的特点，使得一些深甚至严重的工程事故发生[1]。这是因为关键技术的设计和处理并没有制造一场悲剧，造成巨大的经济损失和严重的社会负面影响。由此可见，随着深基坑施工的逐渐增加，安全系数逐渐增加，研究深基坑工程相关的深基坑技术将逐步改进，结合工程实践经验，积累经验，不断改进和促进深基坑施工技术和设计理论的发展。

鉴于目前对建筑业的重视，许多国内外研究团队已经开始影响沉降建筑的深入研究。Lin[2]使用底部中心柱分布高达75mm的过差沉降，以评估典型张拉层钢筋混凝土建筑中过差沉降引起的应力。这表明对损坏的分析和由此造成的对建筑环境的管理通常需要很高的成本，因为建立了可靠的预测模型和确定最合适的修复工作[3]所需要的数据量。为了了解强迫迁移和农村社区重新安置对城市环境中非常不同的建筑环境的影响，Billig[4]描述了物理环境的变化导致社区的社会结构和社区成员的文化身份发生重大变化的过程。Sue[5]介绍了铝合金2124-T851在单轴负载作用下棘轮行为的最新研究结果，以确定应力振幅和平均应力对材料应变响应的影响。nova？Ek[6]提出了不同类型的垂直acute;剪切分析方法及其分布，并在不同细节层次的模型上进行了介绍。Nan[7]不仅通过沉降观测和沉降法分析，确保了建筑施工和运行的安全，而且也为类似高层建筑的设计和施工提供了参考和依据。Zana[8]使用数值模拟来确定对浅层结构沉降影响最大的参数，并扩展该分析以确定用于预测结构残余倾斜的关键参数。米尔萨阿波夫[9]利用不同的计算模型研究了高层建筑地基沉降的数值计算，包括基于三轴状态载荷下地面变形图分析的改进的帕斯特尔纳克模型。Jin[10]通过空间和统计分析研究了自然环境对沉降模型的影响。地形、河流和阳光等自然因素影响了地区和地方各级定居点的建设。Li[11]为研究基坑开挖期间地表及地表沉降规律，基于理论分析，结合沈阳刘柳湖站现场监测数据，对地表沉降数值模型进行了分析。

基坑开挖会基坑表面不均匀沉降，影响相邻建筑物的正常使用，甚至对相邻建筑物造成破坏。同时，相邻建筑物过载会导致基坑垂直和横向变形进一步增大，可能危及基坑开挖过程的安全。因此，基坑与相邻建筑物相互作用并相互作用。目前，对国内外基坑开挖引起的表面变形已有大量的研究和成果。对表面变形对邻近建筑的影响也有一些研究结果。然而，关于基坑支护结构、土壤和周围建筑物联合作用下基坑和建筑物变形的研究较少。

为了研究影响建筑物沉降的因素，许多研究小组从各个方面进行了详细的分析，取得了良好的效果。为了研究基坑开挖对地下管道的影响，张建立了管道和基坑的三维模型，分析了开挖过程中管道变形的变化规律[12,13]。Jason威廉姆斯[14]将水文逻辑数据和生态水文关系纳入生态站点描述(ESDS)中，基于弹性的战略评估和影响国家脆弱性的生态状态动态管理，从而提高评估牧场的弹性管理策略和指导效用的可持续性教育。根据上海交响乐团基坑工程监测数据及运行隧洞及围墙结构，分析了不同施工阶段[15]各项目周围地面沉降、隔膜变形、水平收敛、垂直位移的规律和特征。Jun[16]结合深基坑周边高速铁路桥桩的有限元数值模拟，分析了深基坑开挖对支护结构和桩基础的影响方式，并用现场监测数据进行了验证。志国[17]提出了一种两阶段考虑土粘弹性的方法，得到相邻桩与基坑开挖相互作用的时域解。扰动土显示出开挖时的流变特征。Zhang[18]通过建立三维有限元模型，分析了不同施工阶段不同双基坑开挖造成的现有隧道变形。结果表明，当双基坑与相邻隧道平行时，隧道变形较大，最大水平位移比垂直于隧道的双基坑位移大10%左右。后期开挖的隧道将导致隧道变形大于之前开挖的7%。海龙[19]建立了仿真模型，并与具有不同采矿方案的大型有限元软件ABAQUS进行了比较。结果表明，在这种情况下，支撑结构的变形最小，基坑的安全度最大。即将边坡C、边坡S开挖至海岸线，稳定、控制保持结构的变形和应力。为了研究基坑开挖中双排桩的土压和变形特性，宜君根据类似的理论原理进行了大型物理模型试验，模拟了基坑开挖[20]中双排桩的变形。汉森B保留了应力张量的所有项，并使用格伦型幂律进行粘度计算[21]。本文详细研究了基坑开挖和降水对邻近建筑物的影响。主要研究工作包括以下方面：总结和分析土壤固结理论、基坑开挖、降水过程；影响相邻土层位移的因素；影响机理和对邻近建筑物开挖和降水类型的影响；对基坑开挖引起的相邻框架结构内力变化规律的分析；结构构件的安全和适应性。建立了考虑基坑开挖全过程的有限元模型，分析了基坑周围上层位移的变化规律和挡土结构的变形规律。将考虑降水的计算结果，不考虑降水和不同的开挖方法。分析比较，研究基坑开挖和降水引起的邻近建筑物内力变化规律，检查结构构件的安全性和适应性。

1. 设计方法

2.1、相邻建筑物基坑开挖机理及类型。基坑的开挖和降水过程会导致基坑周围土壤的水平和垂直位移，垂直和水平位移会随基坑相对距离和土层深度的变化而变化。当建筑物位于基坑周围时，由建筑物上不同位置的土壤变形引起的位移也有所不同。此时，建筑内将产生额外的应力和过度的垂直变形或水平横向位移。当额外应力达到一定值时，建筑会局部开裂，最终可能导致结构的局部损坏、倾斜或倒塌。

2.1.1.地表均匀沉降对建筑物的影响。当地面均匀沉降时，建筑将作为一个整体下沉。一般来说，这种均匀的沉降不会对建筑物造成开裂和结构破坏。但地面过度沉降会造成地面排水不良、空间减少等不利影响，从而影响其正常功能。

2.1.2.不均匀的表面沉降对建筑物的影响。表面不均匀沉降会导致上部建筑过度变形、开裂、倾斜甚至损坏。建筑物对地基的不均匀沉降响应比均匀沉降更敏感。由于砖混结构刚度较低，基础不均匀沉降下墙体容易开裂，柱基础不均匀沉降在框架结构中产生较大的二次应力，框架结构原力改变。甚至影响延性和地震框架结构，具有高重心的高层建筑容易导致建筑物地面沉降整体倾斜不均匀，影响建筑物抗倾覆的稳定性。

2.1.3. 水平运动对建筑物的影响。表面的水平变形有拉伸和压缩两种形式，对建筑物具有很大的破坏作用，特别是对拉伸变形的影响。在拉伸区的建筑中，基础底面受到基础的向外摩擦，基础侧受到基础的向外水平推力。然而，一般的建筑几乎没有能力抵抗拉伸，而这个小的建筑也很小。拉伸变形会导致建筑物开裂。

2.1.4.由表面曲率的变化引起的建筑裂缝。当局部质量条件复杂时，表面变形更加复杂，跨度较大的建筑物可能会由于表面曲率的变化而开裂。在负曲率（表面相对凹）的作用下，建筑的中部悬挂，导致墙产生积极的间隙裂缝和水平裂缝。建筑物长度太大，在重力作用下从底部断裂，导致建筑物断裂；在正曲率作用下（表面相对凸起），建筑物的两端部分悬挂，使建筑物墙有倒八字裂缝。在严重的情况下，梁的末端将被从墙上或柱上拔出来，导致建筑倒塌。

2.2.土渗加固理论

2.2.1.地下水渗漏理论。地下水的运动一般分为饱和水与重力水的运动和毛细管水与毛细管水和复合水的运动。所谓的地下水运动是指饱和水与重力水的运动。渗漏是指土壤孔隙中的地下水流动。地下水的渗透是由土壤介质的渗透性和水头差引起的。当地下水处于静力平衡状态时，土壤中各点的水势能相等；当地下水位降低时，由于土壤从高能量到低能量的原始平衡被破坏，土壤各点产生势能差。在土壤渗流分析中，头通常用来表示势能，任何点的头h如下：

(1)

其中，z是从计算点到参考平面的距离。u是此时的孔隙水压力；gamma;_omega;水的体积密度是v吗_x是渗透的速度。上述公式中的三个右项表示位置头、孔压力头和速度头。通常，由于小流速v_x对于上半体对总势能的影响可以忽略，即：

2.2.2.Biot整合理论。在土壤中取一个微量元素。如果体积力只考虑重力，则z方向与重力方向相反，压缩应力为正。微量元素的三维平衡方程如下：

其中，c为土壤的体积密度，sigma;x、sigma;y和sigma;z为总应力。根据有效应力原理，总应力为有效应力sigma;′与孔隙水压力u的总和，孔隙水不能承受剪应力。以上公式可重写如下：

其中，sigma;x′、sigma;y′、sigma;z′为有效应力，（sigma;u/sigma;x）、（sigma;u/sigma;y）、（sigma;u/sigma;z）为每个方向的单位穿透力。在正常情况下，假设土壤完全饱和，土壤颗粒和水不可压缩，在dt时间内流出单位体的水量必须同时等于单位体的体积变化。当考虑源汇项omega;时，连续条件如下：流出单位体的水量和dt时间内源汇的变化的总和必须等于单位体同时的体积变化，即：

当不考虑源接收项omega;时，上述公式如下：

上述公式为用位移和孔隙水压力表示的连续渗漏方程。孔隙压力和位移随时间的变化必须同时满足平衡方程和连续性方程。这两个方程与比奥特的巩固方程有关。它包含4个未知的函数u、w_x，w_y，w_z。这四种未知数可以在一定的初始条件和边界条件下得到求解。

2.3.有限元法的应用程序

2.3.1。模型的自由裁量权。解模型离散成有限数量的单元，并选择适当的单元类型来模拟实际的物理性质。单元只在节点上相互连接；也就是说，原始解域被有限数量单元的集合近似所取代。

2.3.2.对该装置的分析。利用几何方程，元素的应变关系由关节位移表示：

其中，{ε}为元素应变矩阵，[B]为几何矩阵，而{ε}^e是元素的位移矩阵。利用物理方程，元素的应力关系由关节位移表示：

{sigma;}是元素应力矩阵，[D]是与元素材料相关的弹性矩阵。上述公式也适用于非线性材料（如非线性弹性、弹塑性、粘弹性等）。并对不同的材料使用不同的材料矩阵。利用虚拟工作原理，建立作用于构件上的关节力与关节位移之间的关系，即构件刚度方程：

其中，k是元素刚度矩阵。

2.3.3.总体分析和解决方案。根据相邻单元在公共节点上均位移的原理，组装每个单元刚度矩阵，形成整体刚度矩阵，形成作用于每个单元上的等效节点力阵列，形成总负载阵列。得到了由整体刚度矩阵、负载阵列和整体节点位移阵列{delta;}表示的整个结构的平衡方程：

在方程中引入边界条件后，可以求解得到未知节点位移。

1. 实验方法

3.1、观测点平面布置及施工

3.1.1，水平参考点。本次勘察有3个参考点，编号为BM1-BM3，位于基坑西北方向，中山路与青年街交叉口，距基坑西北角485米，远离施工变形区。

3.1.2.沉降观测点。地面沉降观测点设在基坑西侧的人行道隔离带和南侧大溪路人行道的人行道上。设置在50米左右，设置11个地面沉降观测点。这个数字是D1-D11。地面沉降观测点采用长度为Phi;22m，长为1.5m的钢筋。

3.1.3.支持位移参考点。在此测量中，在顶梁在基坑周围的中点上设置了四个位移参考点，编号为G1-G4。参考点由钢筋插入混凝土平台中心，焊接到顶梁上的钢筋上。

3.1.4.有位置位移的观察点。基坑周围现浇桩顶梁上设支护观测点。观测点之间的距离约为40米，有13个点，编号为B1-B13。观测点采用顶梁内钢筋焊接，钢筋底部加固，确保每个测量点与顶梁牢固结合。

3.2.评价标准（1）《中华人民共和国国家标准与工程测量标准（GB50026-93）》

（2）《中华人民共和国国家标准和建筑基础设计规范》（GB50007-2002）

（3）《中华人民共和国工业标准·《建筑地基坑支撑技术规程》（JGJ120-99）

（4）《中华人民共和国工业标准与建筑基坑技术规范》（YB9258-97），标高和平面均采用独立的坐标系。垂直位移观测点高程误差为plusmn;1.0mm，水平位移观测点位置误差为plusmn;3.0mm。根据国家二级水准技术要求，数据可反映真实情况。

立面和平面都使用一个独立的坐标系。垂直位移观测点高程误差为plusmn;1.0mm，水平位移观测点位置误差为plusmn;3.0mm。根据国家二级水准技术要求，数据可反映真实情况。

3.3.监测仪器和准确性。沉降观测仪器采用瑞士N3精密水准仪（DS05级仪表）和独立钢量尺。水平精度：plusmn;0.4mm/km。位移观测仪采用日本TopconGTS-332W全站仪，测距精度：plusmn;2mm 2ppm，测角精度：2英寸。

4.研究结果和讨论

4.1.基坑相邻框架结构的沉降分析。

4.1.1.框架结构与基坑距离的影响。当相邻框架结构与基坑墙之间的距离分别为5m、10m、15m、20m、30m时，基础沉降如图1所示。

从图1中可以看出，与不考虑建筑的情况相比，考虑框架结构的同一土层位置的沉降比不考虑建筑的沉降更大。从图1可以看出，在不同距离

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