地下工程施工环境影响与保护

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安全 离基坑周围H范围内设有重要的 干线水管、对沉降敏感的大型构
筑物、建筑物
离基坑周围H范围内设有较重要 支线管道和建筑物、地下设施
离基填坑周围30m范围内设有需 保护的建筑设施和构筑物,地下
管线
3)基坑施工的时空效应问题
(1)基坑施工稳定和变形
基坑施工稳定和变形,与以下各方面密切相关: ①基底土方每步开挖的空间尺寸(平面大小和每步挖
天然影响因素主要有两类: ① 海平面相对上升及土层的天然固结,
导致地表沉降; ② 地震的冲击作用,引起地面沉降。
人为影响因至少主要有三类:
①抽汲地下液体及表层排水导致地面沉 降的有关因素;
②开采地下深处的固体矿藏,也可能引 起地面沉降。
③岩溶地区,塌陷是导致地面沉降的主 要影响因素。
放缓降水漏斗线坡度,设置隔水帷幕; (8)在保护区内设回灌系统; (9)尽量减少降水次数。
10.1.3 深基坑开挖引起临近地 下管线的位移分析
地下管线位移计算可按竖向和水平两个 方向的位移分别计算。
①地表沉陷范围
设沉陷区长度取基坑边长的2倍,宽度ω 取为:
Htan4(5 )
2
②纵向沉陷曲面:
地下工程施工环境 影响与保护
第10章
10 地下工程施工环境 影响与保护
10.1 基坑开挖工程的环境土工问题
10.1.1 软土深、大基坑工程及其环境土工问题
1)地表沉降与土层位移
多采用地下连续墙或水泥土搅拌加灌注 式排桩为坑壁围护结构,引起的地表沉 降与土层位移,由以下6个部分组成:
(1)墙体弹性变位; (2)基坑卸载回弹、塑性隆起、降水不当引起的管涌、翻砂; (3)墙外土层固结沉降; (4)井点或深井降水带走土砂; (5)墙段接头处土砂漏失; (6)槽壁开挖,地层向槽内变形。
上海
1999年,中心城区平均沉降量为10.74毫米。 引起上海地面沉降的原因主要是开采地下
水、市政工程及高层建(构)筑物的建设。上 海中心城区的地面沉降在1921年-1965年为快 速沉降时期,年均沉降37.6毫米,之后的十几 年呈现缓慢沉降态势。
西安市
一九九五年以前,迫于西安市生活用水的 紧张,许多开采承压水的自备井纷纷涌现 .
基坑分段、分层、分步开挖一支撑施工示意
5)变形监控
变形监控工作的内容主要包括: (1)施工工况实施情况跟踪观察; (2)日夜不中断的现场监测与险情及时预
测和预报; (3)定量反馈分析,信息化设计施工; (4) 及时修改、调整施工工艺参数; (5) 及时提出、检验、改进设计施工技术措
施。
城市规划区出现七个较大的下降漏斗,沉降 幅度最高超过五百毫米。著名的大雁塔因此 而倾斜,建于明代的西安钟楼则下沉了三百 九十五毫米。
封井限采后,地面沉降已大大缓解。
阜新新邱区
沉陷区地表沉降深度平均为1.43米,水 平移动距离为0.474米。
沉陷区的道路很有特点,坑坑相扣,坡坡 相连,道路两侧的房屋、院墙和地面,随 处都能看到裂缝,最粗的裂缝手指都能伸 进去。 地下有“喀吧喀吧”的响声,似闷雷。
软粘 0.75~0.5

5
硬粘 0.55.~0.

40
二级
软粘 0.60~0. 土 45
硬粘 0.40~0. 土 30
一级
软粘 0.70~0.5

0
硬粘 0.45~0.3
三级
软粘 0.60~0. 土 40
硬粘 0.40~0.
②施工参数的选择
4)地铁车站深大基坑的施工技 术要求
(1)先撑后挖,留土堤; (2) 对支撑施加设计轴力(30%~70%)的预应力; (3) 每步开挖及支撑的时限tr≤24h; (4) 坑内井点降水以固结土体、改善土性,减少土的流变发展。
10.2.4 人工回灌与地面回弹
对地下含水层(组)进行人工回灌,则有利 于稳定地下水位,并促使地下水位回升,使 土中孔隙水压力增大,土颗粒间的接触应力 减小,土层发生膨胀,从而导致地面回弹现 象,减缓地面沉降已初步得控制。
地面回弹模型的建立与求解是一个非常复杂 的系统课题。
10.2.5 控制地面沉降的措施
xx 1 exp(u2 [2)d ] u
2
r x o x m ,则 2x o rx m 2 (2 .5 ) 0 .99 1 .3 0 7
Fs rma x
2 xm
r
支护结构变位曲线包络面积Fw 计算
最小二乘原理可理可得下列方程组:
n
n
n
a zi2b zi cnyi
i1
竖向位移方程中常系数的确定
应根据边界条件,确定地下管线竖向位 移方程中的常系数,边界条件不同,求 得的常系数亦不同,从而得到不同的位 移方程。
(3)地下管线水平位移微分方 程的求解
地下管线水平位移方程
y x y 0 1 x 1 2 x E M 0 2 I3 X Q 0E 1 3 I4 X F 水平 f水平 E 修 13 I0 X [kha z2c] 4[xz]
④沉降曲线包络面积Fs与支护结构变位曲线
包括面积Fw之比为: Fs /Fw0.85
基坑开挖引起支护结构侧移和 地表沉降
x m a xex p (x/r)2
yaz2bzc
地表沉降曲线包括面积Fs
F x0xm
s
xm
(x)dxmax
x0xmexp[(xr)2]dx可 推 得 :
xm
Fsrmax 2xo rxm1 2xrm
(4)地下管线合理计算模型分 析
进行地下管线竖向位移分析时,按固定支座的弹性 地基梁分析是能满足实际要求的,是较合理计算模 型。
本讲要点
地表沉降曲线的分析方法; 地下管线的位移分析方法;
10.2 地下水对环境的影响
10.2.1 1)地下水位上升的情况 (1)浅基础地基承载力降低; (2)砂土地震液化加剧; (3)建筑物震陷加剧 (4)土壤沼泽化、盐渍化;
深)。 ②开挖顺序。 ③无支撑情况下,每步开挖土体的暴露时间tr。 ④土围压护力结 系构 数;水平位移。βKH是因土体流变而折减的被动 ⑤基底抗隆起的稳定性。Ks
(2)基坑施工的时空效应
①开挖一支撑原则:分段、分层、分步 (分块)、对称、平衡、限时;
②对分段、分部捣筑的现浇钢筋混凝土 框架支撑,注意局部平衡 ;
3.Ks≥2.2
一级 二级 三级
1.地面最大沉降量0.2%H 2.围护墙最大水平位移0.3%H 3.Ks≥2.0
1.地面最大沉降量0.5%H 2.围护墙最大水平位移0.7%H 3.Ks≥1.5
1.地面最大沉降量1%H 2.围护墙最大水平位移0.7%H 3.Ks≥1.2
环境保护要求
基坑周围10m范围内设有地铁、 共同沟、煤气管、大型压力总水 管等重要建筑及设施、必须确保
了解地面沉降研究现状
(3)抽水压密引起地面沉降的 研究方法
① 黑盒模型 完全以经验为基础的方法,所观察到的
地面沉降与总抽水量的有关。 ② 非耦合模型 ③ 半耦合模型 ④ 完全耦合模型
抽水压密导致地面沉降的计算 模型
仅作了解。 (1)Gambolati-Freeze模型; (2)Corapcioglu-Brutsaert模型。
1)统一制定经济发展规划;(绿色GDP) 2)制定各种政策,合理控制开采地下水;(经
济杠杆) 3)人工补给地下水(技术手段) 4)治理措施(滨海、滨江地段) 5)岩溶塌陷导致地面沉降的防治措施(以防
为主,并结合填充)
1)地表塌陷 2)地面沉降 3)海(咸)水入侵 4)地裂缝的复活与产生 5)地下水源枯竭,水质恶化 6)对建筑物的影响
10.2.3 地下水位与地面沉降
在天然条件和人为因素的影响之下,区 域性地面标高的降低,称为地面沉降。
主要影响因素,可以分为天然影响因素 及人为影响因素,其中,地下水位波动 对地面沉降具有重要的影响。
b
b
yw
ss
或b b0 M v h
取消了关于含水层组的渗透系数K、比贮水系数Ss、压缩系数Mv
视为常数的假设,仍采用Terzaghi的一维竖向固结理论的假设。
③ 地面沉降的流变学理论
次固结作用对地面沉降的影响 、粘弹性地面沉降理论,弹塑性地 面沉降理论 。
本讲要点
理解地下水位的上升与下降对岩土工程 的影响;
(1)~(3)主要造成了墙后土层位移和地表沉降; (4)~(6)则应从施工技术、经验与管理上加以控制,
使之减低到最小的允许限度。
2)基坑变形控制的环保 等级标准 基坑变形控制环保等级标准 表10-1
保护 等级
地面最大沉降量及围护结构水 平位移控制要求
1.地面最大沉降量0.1%H 特级 2.围护墙最大水平位移0.14%H
i1
i1
n
n
n
n
a zi3b zi2c zi ziyi
i1
i1
i1
i1
n
n
n
n
a zi4b zi3c zi2 zi2yi
i1
i1
i1
i1
若知道支护结构顶点坐标(0,c)和极 值点(zm,ym),可由式(10-7)算得:
a c ym
z
2 m
b 2(c ym) zm
F wo hf(z)d z1 3a3h 1 2b2 hch
因过度开采地下水,中国华北地区出现世界 罕见的漏斗区,面积已经达到4万平方公里, 目前仍在扩大之中。
华北平原形成了30多个小漏斗区。河北 省、天津市、山东德州市的漏斗区连成一片, 面积为中国之最。
在沿海地区,漏斗区域极易引起海水内侵, 咸水扩散。秦皇岛市区已经遇到这一问题。
沧州,超采地下水最深已达95米,比水平 面低七八十米。
③理论导向,量测定量,经验判断 ; ④摈弃以大量人工加固基坑来控制其变
形的传统作法。
(3)围护结构内、外主动与被 动土压力的取值
①βKH值的确定 βKH是可按基坑开挖实测得的变形值,经反演分析;
主动侧压力系数取值表
基坑保 护 土性
等级
侧压力 系数 K
百度文库
基坑保 护等 级
土性
侧压力 系 数
K
特级
(5)岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不 良地质现象;
(6)地下水位的冻胀作用的影响; (7)对建筑物的影响; (8)对湿陷性黄土、崩解性岩土、盐渍岩土
的影响;
(9)膨胀性岩土产生胀缩变形
10.2.2 地下水位下降的情况
地下水位下降往往会引起地表塌陷、地 面沉降、海水入浸,地裂缝的产生和复 活以及地下水源枯竭,水质恶化等一系 列不良地质问题,并将对建筑物产生不 良的影响。
rmax( 2xrm)0.85Fw
2)减少沉降的措施
使δ≤[δ]。具体措施为: (1)采取刚度较大的地下连续结构; (2)分层分段开挖,并设置支撑; (3)基底土加固; (4)坑外注浆加固; (5)增加维护结构入土深度和墙外围幕; (6)尽量缩短基坑施工时间; (7)降水时,应合理选用井点类型,优选滤网,适当
软土基坑工程控制变形的 设计程序框图
10.1.2 深基坑周围地表 沉降分析
1)支护结构变位引起地表沉隆估算方法
①地表沉降曲线为正态分布: m e e x x(/ p r ) 2
②地表沉降范围为:x0 1.5hg
③墙体水平位移ymax为墙后地表沉降δmax的1.4

ymax1.4max
地面超载传至地下管线顶部的竖向荷载
为q1:
q1 kvy
q1
kv(l2
x2
)
I区(沉陷区)的竖向位移方程y(x): II区(非沉陷区) y’(x):
y (x ) y 01 (x )0 12 (x ) E M 0 2I3 (x ) Q 0 E 1 3I4 ( ) f竖向
雷洛夫函数
y (x ) e x ( C co x ) s e (M co x s N six ) n q 0 K v
地面沉降研究现状
(1)地面沉降机理分析 经过若干学者的研究表明: 抽水引起地层压密而产生地面沉降,是有效
应力增加的结果。
Puw
P u w u w u w
(2)地面沉降理论与模型的 发展
土层产生压缩,一般认为,固结是主固结和次 固结两部分组成。
① 经典弹性地面沉降理论 ② 准弹性地面沉降理论
纵向沉陷曲面取为抛物面,顶点位于00’ 线(中轴线)上,AA’、BB’上总的沉陷值 为零。
(2)地下管线竖向位移计算
图10-6地下管线位移曲线
(a)铰支座情况;(b)固定支座情况
沉陷曲线 x l, y 0; x l, y 0,
x 0, y
得a l2;b 0;c
y
l2
x2
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