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基坑开挖引起地面沉降研究

2017-07-04李果

建材发展导向 2017年3期
关键词:分析方法

摘 要:城市基坑开挖引起的地面沉降是城市管理、建设需要注意的关键性问题,具有出现的范围广泛、发生灾害后果恶劣等基本特点。根据对国内外文献的检索与参考发现,地面沉降的方式分为土体固结引起的沉降、孔隙水体渗流引起的地面沉降、围护结构变形引起的沉降、坑底回弹引起的沉降、支撑拆除引起的土体向内变形沉降。

关键词:分析方法;机理研究;沉降监测

近年来由于轻轨交通的运量大,速度快,耗时短的特点,到2016年年底,全国已经建成大约2500公里的轨道里程。由于国务院放开了轨道交通建设的审批门槛,所以各大城市也在紧锣密鼓的加紧各自城市的城市轨道交通的建设步伐。但是由于南北方的天然地质条件有相当大的差别,在这种无差别式的发展模式下,必定会引起较为严重的岩土工程问题。

1 计算分析方法

1.1 有限元法

有限元法的关键思维是把一个连续的整体划分为若干个子单元,并通过节点之间的相互连接作用,组成一个组合整体,对于其内部的每个单元都采用一个近似的函数来表示,并且最后表示出整个求解区域的未知变量,再通过原始数学模型的分析,建立要求解未知量的微分方程,再表示为矩阵方程,最后得到原始问题的解答。有限元法有其自身不可替代的优越性:(1)几何模型适用性:其内部单元可以是不同的几何形状。(2)物理问题适用性。(3)严格理论之上的可靠性。(4)计算机计算的高效性。

1.2 地层损失法

地层损失法采用的是弹性地基粱法,地层损失法最先用于隧道地面沉降的计算,其损失量为开挖土体的体积与隧道体积的差值,并通过这个差值大小来确定地层损失率,进而估计地面沉降的大小。而现今的基坑开挖中,也极为广泛的得到运用,把围护结构侧向的位移围城面积与地面沉降的面积之比值关系,求得地面的沉降。

1.3 估算法

(1)时空效应法:通过工程实践的证明在基坑开挖支撑中,由于基坑开挖会使得土体被暴露于空气中,进而使得时间会影响坑体的稳定性和变形变位,甚至当开挖基坑的尺寸大小较大时,这种时空效应会更加的明显。(2)稳定安全系数法:在此法的最关键性结果是认为,基坑底部抗隆起安全系数、支护结构最大水平位移、地面最大沉降,这三者存在一定的关系,从而通过彼此的关系进行实践性运用,解答实际问题。

2 沉降机理及影响因素

地面沉降是一个由多方面因素耦合的结果,既有人为的因素也有自然的灾害因素,地下结构的开挖、土体自然固结、荷载变化再压缩、地下水位开采变动、降雨引起的渗流力作用、海平面的上升等都是沉降不可忽视的重要因素。

2.1 軟土自重压密固结

地面沉降量随着时间增长而增大,在软土和人工填土等空隙较大、压缩性较强、承载能力较低的地区,会发生土体在自身重力的作用下,土体排除自身水分、颗粒重新排列的作用,使得土越趋密实,使得地面不可避免的发生沉降。

2.2 地下开采过量沉降

地下水位开采会引起土体的原始应力的有效应力发生变化,进而推进土体的再次固结变形,而松散土体颗粒的变形是由于土体内部本来就存在大大小小的空隙没有完全的压缩密实,开采会引起原始应力的平衡被打破,从而土体会寻求新的平衡点,使得土体内部颗粒发生重新排列,引起地面的塌陷甚至崩塌事故的发生。

2.3 地下渗流力的作用

在开挖区,一般会形成开挖临空面,而当地下水位较开挖区而言较高时,会使得坑体外部的水分会沿着地表向坑内发生流动,在流动的过程中,会产生一定的渗流力,渗流力对于土体的固结和沉降有着加剧的作用。并且水分的润滑,更加有利于颗粒间的移动,对沉降位移也是一大因素。

2.4 城市高程建筑物之间的相互作用

由于现代化建设的持续化进行,城市化也在加紧步伐,城市高程建筑物如同雨后春笋般的耸立,势必会对原始的地层造成附加的荷载作用,使得地面发生再次压缩变形,更有甚者,彼此之间应力影响区的重叠,造成更加剧烈的地面变形破坏。

3 地面沉降监测

地面沉降的监测作为评价和验证地面危害性研究具有极其重要的作用,能够及早的提醒人们对于沉降危害的预防和治理,监测的技术大致可以分为以下几个方面:水准测量技术、三角高程测量技术、GPS测量技术、INSAR监测技术、分层沉降监测技术。

3.1 水准测量技术

在有地面沉降的地区,布设地面沉降水准网,对地面沉降进行反复的监测研究,并为控制地方沉降提供准确、可靠地资料。

3.2 三角高程测量技术

通过对自身位置和需要观测位置的角度测量和水平距离的测量工作,从而利用三角函数关系,计算出地面沉降的大小的方法,对于不同的地势条件都有很好的适用性。

3.3 GPS测量技术

主要是通过相对定位方式,对于不同的点可以得出该点的三维坐标,从而达到监测沉降的目的,但是此方法对监测系统的选择有很大的要求。

3.4 INSAR监测技术

合成孔径雷达干涉技术,是通过雷达技术获取SAR图像,并利用不同角度时SAR图像具有不同相位差或干涉条纹的原理,从而可以通过调整视角,从而得到分辨率较高的数学高程模型。

3.5 分层沉降监测技术

针对土体,在不同的高程和位置,设置沉降观测点,来测量土体的分层沉降值,继而得到总体的沉降值。分层沉降系统可以分为:钢尺沉降仪、沉降管、沉降环等。

4 结语

地面沉降是城市公路、地铁隧道、基坑开挖、地下开采工程中常见的地质灾害问题,文章分析了基坑开挖的地面沉降影响因素、沉降观测手段、和沉降的机理性研究,为我们更好地认识和预防地面沉降危害的发生,有效保护生命财产安全,对社会的发展有着积极地作用。

参考文献

[1] 孙世坤,地铁深基坑墙后地表沉降规律研究[D].中国地质大学(北京)硕士论文,2012.

[2] 安鹏,宋文华,伍东.Peck法在全地下式泵站基坑周围地表沉降安全监测中的应用[J].建筑安全,2008(11).

[3] 边亚东,潘洪科,孙敏.深基坑开挖周边地表沉降的估算方法[J].中原工学院学报,2007,18(04).

作者简介:李果(1994.12- ),男,重庆人,硕士,重庆交通大学,研究方向:岩土工程。

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