鄰水深基坑開挖室內模型試驗研究

王寶存,朱大勇,王小金,蔣澤鋒,盧坤林

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009;2.土木工程結構與材料安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230009)

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鄰水深基坑開挖室內模型試驗研究

王寶存1,2,朱大勇1,2,王小金1,蔣澤鋒1,盧坤林1

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009;2.土木工程結構與材料安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230009)

摘要:文章采用室內縮尺模型試驗對基坑開挖下土壓力分布、變形機制進行了分析,并研究了水體對基坑開挖效應的影響。結果表明:隨著開挖深度的加大,基坑周圍的應力值在減小,且與開挖深度處于同一深度的土體的應力變化幅度最大,尤其在鄰水狀態下,應力變化幅值曲線會有明顯的拐點;基坑側向位移逐漸增大,但增幅逐漸減小,非鄰水狀態下位移曲線走勢平滑穩定,鄰水狀態下位移在開挖深度達到一定值時會有減小趨勢。試驗研究成果對基坑開挖效應的分析,特別是鄰水基坑的研究具有一定的參考價值。

關鍵詞:基坑工程;模型試驗;開挖效應;地下連續墻;鄰近水體

0引言

20世紀60年代,Terzaghi和Peck根據地鐵支護結構的實測資料,提出了著名的Terzaghi-Peck表觀土壓力理論[1-2],被國際上基坑支護設計所廣泛采用。在深大基坑中,地下連續墻以其自身整體剛度大、強度高及防滲擋土等優點被廣泛應用,并開始在世界各國迅速發展[3]。

目前常用于分析基坑開挖理論的方法有彈性抗力法和有限元法[4-5],已在一定程度上用于指導或輔助設計施工。除理論外,對于基坑的研究一般采用現場原型試驗、室內物理模型試驗和計算機數值模擬[6-10]等。室內物理模擬試驗具有周期短、花費少、能較直觀真實地展現原型等優點[11]。通過模擬基坑開挖的試驗研究,可直觀地觀察和分析基坑開挖后的變形及其前后土壓力的分布、變化規律,為理論研究提供依據[12-15]。本文以合肥地鐵大東門站為原型,采用室內縮尺模型試驗研究了基坑開挖下土壓力分布、變形機制及破壞模式等,分析了堆載、不堆載及鄰水對基坑開挖效應的影響,為地下連續墻基坑開挖效應分析提供了試驗數據支持。

1室內模型試驗

本試驗以合肥地鐵大東門站為原型,土體來自合肥地鐵大東門站施工現場,是一種真實土料,并沒有改變土質的物質組成,在室內將土體用機械夯實使土體重度增大至與現場地層粉砂質土重度相同,然后將土體靜置一定的時間再開挖來模擬現場施工,土的基本物理性質指標如下:液限為48.5%,塑限為23%,塑性指標為25.5%,自由膨脹率為62%,最佳含水量為22%,最大干密度為1.58 g/cm3,重度為18.82 kN/m3,黏聚力為26 kPa,內摩擦角為12°,天然密度為1.92 g/cm3。根據相似性原理[16],試驗采用室內縮尺模型結構。由于試驗條件的限制,本試驗并沒有嚴格按相似率進行,只是一種簡單的模擬試驗。

本文旨在通過室內模型試驗,模擬基坑開挖過程，測量土體應力在各個階段的發展、變化過程,獲得在各個階段土體應力的大小、分布及其他一些規律,并監測在各個階段基坑壁側向位移的變化。

試驗工作是在模型槽內進行的,在參考大量文獻及考慮實際試驗條件的基礎上,確定了本試驗的模型槽基本尺寸為1.8 m×1.5 m,長度方向為開放式,不固定長度,寬度方向一側開有一梯形槽口,用于方便試驗時進出模型槽,如圖1所示。試驗分為不堆載、堆載及鄰水3組,其中基坑開挖采用邊開挖邊支護形式。開挖時一側支撐一側不支撐,以方便數據對比。

本試驗主要測量土體的應力變化及地下連續墻頂部的側向位移。土壓力盒埋置如圖2所示,共計24個,分底層、中層、頂層,以圖2a的順序給土壓力盒編號。其中1～3號土壓力盒只布置在底層。位移計布置如圖1所示,測量地下連續墻支撐側和不支撐側的位移。

圖1　模型試驗和堆載裝置圖

圖2　土壓力盒埋置圖

2試驗結果分析

2.1土體應力與開挖過程的關系

在基坑開挖過程中,由于基坑內一側的土體被挖走,地下連續墻就會發生向坑內的位移,土體中的原始應力平衡和穩定狀態會被破壞,從而由相對靜止狀態轉化為變形運動的狀態,土體中的應力會發生應力重分布。首先分析模型底層未支撐側遠端3點,在堆載和鄰水時相對應的土體應力值會有所增大,但基本變化趨勢相似。由此可得,隨著土壓力盒離地下連續墻距離的增加,土體應力不再隨開挖深度的增加而變化,本試驗基坑的影響邊界為60 cm左右,可知以上土壓力盒的布點均在基坑影響范圍內。

在同一水平側,分析未支撐側底層、中層及頂層3層的應力變化情況,如圖3～圖5所示。

圖3　不堆載下未支撐側土體應力-開挖深度關系

圖4　堆載下未支撐側土體應力-開挖深度關系

圖5　鄰水狀態下未支撐側土體應力-開挖深度關系

結果表明,隨著施工過程的繼續,到第1步結束深度在30 cm處的土體應力減小,而深度在50 cm和70 cm處的土中應力變化不明顯,說明開挖施工過程中擾動了土體,改變了土體原有的應力狀態。離開挖位置近的地方,受到的影響比較大,而遠離開挖位置的土體應力變化不明顯,說明開挖施工對土體應力的影響是有一定范圍的。當施工到第2步開挖時,土體應力比前一步施工步驟中普遍減小,說明隨著開挖深度的增加,基坑的影響范圍越來越大,土中的應力場也隨即改變。由此可知,隨著開挖深度的增加,基坑周圍的應力值減小,而且開挖深度越接近于土壓力盒的埋深時,該土壓力盒所測得的應力變化幅度越大,尤其在鄰水狀態下,應力變化幅值曲線出現了明顯的拐點。

對比圖3和圖4可以發現，堆載情況下土體應力變化值普遍比未堆載時要大,這是因為堆載是模擬深基坑開挖的過程,說明深基坑開挖時土體應力變化幅值更大。而圖5中,在第1步開挖時土體應力會出現增大的情況,這是因為地下連續墻內的土體開挖,模型的滲流場發生變化,土體應力中水壓力所占比例較大，而后土體應力又回歸正常的變化。由圖3～圖5可知,與堆載狀態相比,鄰水狀態對基坑開挖效應的影響更大。在實際基坑開挖工程中,對于深基坑,特別是涉及鄰水深基坑,施工中應尤為注意。

比較地下連續墻的支撐側與未支撐側,以4號點和5號點的應力值變化為例,可得土體應力與開挖深度的關系如圖6所示。由圖6可知，在未堆載情況下,兩者的應力變化幅度差別不大,這是因為基坑開挖對土體應力的影響較小;而在堆載狀態時,相當于模擬深基坑的開挖,此時支撐對減小土體應力變化的作用明顯；在鄰水狀態下,由于水體會繞著地下連續墻模型槽進入基坑內,這時水壓力在土體應力中所占比例較大,所以兩者的變化幅度差別不大。

圖6　支撐側與未支撐側土體應力-開挖深度關系

本試驗中對地下連續墻支撐是非常簡單的支撐形式,這與實際施工中所做的支撐差別較大,但也很好地發揮了支撐的作用,通過對比數據發現支撐的效果很明顯。以圖2中5號土壓力盒位置不同深度的3點作為分析對象,比較不同開挖深度時土體應力與埋置深度的關系,如圖7所示。

由圖7可以得出,隨著埋置深度的增加,土體應力呈現增大的趨勢,但在堆載時土體應力的變化增幅最大。各土體應力的增幅,在開挖深度與土壓力和埋置深度相近時最大。而在堆載時,土體應力的增長率是減小的,說明在深基坑開挖時,土體應力隨著基坑開挖深度的增加,土體應力變化有減小的趨勢。當基坑開挖到一定深度時,上層土體應力的變化會不明顯。

圖7　不同開挖深度下土體應力-埋置深度關系

2.2基坑側向位移與開挖過程的關系

隨著基坑的開挖,基坑會產生向坑內的側向位移,當變形達到一定程度時,基坑會失穩破壞。因此研究基坑側向位移隨開挖過程的變化規律,對深基坑支護的設計與施工有著重要的現實意義。考慮到地下連續墻位置的對稱性,本試驗僅布置了2個位移計,用于測量基坑支撐側與未支撐側頂部的側向位移。相對應的側向位移與開挖過程的關系如圖8所示。

由圖8可知，基坑側向位移隨著施工過程的進行,呈現增大的變化趨勢,曲線大體呈拋物線狀,3種情況下曲線形狀基本相同。基坑側向位移變形增量開始很大,而后很小,這是因為隨著開挖過程的繼續,連續墻的支護作用越來越明顯。在鄰水狀態下，地下連續墻產生的側向位移比堆載時大,說明本試驗中水對基坑開挖效應的影響更加明顯。鄰水狀態下位移在某一開挖深度時會有減小的趨勢,這是由于水體的作用導致連續墻整體移動。

圖8　不同工況下側向位移-開挖深度關系

3結論

(1)隨著開挖深度的增加,基坑的影響范圍越來越大,土體中的應力場也隨之改變;開挖深度接近土壓力盒埋深時,土體應力的變化幅值最大。

(2)在堆載和鄰水狀態下,應力變化幅值普遍比不堆載狀態時要大,尤其是在鄰水狀態下,應力變化幅值曲線會有明顯的拐點。

(3)鄰水狀態下基坑的土體應力及側向位移變化比較劇烈,此時水流會在土體內流動，最后形成一個穩定的滲流場,這對基坑開挖效應的影響十分明顯。尤其是在鄰水狀態下側移在開挖深度達到一定值時會有減小趨勢。

(4)由于模型試驗尺寸、開挖方法的原因,模型試驗與實際工程存在一定差別,但對研究基坑開挖下土壓力分布、變形機制的分析仍具有一定的參考意義。

[參考文獻]

[1]陳仲頤,葉書麟.基礎工程學[M].北京:中國建筑工業出版社,1990:6-10.

[2]張克恭,劉松玉.土力學[M].北京:中國建筑工業出版社,2010:11-15.

[3]徐方京,譚敬慧.地下連續墻深基坑開挖綜合特性研究[J].巖土工程學報,1993,15(6):28-33.

[4]趙海燕,黃金枝.深基坑支護結構變形的三維有限元分析與模擬[J].上海交通大學學報,2001,35(4):610-613.

[5]胡孔國,吳京.深基坑開挖和支護全過程分析的彈塑性有限元法[J].建筑結構,1999(3):34-36.

[6]龔曉南.關于基坑工程的幾點思考[J].土木工程學報,2006,38(9):99-102.

[7]Luo Z,Zhang Y,Wu Y.Finite element numerical simulation of three-dimensional seepage control for deep foundation pit dewatering[J].Journal of Hydrodynamics:B,2008,20(5): 596-602.

[8]馬慶宏,朱大勇,雷先順,等.無黏性土斜坡地基承載力模型試驗研究[J].巖土工程學報,2014,36(7): 1271-1280.

[9]Mo Y L,Hwang J M.Seismic response of reinforced concrete buildings close to deep excavation[J].Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,1997,145(1):117-134.

[10]Ou C Y,Lai C H.Finite-element analysis of deep excavation in layered sandy and clayey soil deposits[J].Canadian Geotechnical Journal,1994,31(2): 204-214.

[11]左東啟.模型試驗的理論和方法[M].北京: 水利電力出版社,1984:1726.

[12]劉紅偉,聶宗泉,胡成,等.上海地鐵某車站深基坑土壓力實例分析[J].合肥工業大學學報: 自然科學版,2007,30(3):301-303，307.

[13]閆芙蓉,范文,王勇,等.黏性土地基的破壞模式試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2008,27(Z2):3998-4003.

[14]何世秀,韓高升,莊心善,等.基坑開挖卸荷土體變形的試驗研究[J].巖土力學,2003,24(1):17-20.

[15]謝貽軍,錢德玲,魏雪云.緊鄰地鐵站的超大深基坑逆作法變形規律研究[J].合肥工業大學學報: 自然科學版,2014,37(10):1231-1238.

[16]楊俊杰.相似理論與結構模型試驗[M].武漢: 武漢理工大學出版社,2005:24-32.

(責任編輯閆杏麗)

Laboratory model test for the excavation of foundation pit close to river

WANG Bao-cun1,2,ZHU Da-yong1,2,WANG Xiao-jin1,JIANG Ze-feng1,LU Kun-lin1

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering,Hefei 230009,China)

Abstract:The distribution of soil pressure and deformation mechanism under the condition of foundation pit excavation were studied by using the laboratory scale model test,and the excavation effect of foundation pit affected by water nearby was also presented. The results show that the stress around the foundation pit decreases when the excavation depth increases. The measured soil pressure is greatest when the soil depth is same to the excavation depth. The variation curves of stress amplitude have obvious inflection points when the excavation is approaching the river. Meantime,the increment of lateral displacement deformation of foundation pit is tending to be great. The curves of displacement not close to the river will be steady and smooth,however,the curves will abruptly decrease when the pit is excavated to a certain depth close to river. The experimental results are valuable for the analysis of foundation pit excavation,especially for the research on foundation pit close to river.

Key words:foundation pit engineering;model test;excavation effect;underground diaphragm wall;nearby water

收稿日期：2015-02-12；修回日期：2015-04-30

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51179043);合肥市軌道交通質量監督站專項經費資助項目(2014CGFZ0200)和合肥工業大學博士學位人員專項基金資助項目(J2014HGBZ0117)

作者簡介：王寶存(1987-),男,山東菏澤人,合肥工業大學碩士生; 朱大勇(1965-),男,安徽樅陽人,博士,合肥工業大學教授,博士生導師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.06.015

中圖分類號:TV551.42

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)06-0790-05