某井場基坑變形時空演化特征的底摩擦試驗

辜 建 軍

(中石化西南油氣分公司工程監(jiān)督中心，四川 德陽 618000)

某井場基坑變形時空演化特征的底摩擦試驗

辜 建 軍

(中石化西南油氣分公司工程監(jiān)督中心，四川 德陽 618000)

以相似理論為基礎(chǔ)，通過建立基坑的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，采用物理模擬研究中的底摩擦試驗方法，研究了基坑在時間和空間上的變形特征，試驗結(jié)果表明：基坑變形是一個持續(xù)的變形過程，在有附加荷載的情況下更快更明顯，并且由變形所產(chǎn)生的裂縫的位置與附加荷載作用邊界及其大小都有關(guān)系。

基坑，底摩擦試驗，變形特征，演化特征

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中會遇到大量基坑工程，基坑施工的高風險性迫使人們在理論和實踐中展開深入研究，以規(guī)避其產(chǎn)生的危害，而時空演化特征是基坑的前沿課題，將推動基坑工程的發(fā)展[1]。國內(nèi)許多專家對基坑的時空演化特征做了深入的研究，并取得了豐碩的成果。如劉建航等[1，2]提出的時空效應(yīng)設(shè)計、施工理論及方法；樊凱[3]對隧道開挖引起地層變位的時空效應(yīng)進行了探討，分析了隧道開挖的影響范圍及地層響應(yīng)；賈堅[4]利用軟土流變性的時空效應(yīng)變形原理，在上?；拥墓こ虒嵺`中取得了顯著的效果。

底摩擦試驗由于其自身簡便、直觀、經(jīng)濟等特點，近年來被廣泛運用。如陳孝兵等[5]利用底摩擦試驗研究了傾倒破裂巖體的變形趨勢；許強等[6]通過底摩擦試驗確定了錦屏水電站左岸邊坡的破壞模式；劉鵬等[7]采用底摩擦試驗探討了隧道巖層的變形破壞機制；此外還有蔡國軍等[8]、張登項等[9]分別探討了反傾向邊坡開挖和巖石高邊坡的破裂響應(yīng)過程。

本文以某天然氣井場基坑為研究對象，通過相似理論，建立基坑的地質(zhì)結(jié)構(gòu)物理模型，通過底摩擦試驗方法，展示基坑變形在時間上和空間上的特征，以期為基坑的安全施工提供參考。

1 底摩擦試驗的基本原理

底摩擦試驗的基礎(chǔ)為相似理論，模型與原型之間滿足一定的幾何、應(yīng)力和摩擦系數(shù)條件，即：

幾何相似比：

(1)

受力條件相似比：

(2)

摩擦系數(shù)相似比：

(3)

其中，a為相似比；L為長度；σ為應(yīng)力值；f為摩擦系數(shù)；下標h，m分別為原型和模型。上述相似常數(shù)之間由式(4)確定：

aσ=aγ·aL,af=1

(4)

底摩擦法是以摩擦力來模擬模型重力。其原理如下：將模型置于橡皮帶上，當模型移動到皮帶轉(zhuǎn)動方向的固定框架時，受框架的阻擋作用，模型與橡皮帶上的每點就產(chǎn)生了摩擦阻力F：

F=(p+γmd)·μ

(5)

其中，p為模型法向單位面積上的壓力；γm為材料的容重；d為厚度；μ為模型與橡皮帶的摩擦系數(shù)。底摩擦試驗基本原理見圖1。

2 底摩擦試驗儀器

本次試驗所用的設(shè)備采用的是成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室的全自動底摩擦儀。主要技術(shù)指標：模型尺寸800 mm×800 mm;調(diào)速范圍0 r/min～100 r/min;摩擦力0 N～1 000 N。

該儀器橡皮帶轉(zhuǎn)速可通過控制器隨時調(diào)控，而且轉(zhuǎn)動速度均勻，不會出現(xiàn)時快時慢的現(xiàn)象。模型的摩擦力可通過力傳感器隨時掌控，以便于隨時控制皮帶轉(zhuǎn)速和穩(wěn)定性，對試驗整個過程進行實時監(jiān)控。

3 工程研究實例

井場是西南油氣分公司的一口污水回注井，地面高程(H)414 m。設(shè)計井深3 392 m。根據(jù)該鉆機設(shè)施要求，除修建井場設(shè)施外，需修建污水池(凈容積2 500 m3)1個、清水池(凈容積500 m3)1個，放噴池(凈容積≥300 m3)2個。井場占地面積(長)100 m×(寬)50 m，井場區(qū)域?qū)儆诰徠缕脚_地帶，西北方向為陡坡地帶，東南與西南方向為平臺至陡崖，井場擬布置方向為北偏東N22°E(長軸方向)；在井場基坑周邊，水塘據(jù)施工紅線只有3 m左右，部分建筑甚至緊鄰基坑邊界。同時基坑施工期間還須確保農(nóng)村機耕道的正常，人員通行和車輛往來安全。因此，研究該基坑的變形特征對于周邊構(gòu)筑物及井場的安全運行具有重要意義。

根據(jù)基礎(chǔ)資料，模擬的基坑剖面寬約10 m，開挖深度約為7 m。根據(jù)土層物理力學(xué)參數(shù)、重度等數(shù)據(jù)，同時適當概化基坑的主要地層，將地層劃分為五層(見表1)。

4 實驗過程及結(jié)果分析

4.1 模型尺寸及材料確定

根據(jù)該基坑的工程地質(zhì)條件，選擇剖面按1∶50的比例建立模型。由相似理論，ρ，γ，φ保持不變?yōu)?.8 g/cm3，18 kN/m3，35°。彈性模量E取5.3 MPa。采用碾壓法成型。模型尺寸見圖2。

表1 各層物理力學(xué)參數(shù)

制作該物理模型的備用相似材料主要有重晶石粉、石英砂、石膏、石蠟油、機油、沙子、小圓石等。根據(jù)該基坑剖面的工程地質(zhì)條件，選擇重晶石粉、石英砂、石蠟油作為相似材料來制作該物理模型，選擇不同的配比經(jīng)過反復(fù)的試驗，確定該基坑剖面的相似材料配比為重晶石粉∶石英砂∶石蠟油=100∶273∶35。

4.2 模型制作

根據(jù)試驗?zāi)繕艘?，選擇重晶石粉，石英砂，石蠟油按質(zhì)量比為100∶273∶35進行相似材料的配制，將相似材料放置于提高摩擦力的皮帶上，在靠近皮帶轉(zhuǎn)動方向一側(cè)均勻鋪開相似材料，并用工具將材料碾壓平整，將表面抹平光滑，模型厚度控制在1 cm以內(nèi)；根據(jù)基坑的形狀選取其中一剖面，按比例尺為1∶50尺寸切割模型材料，達到與模擬目標剖面相似的外形，在右邊加一鉛塊作為附加荷載；在模型表面用墨線打5 cm×5 cm的網(wǎng)格，模型如圖3所示，以便對其變形的觀測。

4.3 試驗過程

第一階段：左邊變形不明顯；右邊3 cm處出現(xiàn)裂隙。頂部發(fā)育兩條裂隙，較短裂隙開口較大，長為4 cm；較長裂隙開口較小，在4 cm處出現(xiàn)分叉，然后發(fā)展成兩條近平行的裂隙，長為17 cm(見圖4)?？炕觾?nèi)側(cè)6 cm處出現(xiàn)細小裂隙，長約3 cm。頂部首先開裂，逐漸向下延伸。

第二階段：左邊變形不明顯；在附加應(yīng)力的作用下，右邊變形較快，出現(xiàn)明顯的沉降差異，比左邊沉降多約1 cm(見圖5)。

第三階段：左邊變形不明顯；右邊在附加應(yīng)力的作用下，靠基坑內(nèi)側(cè)裂隙向下延伸，在深17 cm處出現(xiàn)新的裂隙。裂隙進一步發(fā)展，長約3 cm，呈拋物線形。裂隙右邊又出現(xiàn)新的裂隙，長約7 cm(見圖6)。

第四階段：左邊在天然作用力持續(xù)的作用過程中，產(chǎn)生了兩條細長裂隙，近似平行，長21 cm。右邊裂隙進一步發(fā)展，呈拋物線形。圖7中第三第四條裂隙已經(jīng)形成，也呈拋物線形。此時認為基坑已經(jīng)破壞，停止試驗。

4.4 結(jié)果分析

通過實驗可知：加有鉛塊(附加荷載)的最右邊開始變形破壞，產(chǎn)生長而直的拉裂縫。模型在鉛塊邊界形成了差異面，部分模型整體壓縮沉降，其內(nèi)部沒有出現(xiàn)明顯裂隙。大量的現(xiàn)場實際調(diào)查數(shù)據(jù)也反映了裂縫出現(xiàn)的位置與基坑壁到建筑物的距離有關(guān)：若建筑物與基坑壁距離較遠，則裂縫出現(xiàn)在基坑壁與建筑物較近的輪廓線邊界處；若建筑物與基坑壁的距離較近，則裂縫出現(xiàn)在基坑壁與建筑物較遠的輪廓線邊界處；一般不會出現(xiàn)在建筑物輪廓線內(nèi)。

在應(yīng)力保持不變的條件下，繼續(xù)試驗，無論是有附加荷載還是無附加荷載都出現(xiàn)不同程度的裂縫，說明變形并非瞬時完成，與時間有一定的關(guān)系，出現(xiàn)這種現(xiàn)象與巖土體的流變特性有關(guān)，變形的產(chǎn)生、發(fā)展是有一個過程的。在實驗過程中，模型隨著時間產(chǎn)生累進性破壞，與監(jiān)測過程中變形累積增加相符；模型破壞位置與空間上荷載分布有關(guān)，體現(xiàn)了基坑變形的時空效應(yīng)。

5 結(jié)論

通過底摩擦試驗可以得出以下結(jié)論及建議：

1)在空間上，基坑在有附加荷載的作用下變形更快更明顯。裂縫產(chǎn)生的位置與基坑壁到附加荷載(建筑物)作用邊界及其大小都有關(guān)系。

2)在時間上，基坑的變形并非瞬時完成，在應(yīng)力保持不變的條件下變形隨時間持續(xù)增加，是一個持續(xù)產(chǎn)生的過程。

3)在實驗過程中，模型隨著時間產(chǎn)生累進性破壞，與監(jiān)測過程中變形累積增加相符；模型破壞位置與空間上荷載分布有關(guān)，體現(xiàn)了基坑變形的時空效應(yīng)。

4)在實際施工過程中應(yīng)加強對基坑變形的監(jiān)測，建議采取“及時發(fā)現(xiàn)，適時支護”的理念指導(dǎo)并完善基坑施工。

[1] 劉建航,劉國彬,范益群.軟土基坑工程中時空效應(yīng)理論與實踐(上、下)[J].地下工程與隧道,1999(3,4)：45，49.

[2] 劉建航,侯學(xué)淵.基坑施工時空效應(yīng)理論與實踐[D].上海:同濟大學(xué),1997.

[3] 樊 凱.淺埋暗挖隧道開挖引起地層變位時空效應(yīng)分析[D].武漢：華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005.

[4] 賈 堅.軟土時空效應(yīng)原理在基坑工程中的應(yīng)用[J].地下空間與工程,2005,4(1):491-493.

[5] 陳孝兵,李渝生,趙小平.底摩擦重力試驗在傾倒變形巖體穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用[J].地學(xué)前緣，2008，15(2)：300-304.

[6] 許 強,張登項,鄭 光.錦屏級水電站左肩壩基邊坡施工期破壞模式及穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(6)：1183-1192.

[7] 劉 鵬,張 俊,韓永昌,等.東興場隧道水平巖層變性破壞機制的物理模擬研究[J].西南科技大學(xué)學(xué)報，2009，24(2)：32-36.

[8] 蔡國軍,黃潤秋,嚴 明,等.反傾向邊坡開挖變形破裂響應(yīng)的物理模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008,27(4)：811-817.

[9] 張登項,許 強.基于底摩擦試驗的錦屏一級水電站左岸巖石高邊坡變形機制研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護,2008,19(1):71-75.

Bottomfrictiontestoftime-historyevolutioncharacteristicsofthewellsitefoundationdeformation

GUJian-jun

(EngineeringInspectionCenter,SinopecSouthwestOil-GasBranchCompany,Deyang618000,China)

On the basis of similarity theory, through establishing foundation geology structure model, applying bottom friction testing method used in physical simulation research, the paper studies the time and space deformation characteristics of foundation. Experimental results show that: foundation deformation is a continuous deformation process; foundation deformation will be faster and more obvious under additional load; deformation cracking location is related with additional load boundary.

foundation pit, bottom friction test, deformation feature, evolution characteristics

1009-6825(2014)14-0096-03

2014-03-02

辜建軍(1970- )，男，工程師

TU463

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