鄰水深基坑開挖室內(nèi)模型試驗(yàn)研究

王寶存,朱大勇,王小金,蔣澤鋒,盧坤林

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230009)

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鄰水深基坑開挖室內(nèi)模型試驗(yàn)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(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230009)

摘要:文章采用室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)對(duì)基坑開挖下土壓力分布、變形機(jī)制進(jìn)行了分析,并研究了水體對(duì)基坑開挖效應(yīng)的影響。結(jié)果表明:隨著開挖深度的加大,基坑周圍的應(yīng)力值在減小,且與開挖深度處于同一深度的土體的應(yīng)力變化幅度最大,尤其在鄰水狀態(tài)下,應(yīng)力變化幅值曲線會(huì)有明顯的拐點(diǎn);基坑側(cè)向位移逐漸增大,但增幅逐漸減小,非鄰水狀態(tài)下位移曲線走勢(shì)平滑穩(wěn)定,鄰水狀態(tài)下位移在開挖深度達(dá)到一定值時(shí)會(huì)有減小趨勢(shì)。試驗(yàn)研究成果對(duì)基坑開挖效應(yīng)的分析,特別是鄰水基坑的研究具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞:基坑工程;模型試驗(yàn);開挖效應(yīng);地下連續(xù)墻;鄰近水體

0引言

20世紀(jì)60年代,Terzaghi和Peck根據(jù)地鐵支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)資料,提出了著名的Terzaghi-Peck表觀土壓力理論[1-2],被國(guó)際上基坑支護(hù)設(shè)計(jì)所廣泛采用。在深大基坑中,地下連續(xù)墻以其自身整體剛度大、強(qiáng)度高及防滲擋土等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用,并開始在世界各國(guó)迅速發(fā)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(dǎo)或輔助設(shè)計(jì)施工。除理論外,對(duì)于基坑的研究一般采用現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)、室內(nèi)物理模型試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬[6-10]等。室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)具有周期短、花費(fèi)少、能較直觀真實(shí)地展現(xiàn)原型等優(yōu)點(diǎn)[11]。通過模擬基坑開挖的試驗(yàn)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(guī)律,為理論研究提供依據(jù)[12-15]。本文以合肥地鐵大東門站為原型,采用室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)研究了基坑開挖下土壓力分布、變形機(jī)制及破壞模式等,分析了堆載、不堆載及鄰水對(duì)基坑開挖效應(yīng)的影響,為地下連續(xù)墻基坑開挖效應(yīng)分析提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

1室內(nèi)模型試驗(yàn)

本試驗(yàn)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(xiàn)場(chǎng),是一種真實(shí)土料,并沒有改變土質(zhì)的物質(zhì)組成,在室內(nèi)將土體用機(jī)械夯實(shí)使土體重度增大至與現(xiàn)場(chǎng)地層粉砂質(zhì)土重度相同,然后將土體靜置一定的時(shí)間再開挖來模擬現(xiàn)場(chǎng)施工,土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如下:液限為48.5%,塑限為23%,塑性指標(biāo)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(nèi)摩擦角為12°,天然密度為1.92 g/cm3。根據(jù)相似性原理[16],試驗(yàn)采用室內(nèi)縮尺模型結(jié)構(gòu)。由于試驗(yàn)條件的限制,本試驗(yàn)并沒有嚴(yán)格按相似率進(jìn)行,只是一種簡(jiǎn)單的模擬試驗(yàn)。

本文旨在通過室內(nèi)模型試驗(yàn),模擬基坑開挖過程，測(cè)量土體應(yīng)力在各個(gè)階段的發(fā)展、變化過程,獲得在各個(gè)階段土體應(yīng)力的大小、分布及其他一些規(guī)律,并監(jiān)測(cè)在各個(gè)階段基坑壁側(cè)向位移的變化。

試驗(yàn)工作是在模型槽內(nèi)進(jìn)行的,在參考大量文獻(xiàn)及考慮實(shí)際試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上,確定了本試驗(yàn)的模型槽基本尺寸為1.8 m×1.5 m,長(zhǎng)度方向?yàn)殚_放式,不固定長(zhǎng)度,寬度方向一側(cè)開有一梯形槽口,用于方便試驗(yàn)時(shí)進(jìn)出模型槽,如圖1所示。試驗(yàn)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(hù)形式。開挖時(shí)一側(cè)支撐一側(cè)不支撐,以方便數(shù)據(jù)對(duì)比。

本試驗(yàn)主要測(cè)量土體的應(yīng)力變化及地下連續(xù)墻頂部的側(cè)向位移。土壓力盒埋置如圖2所示,共計(jì)24個(gè),分底層、中層、頂層,以圖2a的順序給土壓力盒編號(hào)。其中1～3號(hào)土壓力盒只布置在底層。位移計(jì)布置如圖1所示,測(cè)量地下連續(xù)墻支撐側(cè)和不支撐側(cè)的位移。

圖1　模型試驗(yàn)和堆載裝置圖

圖2　土壓力盒埋置圖

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1土體應(yīng)力與開挖過程的關(guān)系

在基坑開挖過程中,由于基坑內(nèi)一側(cè)的土體被挖走,地下連續(xù)墻就會(huì)發(fā)生向坑內(nèi)的位移,土體中的原始應(yīng)力平衡和穩(wěn)定狀態(tài)會(huì)被破壞,從而由相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)化為變形運(yùn)動(dòng)的狀態(tài),土體中的應(yīng)力會(huì)發(fā)生應(yīng)力重分布。首先分析模型底層未支撐側(cè)遠(yuǎn)端3點(diǎn),在堆載和鄰水時(shí)相對(duì)應(yīng)的土體應(yīng)力值會(huì)有所增大,但基本變化趨勢(shì)相似。由此可得,隨著土壓力盒離地下連續(xù)墻距離的增加,土體應(yīng)力不再隨開挖深度的增加而變化,本試驗(yàn)基坑的影響邊界為60 cm左右,可知以上土壓力盒的布點(diǎn)均在基坑影響范圍內(nèi)。

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

圖3　不堆載下未支撐側(cè)土體應(yīng)力-開挖深度關(guān)系

圖4　堆載下未支撐側(cè)土體應(yīng)力-開挖深度關(guān)系

圖5　鄰水狀態(tài)下未支撐側(cè)土體應(yīng)力-開挖深度關(guān)系

結(jié)果表明,隨著施工過程的繼續(xù),到第1步結(jié)束深度在30 cm處的土體應(yīng)力減小,而深度在50 cm和70 cm處的土中應(yīng)力變化不明顯,說明開挖施工過程中擾動(dòng)了土體,改變了土體原有的應(yīng)力狀態(tài)。離開挖位置近的地方,受到的影響比較大,而遠(yuǎn)離開挖位置的土體應(yīng)力變化不明顯,說明開挖施工對(duì)土體應(yīng)力的影響是有一定范圍的。當(dāng)施工到第2步開挖時(shí),土體應(yīng)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(yīng)力場(chǎng)也隨即改變。由此可知,隨著開挖深度的增加,基坑周圍的應(yīng)力值減小,而且開挖深度越接近于土壓力盒的埋深時(shí),該土壓力盒所測(cè)得的應(yīng)力變化幅度越大,尤其在鄰水狀態(tài)下,應(yīng)力變化幅值曲線出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)。

對(duì)比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，堆載情況下土體應(yīng)力變化值普遍比未堆載時(shí)要大,這是因?yàn)槎演d是模擬深基坑開挖的過程,說明深基坑開挖時(shí)土體應(yīng)力變化幅值更大。而圖5中,在第1步開挖時(shí)土體應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)增大的情況,這是因?yàn)榈叵逻B續(xù)墻內(nèi)的土體開挖,模型的滲流場(chǎng)發(fā)生變化,土體應(yīng)力中水壓力所占比例較大，而后土體應(yīng)力又回歸正常的變化。由圖3～圖5可知,與堆載狀態(tài)相比,鄰水狀態(tài)對(duì)基坑開挖效應(yīng)的影響更大。在實(shí)際基坑開挖工程中,對(duì)于深基坑,特別是涉及鄰水深基坑,施工中應(yīng)尤為注意。

比較地下連續(xù)墻的支撐側(cè)與未支撐側(cè),以4號(hào)點(diǎn)和5號(hào)點(diǎn)的應(yīng)力值變化為例,可得土體應(yīng)力與開挖深度的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，在未堆載情況下,兩者的應(yīng)力變化幅度差別不大,這是因?yàn)榛娱_挖對(duì)土體應(yīng)力的影響較小;而在堆載狀態(tài)時(shí),相當(dāng)于模擬深基坑的開挖,此時(shí)支撐對(duì)減小土體應(yīng)力變化的作用明顯；在鄰水狀態(tài)下,由于水體會(huì)繞著地下連續(xù)墻模型槽進(jìn)入基坑內(nèi),這時(shí)水壓力在土體應(yīng)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(cè)與未支撐側(cè)土體應(yīng)力-開挖深度關(guān)系

本試驗(yàn)中對(duì)地下連續(xù)墻支撐是非常簡(jiǎn)單的支撐形式,這與實(shí)際施工中所做的支撐差別較大,但也很好地發(fā)揮了支撐的作用,通過對(duì)比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)支撐的效果很明顯。以圖2中5號(hào)土壓力盒位置不同深度的3點(diǎn)作為分析對(duì)象,比較不同開挖深度時(shí)土體應(yīng)力與埋置深度的關(guān)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(yīng)力呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),但在堆載時(shí)土體應(yīng)力的變化增幅最大。各土體應(yīng)力的增幅,在開挖深度與土壓力和埋置深度相近時(shí)最大。而在堆載時(shí),土體應(yīng)力的增長(zhǎng)率是減小的,說明在深基坑開挖時(shí),土體應(yīng)力隨著基坑開挖深度的增加,土體應(yīng)力變化有減小的趨勢(shì)。當(dāng)基坑開挖到一定深度時(shí),上層土體應(yīng)力的變化會(huì)不明顯。

圖7　不同開挖深度下土體應(yīng)力-埋置深度關(guān)系

2.2基坑側(cè)向位移與開挖過程的關(guān)系

隨著基坑的開挖,基坑會(huì)產(chǎn)生向坑內(nèi)的側(cè)向位移,當(dāng)變形達(dá)到一定程度時(shí),基坑會(huì)失穩(wěn)破壞。因此研究基坑側(cè)向位移隨開挖過程的變化規(guī)律,對(duì)深基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)與施工有著重要的現(xiàn)實(shí)意義?？紤]到地下連續(xù)墻位置的對(duì)稱性,本試驗(yàn)僅布置了2個(gè)位移計(jì),用于測(cè)量基坑支撐側(cè)與未支撐側(cè)頂部的側(cè)向位移。相對(duì)應(yīng)的側(cè)向位移與開挖過程的關(guān)系如圖8所示。

由圖8可知，基坑側(cè)向位移隨著施工過程的進(jìn)行,呈現(xiàn)增大的變化趨勢(shì),曲線大體呈拋物線狀,3種情況下曲線形狀基本相同?；觽?cè)向位移變形增量開始很大,而后很小,這是因?yàn)殡S著開挖過程的繼續(xù),連續(xù)墻的支護(hù)作用越來越明顯。在鄰水狀態(tài)下，地下連續(xù)墻產(chǎn)生的側(cè)向位移比堆載時(shí)大,說明本試驗(yàn)中水對(duì)基坑開挖效應(yīng)的影響更加明顯。鄰水狀態(tài)下位移在某一開挖深度時(shí)會(huì)有減小的趨勢(shì),這是由于水體的作用導(dǎo)致連續(xù)墻整體移動(dòng)。

圖8　不同工況下側(cè)向位移-開挖深度關(guān)系

3結(jié)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(yīng)力場(chǎng)也隨之改變;開挖深度接近土壓力盒埋深時(shí),土體應(yīng)力的變化幅值最大。

(2)在堆載和鄰水狀態(tài)下,應(yīng)力變化幅值普遍比不堆載狀態(tài)時(shí)要大,尤其是在鄰水狀態(tài)下,應(yīng)力變化幅值曲線會(huì)有明顯的拐點(diǎn)。

(3)鄰水狀態(tài)下基坑的土體應(yīng)力及側(cè)向位移變化比較劇烈,此時(shí)水流會(huì)在土體內(nèi)流動(dòng)，最后形成一個(gè)穩(wěn)定的滲流場(chǎng),這對(duì)基坑開挖效應(yīng)的影響十分明顯。尤其是在鄰水狀態(tài)下側(cè)移在開挖深度達(dá)到一定值時(shí)會(huì)有減小趨勢(shì)。

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

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(責(zé)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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51179043);合肥市軌道交通質(zhì)量監(jiān)督站專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(2014CGFZ0200)和合肥工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位人員專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(J2014HGBZ0117)

作者簡(jiǎn)介：王寶存(1987-),男,山東菏澤人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生; 朱大勇(1965-),男,安徽樅陽(yáng)人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.06.015

中圖分類號(hào):TV551.42

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-5060(2016)06-0790-05