深大坑中坑基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)離心模型試驗(yàn)研究

李 波，王志鵬，龔壁衛(wèi)，黃 鵠，胡 勇

（1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010；2.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518000；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

深大坑中坑基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)離心模型試驗(yàn)研究

李 波1，王志鵬2，龔壁衛(wèi)1，黃 鵠2，胡 勇3

（1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010；2.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518000；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

圓形地下連續(xù)墻作為一種受力合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，由于空間“拱效應(yīng)”的存在，作用在拱圈上的土壓力主要在地下連續(xù)墻內(nèi)自身平衡，地下連續(xù)墻的水平位移相對(duì)較小。基于某深大圓形基坑工程實(shí)際，采用離心模擬技術(shù)研究基坑開(kāi)挖過(guò)程中基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移和彎矩分布規(guī)律。分析表明，基坑地下連續(xù)墻最大水平位移為11.6 mm，位于上部基坑的中下部，并且隨著開(kāi)挖深度增大，墻體位移逐漸增大且最大位移點(diǎn)不斷下移。研究成果可為圓形基坑開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律分析提供參考。

坑中坑；離心模型試驗(yàn)；拱效應(yīng)；變形

1 研究背景

隨著國(guó)內(nèi)城市建設(shè)規(guī)模的逐漸增大，城市綜合體、軌道交通以及城市地下綜合管廊等大量涌現(xiàn)，涉及到的基坑工程逐步呈現(xiàn)“大、深、緊、近”的特點(diǎn)［1］，因此對(duì)基坑開(kāi)挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形提出了更高的要求，且相關(guān)基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范規(guī)定對(duì)于深度超過(guò)25 m的基坑工程需要進(jìn)行專題研究和論證。圓形基坑由于作用在其上的土壓力能夠自身平衡，具有明顯的拱效應(yīng)，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的土壓力轉(zhuǎn)化為環(huán)向壓力［2］，能更好地發(fā)揮混凝土材料的抗壓性能，因此圓形深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用。

已有研究主要從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值和理論分析以及模型試驗(yàn)等對(duì)基坑空間效應(yīng)進(jìn)行分析［3-8］。翟杰群等［9］采用考慮圓拱效應(yīng)的平面彈性地基梁法和三維彈性地基板法，對(duì)上海中心深大圓形基坑進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算得到的變形與內(nèi)力結(jié)果與工程實(shí)測(cè)均較為一致，表明圓形基坑設(shè)計(jì)分析必須考慮其空間效應(yīng)。崔劍峰等［10］針對(duì)圓形地下連續(xù)墻基坑開(kāi)挖受力過(guò)程復(fù)雜且采用有限元通用程序計(jì)算效率低的問(wèn)題，基于軸對(duì)稱柱殼的三維彈性力學(xué)基本方程，結(jié)合邊界條件，建立了圓形地下連續(xù)墻的里茲解法。路德春等［11］基于土的應(yīng)力路徑本構(gòu)模型，對(duì)有限元軟件進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，進(jìn)行了開(kāi)挖條件下軸對(duì)稱小直徑圓形基坑的三維有限元分析，研究了中主應(yīng)力形成的土壓力拱作用規(guī)律。王旭軍［12］基于上海中心大廈裙房逆作基坑工程，采用二維簡(jiǎn)化模型對(duì)裙房各邊中心部位基坑變形進(jìn)行了計(jì)算分析，比較計(jì)算值和實(shí)測(cè)值之間的關(guān)系，分析了裙房基坑中間部位的圍護(hù)墻體變形特點(diǎn)。元翔等［13］采用離心模型試驗(yàn)對(duì)比研究了不同工況條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，既能反應(yīng)軟土地區(qū)基坑的時(shí)空效應(yīng)，并可驗(yàn)證理論分析的有效性。離心模型試驗(yàn)由于能還原原型應(yīng)力場(chǎng)、位移變形等，所以越來(lái)越成為巖土工程重要的試驗(yàn)手段，但由于受限于模型箱的尺寸和邊界效應(yīng)影響，一般采用平面應(yīng)變模型模擬基坑工程，而對(duì)于圓形基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)如果采用平面應(yīng)變模型則不能真實(shí)模擬“拱效應(yīng)”。本文基于某深大圓形基坑的工程實(shí)際，采用離心模擬技術(shù)，基坑外側(cè)地基采用等效替代材料，既模擬地基側(cè)向土壓力作用同時(shí)消除模型箱邊界效應(yīng)，以期真實(shí)反映深大圓形基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。

2 深大坑中坑基坑離心模型設(shè)計(jì)

2.1 原型條件及其概化某深大圓形泵站深基坑直徑154.0 m，開(kāi)挖深度58.0 m，采用坑中坑結(jié)構(gòu)，基坑使用雙排樁進(jìn)行支護(hù)，直徑1.2 m，前排樁間距1.5 m，后排樁間距3.0 m，下部圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入弱風(fēng)化下帶4.0 m?；硬捎脙傻拉h(huán)形內(nèi)支撐。原型基坑典型斷面與地層結(jié)構(gòu)如圖1所示。典型地層基本參數(shù)如表1。

圖1 原型基坑典型斷面與地層結(jié)構(gòu)（單位：m）

表1 典型地層基本參數(shù)

該工程地層條件復(fù)雜，施工步驟繁多，操作要求嚴(yán)格，離心模型作為縮尺模型，不可能完全模擬現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況以及所有的施工步驟，因此需要對(duì)原形條件進(jìn)行概化。（1）土層概化。模擬壓縮模量與土體強(qiáng)度，選取典型的具有代表性的土層進(jìn)行試驗(yàn)。（2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)概化。原形條件下上部基坑與下部基坑的支護(hù)方式都為雙排樁支護(hù)，但是在離心模型試驗(yàn)中模擬如此多數(shù)量的雙排樁是非常不方便的，并且不容易控制，由于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在開(kāi)挖過(guò)程中主要作為抗彎結(jié)構(gòu)工作，因此在離心模型中按等效抗彎剛度相似將雙排樁等效成地下連續(xù)墻來(lái)模擬。（3）支撐概化。支撐在基坑工程中的作用主要是承受壓力荷載，因此對(duì)于鋼筋混凝土支撐應(yīng)該采用抗壓剛度相似的原則選用模型材料尺寸。（4）基坑開(kāi)挖深度概化，原型中上部基坑深度范圍為29～37 m，下部基坑深度范圍為12.5～19 m，選最不利情況進(jìn)行研究，確定上部基坑的模擬深度為37 m、下部基坑的模擬深度為19 m。

2.2 試驗(yàn)方案圖2為深大圓形基坑離心模型側(cè)視圖和俯視圖。本次試驗(yàn)設(shè)定加速度為190g，圓形基坑直徑80 cm（轉(zhuǎn)化為原型為152 m），上部基坑深度為19.5 cm（轉(zhuǎn)化為原型為37 m），下部基坑深度為10 cm（轉(zhuǎn)化為原型為19 m）。模型箱坑內(nèi)原地層概化土，模型箱長(zhǎng)100 cm×寬100 cm×高100 cm。采用停機(jī)開(kāi)挖的方式［5］。試驗(yàn)共模擬5個(gè)工況：地基固結(jié)、開(kāi)挖加第一道支撐、開(kāi)挖加第二道支撐、放坡開(kāi)挖、開(kāi)挖下部基坑。模型制作過(guò)程中，基坑內(nèi)外都采用土層模擬。當(dāng)模型制作完成后，基坑外側(cè)地基采用替代材料代替，本次試驗(yàn)采用氯化鈣溶液置于柔性橡皮囊中。

圖2 深大圓形基坑離心模型

本次試驗(yàn)在長(zhǎng)江科學(xué)院大型土工離心機(jī)CKY-200上進(jìn)行，該離心機(jī)最大容量200 g·t，最大離心加速度為200 g，有效半徑3.7 m，模型箱采用100 cm×100 cm×100 cm。

2.3 模型材料本次試驗(yàn)共涉及地層和圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩類(lèi)材料。

（1）基坑內(nèi)部地層模擬。概化為4層，主要考慮壓縮模量和強(qiáng)度相似，分別采用中砂、粉質(zhì)黏土、粗砂和巖石相似材料進(jìn)行模擬。粉質(zhì)黏土，最優(yōu)含水率24%，最大干密度1.5 g/cm3，液塑56%，塑限22%，壓縮模量4.5 MPa，黏聚力23 kPa，內(nèi)摩擦角30°，模型制樣時(shí)采用0.93壓實(shí)度。砂土，包括中砂和粗砂，砂土的最大和最小干密度分別為1.56和1.17 g/cm3，中砂直剪強(qiáng)度為內(nèi)聚力5.3 kPa，內(nèi)摩擦角為32°；粗砂直剪強(qiáng)度為內(nèi)聚力3.3 kPa，內(nèi)摩擦角為34°。巖石材料，原型中巖石涉及弱風(fēng)化花崗巖上帶和下帶，抗壓強(qiáng)度分別為18.5和67.7 MPa，多組試驗(yàn)對(duì)比，通過(guò)調(diào)整水泥、石膏、重晶石配比，得到兩種巖石模型材料，模型材料I的容重約為2.62 g/cm3，抗壓強(qiáng)度為17.8 MPa；模型材料II的容重約為2.68 g/cm3，抗壓強(qiáng)度為56.5 MPa。

（2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)模擬。原型泵站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土雙排樁，彈性模量為35 GPa。離心模型比尺為190，模型采用抗彎剛度相似準(zhǔn)則，用地下連續(xù)墻模擬雙排樁支護(hù)，地下連續(xù)墻采用鋁合金材料，彈性模量為70 GPa，厚度為2 cm。原型支撐為鋼筋混凝土材料，彈性模量為35 GPa，離心模型比尺為190，根據(jù)抗壓剛度相似準(zhǔn)則采用鋁合金環(huán)形支撐來(lái)模擬，彈性模量為70 GPa，共兩道內(nèi)支撐。地下連續(xù)墻與支撐如圖3所示。

圖3 泵站基坑地下連續(xù)墻及支撐

2.4 試驗(yàn)主要步驟試驗(yàn)采用停機(jī)開(kāi)挖的方式。（1）離心機(jī)共運(yùn)行5次，地基固結(jié)，將裝備好的模型裝上離心機(jī)后，逐級(jí)提升加速度，分別在30g、60g、90g、120g和150g穩(wěn)定運(yùn)行10 min，最后在190g穩(wěn)定運(yùn)行20 min，待地基和地下連續(xù)墻變形穩(wěn)定后停機(jī)；（2）離心機(jī)運(yùn)行4次，對(duì)基坑內(nèi)部土層的開(kāi)挖并設(shè)置支護(hù)，每次運(yùn)行的加速度最大均為190g。試驗(yàn)主要步驟如4所示。

圖4 試驗(yàn)主要步驟

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)過(guò)程中在地下連續(xù)墻側(cè)面粘貼應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量，可反應(yīng)不同工況條件下地下連續(xù)墻的水平位移和彎矩，將模型測(cè)量值通過(guò)離心試驗(yàn)的比尺換算轉(zhuǎn)化為原型，得到基坑地下連續(xù)墻的水平位移和彎矩，分別如圖5和6所示。

圖5 基坑地下連續(xù)墻水平位移

圖6 基坑地下連續(xù)墻彎矩分布

3.1 地下連續(xù)墻水平位移圖5所示為基坑上部連續(xù)墻水平位移與下部連續(xù)墻水平位移。由于只有開(kāi)挖歩4才涉及到下部基坑的開(kāi)挖，所以對(duì)于下部地下連續(xù)墻變形有影響的只有開(kāi)挖歩4。從圖5可以看出：（1）隨開(kāi)基坑深度的加深，地下連續(xù)墻水平位移最大值變大，最大值點(diǎn)逐漸下移，基坑的最大水平位移值約為11.6 mm。（2）基坑頂部由于具有環(huán)形支護(hù)結(jié)構(gòu)，因此在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中，頂部的變形都非常小。（3）地下連續(xù)墻體的水平位移與基坑的半徑、連續(xù)墻厚度等密切相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，基坑半徑越大，地下連續(xù)墻厚度越小，基坑的水平位移越大，這是因?yàn)榛影霃皆酱?，基坑的“拱效?yīng)”就越小。（4）下部基坑的開(kāi)挖對(duì)上部基坑的影響很小，并且下部地下連續(xù)墻底部嵌入弱風(fēng)化巖下帶，水平位移形式為懸臂式變形，頂部最大，底部幾乎為零。

3.2 地下連續(xù)墻彎矩試驗(yàn)中在地下連續(xù)墻外側(cè)沿深度方向粘貼應(yīng)變片，通過(guò)應(yīng)變-彎矩公式可以得到基坑開(kāi)挖過(guò)程中地下連續(xù)墻的彎矩變化規(guī)律，如圖6所示。由于只有開(kāi)挖歩4才涉及到下部基坑的開(kāi)挖，所以對(duì)于下部地下連續(xù)墻彎矩有影響的只有開(kāi)挖歩4。從圖6可以看出：（1）上部基坑的彎矩趨勢(shì)基本與水平位移趨勢(shì)相同，最大值位于開(kāi)挖面附近，最大值約為750 kN·m。（2）下部基坑的開(kāi)挖幾乎對(duì)上部基坑的彎矩沒(méi)有影響。（3）下部基坑的變形形式為懸臂式變形，因此靠近墻底處的彎矩最大，約為230 kN·m。

4 結(jié)論

本文基于某深大圓形基坑的工程實(shí)際，采用三維模型研究基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和彎矩。考慮到模型箱尺寸的限制以及邊界效應(yīng)影響，本文采用等效替代材料模擬基坑外側(cè)地層，既模擬地基側(cè)向土壓力作用同時(shí)又消除模型箱的邊界效應(yīng)。試驗(yàn)表明基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移為11.6 mm，并且隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，墻體位移逐漸增大且最大位移點(diǎn)不斷下移。本次試驗(yàn)可為圓形基坑三維離心模型的研究提供參考。

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Abstract：At present，the circular wall is used as a reasonable envelope structure.Due to the existence of the space“arch effect”，the earth pressure acting on the arch ring is mainly balanced in the wall and the wall.The retaining structure is mainly subjected to the ring axial force，which can give full play to the characteristics of high compressive strength of concrete，so round the lateral displacement of the wall is rel?atively small.Based on the actual construction of a deep circular foundation pit，the distribution of earth pressure in foundation pit excavation and the horizontal displacement and bending moment distribution of ground and wall are studied by centrifugal simulation.The maximum horizontal displacement of the founda?tion wall is 23.6mm，which is located in the middle and lower part of the upper foundation pit，and with the excavation depth increasing，the wall displacement gradually increases and the maximum displacement point.The active earth pressure of the circular foundation pit is smaller than that of the flattened earth pressure，and it is nonlinear.The effect of the arching effect is obvious.With the excavation depth increas?ing，the depth and radius ratio of the excavation depth The pressure distribution has a significant effect.The research results provide a reference for the study of the distribution model of earth pressure and the analysis of deformation law.

Keywords：pit in pit；centrifugal model test；arch effect；earth pressure；displacement

（責(zé)任編輯：王冰偉）

Centrifugal model test study on foundation pit retaining structure in large and deep pit

LI Bo1，WANG Zhipeng2，GONG Biwei1，HUANG Hu2，HU Yong3
（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010， China；2.CSCEC AECOM CONSULTANS CO.， LTD.，Shenzhen 518000，China；3.The Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

TU472

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.04.010

1672-3031（2017）04-0303-05

2017-06-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51308067）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（CKSF2017012/YT）；科技公益性應(yīng)用研究項(xiàng)目（2016GY19）

李波（1982-），男，山東泰安人，博士，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程和離心模型試驗(yàn)技術(shù)研究。E-mail：libo_auliso@126.com