建筑機(jī)械偏心荷載對(duì)開挖穩(wěn)定性影響離心試驗(yàn)

房明，楊俊杰

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建筑機(jī)械偏心荷載對(duì)開挖穩(wěn)定性影響離心試驗(yàn)

房明1，楊俊杰2

(1. 廣東財(cái)經(jīng)大學(xué) 公共管理學(xué)院，廣東 廣州 510320；2. 中國(guó)海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

在建筑機(jī)械開挖市政管線的溝槽過程中，由于溝槽溝壁滑坡、塌方，挖掘機(jī)傾翻，造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡的工程事故日益增多。如何防御此類工程災(zāi)害是工程界普遍關(guān)注的前沿課題之一。通過模擬溝槽開挖過程的離心模型試驗(yàn)，討論建筑機(jī)械在開挖溝槽過程中產(chǎn)生的偏心荷載的大小、與溝壁的距離以及偏心距等因素對(duì)溝槽溝壁的破壞形態(tài)、開挖深度及溝槽邊坡滑動(dòng)土體寬度等的影響。通過研究，可為溝槽等土方開挖安全施工及災(zāi)害防御提供重要支撐。

建筑機(jī)械；偏心荷載；開挖；穩(wěn)定性；離心模型試驗(yàn)

土方開挖是工程中經(jīng)常遇到的問題。近年來，在市政管線的溝槽開挖過程中，溝槽溝壁滑坡、塌方，挖掘機(jī)傾翻的事故時(shí)有發(fā)生，從而造成了一定的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究開挖條件下地基的破壞規(guī)律和機(jī)理，對(duì)于土方開挖安全施工和災(zāi)害預(yù)警都具有重要的指導(dǎo)作用。一般來說，土方坍塌問題的實(shí)質(zhì)是土方邊坡的失穩(wěn)[1]。即溝槽溝壁滑坡坍塌的根本原因是隨著開挖的進(jìn)行，邊坡土體中的剪應(yīng)力大于土的抗剪強(qiáng)度。究其原因，一方面必須考慮開挖行為導(dǎo)致坡體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)重分布，并降低巖土強(qiáng)度參數(shù)[2]；另一方面還須考慮挖掘機(jī)荷載的影響，即挖掘機(jī)動(dòng)荷載的近距擾動(dòng)可降低巖土強(qiáng)度參數(shù)以及挖掘機(jī)靜荷載對(duì)溝槽溝壁穩(wěn)定性的影響等因素[3]。其中挖掘機(jī)靜荷載不僅包括挖掘機(jī)自重產(chǎn)生的中心荷載還應(yīng)考慮挖掘機(jī)在不同的施工工況下產(chǎn)生的偏心荷載，包括挖掘機(jī)抓鏟動(dòng)臂循環(huán)往復(fù)的提升、下降、轉(zhuǎn)動(dòng)等開挖行為產(chǎn)生的偏心荷載。然而，在基坑等開挖工程分析計(jì)算建筑機(jī)械荷載時(shí)，往往將建筑機(jī)械荷載取為10~50 kPa的定值，這個(gè)取值對(duì)于挖掘機(jī)在正常行駛狀態(tài)時(shí)是適用的，但是在施工工況下，由于挖掘機(jī)抓鏟動(dòng)臂循環(huán)往復(fù)的提升、下降、轉(zhuǎn)動(dòng)等開挖行為必然產(chǎn)生一定的偏心荷載，從而導(dǎo)致挖掘機(jī)荷載增大。因此，簡(jiǎn)單地將建筑機(jī)械荷載取定值的計(jì)算方法忽略了挖掘機(jī)偏心荷載對(duì)開挖穩(wěn)定性的影響。離心模型試驗(yàn)由于具有再現(xiàn)原型特性并能保持模型與原型應(yīng)力等效的優(yōu)點(diǎn)，在土方開挖的穩(wěn)定性和破壞機(jī)理研究等方面已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[4]。不過，土方開挖的離心模型試驗(yàn)研究主要集中在開挖行為導(dǎo)致的失穩(wěn)破壞形態(tài)和規(guī)律等方面[5?8]，而從建筑機(jī)械荷載條件對(duì)于開挖穩(wěn)定性影響的角度深入探討開挖引起的失穩(wěn)破壞形態(tài)及機(jī)理的相關(guān)研究報(bào)道較少。房明等[9]通過模擬溝槽開挖過程的離心模型試驗(yàn)，討論了挖掘機(jī)自重產(chǎn)生的中心荷載對(duì)開挖穩(wěn)定性的影響。本文進(jìn)一步通過模擬溝槽開挖的離心模型試驗(yàn)，著重探討挖掘機(jī)偏心荷載的大小和偏心距對(duì)開挖過程中溝槽溝壁的破壞形態(tài)、開挖深度及溝槽邊坡滑動(dòng)土體寬度的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備

圖1為履帶式挖掘機(jī)開挖溝槽示意圖，其中為履帶板寬，為履帶全寬，為挖掘機(jī)與溝槽溝壁之間的距離(以距離溝槽溝壁最近的履帶板 計(jì)算)。

本試驗(yàn)使用的土工離心機(jī)是日本產(chǎn)業(yè)安全研究所NIIS Mark-II土工離心機(jī)及在其上開挖的開挖模擬設(shè)備，如圖2所示，其性能參數(shù)參見文獻(xiàn)[10]。該開挖設(shè)備采用刀片將欲開挖土體從地基土上切下并推離，可較好實(shí)現(xiàn)離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的土方即時(shí)開挖和多次開挖。地基土體的變形和破壞形態(tài)采用離心場(chǎng)圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行觀察與記錄。

圖1 履帶式挖掘機(jī)開挖溝槽示意圖

單位：mm

2 模型制作

2.1 地基模型

制作模型地基的模型箱的內(nèi)部尺寸為450 mm×100 mm×272 mm。為了減小開挖時(shí)模型箱側(cè)壁摩擦對(duì)地基土變形的影響，在模型箱非觀測(cè)面貼有2層塑膠膜并在2層膜之間刷上硅油。

地基土為砂土，制作地基時(shí)沿深度方向上每10 mm間隔鋪設(shè)一層5 mm厚的黑色砂，以便于清晰觀察溝壁的破壞形態(tài)。模型地基的物理力學(xué)指標(biāo)，如表1所示。

表1 模型地基的物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 挖掘機(jī)偏心荷載模型

根據(jù)履帶式挖掘機(jī)的相關(guān)參數(shù)，可將挖掘機(jī)等建筑機(jī)械自重產(chǎn)生的中心荷載近似視為2個(gè)相連的條形均布荷載，其中挖掘機(jī)模型的履帶板寬=20 mm；履帶全寬=5=100 mm。由此得到本試驗(yàn)的挖掘機(jī)等建筑機(jī)械中心荷載模型，如圖3(a)所示，模型上半部分為鐵塊，下半部分為鋁塊，質(zhì)量相同均為487.71 g，模型總質(zhì)量=975.42 g。偏心荷載模型的總質(zhì)量與中心荷載模型相同，均為975.42 g。偏心荷載模型，如圖3(b)和3(c)所示，為了模擬挖掘機(jī)施工工況，將模型上半部分的鐵塊固定在靠近溝壁的條形荷載上，并通過改變鐵塊的形狀，調(diào)整偏心距的大小。本試驗(yàn)的偏心距有2種，分別為=20 mm(/5)及25 mm(/4)，計(jì)算得到的挖掘機(jī)接觸壓力，如圖3(b)和3(c)所示。

圖3 挖掘機(jī)偏心荷載模型

3 試驗(yàn)方案與方法

試驗(yàn)方案如表2所示。其中，靠近溝壁的條形荷載的接觸壓力平均值=(max+1)/2=106.8 kPa和115.6 kPa，分別為模型地基極限承載力(700 kPa)的15.3%和16.5%。此外，試驗(yàn)方案也設(shè)計(jì)了無建筑機(jī)械荷載及建筑機(jī)械中心荷載作用時(shí)的溝槽開挖 試驗(yàn)。

試驗(yàn)方法如圖4所示。首先，將模型箱放置于離心機(jī)吊斗，安裝開挖設(shè)備，并將開挖刀位置調(diào)整好，將挖掘機(jī)等建筑機(jī)械荷載的模型放置于水平地基表面。最后，將離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)至預(yù)定的離心加速度30 G后進(jìn)行開挖試驗(yàn)，開挖刀單向運(yùn)行，挖除地基土層厚度每次約5 mm，開挖土層的寬度約等于模型箱的厚度(100 mm)，直至發(fā)生土方坍塌。

表2 開挖試驗(yàn)方案(離心加速度：30G)

圖4 離心場(chǎng)中開挖試驗(yàn)?zāi)Ｊ綀D

4 離心模型試驗(yàn)結(jié)果

4.1 溝槽的開挖深度

偏心距對(duì)開挖深度的影響，見圖5。當(dāng)=16 mm時(shí)，無論偏心距的大小，開挖深度均為50 mm且與無建筑機(jī)械荷載時(shí)的開挖深度51 mm幾乎相等，表明偏心距對(duì)開挖深度基本無影響。當(dāng)=10 mm時(shí)，開挖深度受偏心距的影響較大，由圖5可知，隨著偏心距的增大，開挖深度減小。

在本試驗(yàn)條件下，當(dāng)=16 mm時(shí)，即挖掘機(jī)與溝槽溝壁的距離較遠(yuǎn)時(shí)，偏心距對(duì)開挖深度幾乎沒有影響，表明挖掘機(jī)位于建筑機(jī)械荷載非影響區(qū)；當(dāng)＝10 mm時(shí)，即挖掘機(jī)與溝槽溝壁的距離較近時(shí)，偏心距對(duì)開挖深度影響較大，開挖深度隨著偏心距的增大而減小，表明挖掘機(jī)位于建筑機(jī)械荷載影響區(qū)。

圖5 偏心距對(duì)開挖深度的影響

4.2 溝槽溝壁破壞形態(tài)

圖6為各試驗(yàn)的溝壁破壞形態(tài)。圖6(a)為無建筑機(jī)械荷載時(shí)的溝壁破壞形態(tài)，圖6(b)和6(e)為建筑機(jī)械中心荷載(=71.8 kPa)作用時(shí)的溝壁破壞形態(tài)。如圖6(c)和6(d)所示，當(dāng)=10 mm即挖掘機(jī)位于建筑機(jī)械荷載影響區(qū)且有偏心時(shí)，首先是溝壁坍塌，隨后挖掘機(jī)傾倒。當(dāng)=16 mm即挖掘機(jī)位于建筑機(jī)械荷載非影響區(qū)時(shí)，見圖6(f)和6(g)，挖掘機(jī)沒有發(fā)生傾翻現(xiàn)象。

在建筑機(jī)械偏心荷載的作用下(接觸壓力為地基極限承載力的15.3%和16.5%；偏心距為=/5，=/4)，溝壁的破壞形態(tài)如圖6(c)，6(d)，6(f)和6(g)所示，與無建筑機(jī)械荷載時(shí)(圖6(a))相似，表明溝壁的破壞形態(tài)不受建筑機(jī)械荷載的大小及其與溝壁的距離和偏心距的影響，均屬于開挖穩(wěn)定性占支配地方的破壞形態(tài)[11?13]。

圖6 溝槽溝壁的破壞形態(tài)

4.3 溝壁坍塌時(shí)滑動(dòng)土體的寬度

如圖7所示，無論挖掘機(jī)分別位于建筑機(jī)械荷載影響區(qū)和非影響區(qū)，滑動(dòng)土體的寬度在11~13 mm之間，而無荷載時(shí)的=12 mm，兩者基本相同。表明溝壁坍塌時(shí)滑動(dòng)土體的寬度不受建筑機(jī)械荷載距溝壁的距離及偏心距大小的影響。

4.4 開挖過程中挖掘機(jī)偏心荷載模型的傾翻情況

開挖過程中挖掘機(jī)偏心荷載模型的傾翻情況，見圖8。如圖8(a)所示，當(dāng)=10 mm即挖掘機(jī)位于建筑機(jī)械荷載影響區(qū)且有偏心時(shí)，在溝壁坍塌之前挖掘機(jī)產(chǎn)生微小的傾斜角度，溝壁坍塌瞬時(shí)挖掘機(jī)發(fā)生傾翻(對(duì)應(yīng)圖6(c)和6(d)照片)。如圖8(b)所示，當(dāng)=16 mm即挖掘機(jī)位于建筑機(jī)械荷載非影響區(qū)時(shí)，即使溝壁坍塌，挖掘機(jī)也未發(fā)生傾翻現(xiàn)象(對(duì)應(yīng)圖6(f)和6(g)照片)，挖掘機(jī)傾斜角度均小于1°，表明偏心距對(duì)挖掘機(jī)的傾斜不產(chǎn)生影響。

圖7 偏心距與溝壁滑動(dòng)土體的寬度的關(guān)系

圖8 開挖過程中挖掘機(jī)偏心荷載模型的傾翻情況

5 結(jié)論

1) 當(dāng)挖掘機(jī)距離開挖溝槽溝壁較近，即位于建筑機(jī)械荷載影響區(qū)時(shí)，偏心距對(duì)開挖深度影響較大，開挖深度隨著偏心距的增大而減?。划?dāng)挖掘機(jī)距離開挖溝槽溝壁較遠(yuǎn)，即位于建筑機(jī)械荷載非影響區(qū)時(shí)，偏心距對(duì)開挖深度的影響可忽略。

2) 挖掘機(jī)偏心荷載作用下的溝槽溝壁破壞形態(tài)與中心荷載作用時(shí)相同，均屬于由開挖穩(wěn)定性決定的破壞形態(tài)。并且溝槽溝壁的破壞形態(tài)及溝壁坍塌時(shí)滑動(dòng)土體的寬度均不受建筑機(jī)械偏心荷載的大小、偏心距及其與溝壁距離的影響。

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Influence of construction machinery eccentric load on stability of excavation by centrifugal model test

FANG Ming1, YANG Junjie2

(1. College of Public Administration, Guangdong University of Finance & Economics, Guangzhou 510320, China; 2. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

In the process of excavating municipal pipelines by construction machinery, trench wall slumping and excavating machine leaning make engineering accidents that lead to economic and casualties losses increase. How to avoid slumping accidents due to excavation is a project which desiderates researching. The influence of construction machinery eccentric load on trench stability by centrifuge model tests which simulate the process of trench excavation is discussed. This study will also provide important support to the safe construction and disaster prevention of trench excavation.

construction machinery; eccentric load; excavation; stability; centrifuge model test

TU443

A

1672 ? 7029(2018)01 ? 0213 ? 07

2016?12?29

廣州市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(201607010264)；廣東財(cái)經(jīng)大學(xué)校級(jí)課題資助項(xiàng)目(14ZXRW56001)

房明(1981?)，女，山東淄博人，講師，博士，從事巖土工程與地下工程開挖安全預(yù)警方面的研究工作；E?mail：paopao8179pao@163.com