懸臂支擋基坑開(kāi)挖的離心模型試驗(yàn)研究

楊家新 王耀，2 王小華 金紅柳

1.北京城投地下空間開(kāi)發(fā)建設(shè)有限公司，北京 100084；2.北京市基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司，北京 100101；3.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084

近年來(lái)，我國(guó)基坑工程事故頻發(fā)，造成了重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為了建立安全的基坑支護(hù)體系，需要深入研究基坑的變形破壞特性。

基坑變形破壞的研究手段主要有現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、數(shù)值方法、模型試驗(yàn)等?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果作為基坑變形破壞的第一手實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于理解基坑變形破壞機(jī)理至關(guān)重要。已有許多學(xué)者結(jié)合施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及事故現(xiàn)場(chǎng)的災(zāi)害調(diào)查結(jié)果，總結(jié)了基坑變形破壞的形態(tài)和影響因素［1-3］。實(shí)際基坑工程干擾因素復(fù)雜且無(wú)法主動(dòng)改變各類(lèi)影響因素，在基坑變形破壞機(jī)理的研究中存在較大的局限。有限元等數(shù)值方法可以通過(guò)選擇合適的本構(gòu)模型對(duì)基坑中土與結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)行合理模擬，且方便改變土性、施工條件等各類(lèi)影響因素［4-6］。有限元計(jì)算的精度對(duì)土體本構(gòu)模型和參數(shù)的選取依賴(lài)性較強(qiáng)，對(duì)于基坑破壞階段的計(jì)算精度也有待進(jìn)一步提高。

土工離心模型試驗(yàn)因具有模型和原型自重應(yīng)力場(chǎng)相等、變形相似、破壞機(jī)理相同等優(yōu)勢(shì)，在基坑變形破壞研究方面得到了廣泛應(yīng)用［7-9］?；娱_(kāi)挖離心模型試驗(yàn)方法的技術(shù)關(guān)鍵是如何合理模擬離心場(chǎng)中的開(kāi)挖。目前的模擬方法主要有停機(jī)開(kāi)挖和離心場(chǎng)開(kāi)挖兩類(lèi)。停機(jī)開(kāi)挖操作簡(jiǎn)單，是在1g重力場(chǎng)下進(jìn)行開(kāi)挖，再重新置于離心場(chǎng)中試驗(yàn)，模型應(yīng)力路徑與原型開(kāi)挖應(yīng)力路徑明顯不同；而離心場(chǎng)開(kāi)挖能模擬與實(shí)際基坑工程相符的應(yīng)力路徑，合理模擬基坑的變形破壞過(guò)程［10-14］。文獻(xiàn)［15］自主研發(fā)了一種離心場(chǎng)基坑開(kāi)挖設(shè)備，采用加載單元模擬待開(kāi)挖土體，能再現(xiàn)開(kāi)挖前原型地基側(cè)限狀態(tài)的變形場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，從而合理模擬開(kāi)挖過(guò)程。目前，基坑離心模型試驗(yàn)的研究多集中在觀察基坑開(kāi)挖后的穩(wěn)定性和變形破壞特性，對(duì)開(kāi)挖條件下基坑變形過(guò)程、支擋結(jié)構(gòu)土壓力變化規(guī)律等的研究較少。

本文采用可實(shí)時(shí)模擬開(kāi)挖的離心場(chǎng)基坑開(kāi)挖設(shè)備進(jìn)行粉質(zhì)黏土基坑開(kāi)挖的離心模型試驗(yàn)，再現(xiàn)粉質(zhì)黏土地基中懸臂支擋基坑變形破壞的全過(guò)程，并記錄開(kāi)挖過(guò)程中基坑位移、支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)變、土壓力等，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析開(kāi)挖條件下粉質(zhì)黏土基坑變形規(guī)律和支擋結(jié)構(gòu)土壓力特性。

1 離心模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

離心模型試驗(yàn)在清華大學(xué)土工離心機(jī)上進(jìn)行，其有效半徑為2 m，最大離心加速度為250g。使用文獻(xiàn)［15］研制的離心場(chǎng)基坑開(kāi)挖設(shè)備，可在離心場(chǎng)真實(shí)應(yīng)力路徑條件下實(shí)現(xiàn)基坑開(kāi)挖。開(kāi)挖設(shè)備固定在模型容器上，模型容器由鋁合金制成，長(zhǎng)60 cm，寬20 cm，高55 cm，見(jiàn)圖1。模型容器的一側(cè)裝有一塊厚的透明有機(jī)玻璃，用于在試驗(yàn)時(shí)觀察模型變形。

圖1 基坑開(kāi)挖試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽猓▎挝唬篶m）

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)在50g的離心加速度場(chǎng)中進(jìn)行。擋墻的埋置深度為14 cm，基坑的開(kāi)挖深度為22 cm，埋深比（埋置深度與開(kāi)挖深度比值）為1∶1.6。

試驗(yàn)所用的粉質(zhì)黏土的土粒相對(duì)密度為2.7，液限為25%，塑限為18.5%，土坡模型的擊實(shí)干密度控制在1.55 g/cm3，含水率為18%。制樣前先按照試驗(yàn)方案調(diào)整好固定擋墻位置，然后分層擊實(shí)地基，完成后嵌入擋土墻，固定擋墻后將左側(cè)地基開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度。根據(jù)待開(kāi)挖土體的質(zhì)量確定設(shè)備豎向加載板的質(zhì)量后，將開(kāi)挖設(shè)備安裝到模型箱上。將橫向的支撐板調(diào)整到與擋墻剛好接觸的位置，豎向加載板則置于左側(cè)地基土上，最后解除對(duì)擋墻的臨時(shí)固定，試樣制備完成。

試驗(yàn)采用的擋墻為實(shí)心鋁板，其高度為40.0 cm，寬度為19.6 cm，厚度為1.0 cm，彈性模量為70 GPa。擋墻寬度略小于模型箱寬度以保證開(kāi)挖時(shí)擋墻可以自由移動(dòng)，不受模型箱壁的影響。根據(jù)抗彎剛度等效原則，該模型擋墻在50g離心加速度下相當(dāng)于厚度為650 mm的鋼筋混凝土擋墻。

1.3 測(cè)量技術(shù)

試驗(yàn)采用離心場(chǎng)高質(zhì)量圖像采集與位移測(cè)量系統(tǒng)記錄擋墻與土體的變形過(guò)程。通過(guò)圖像相關(guān)分析可以得出擋墻位移分布、土體位移場(chǎng)、任意點(diǎn)的位移時(shí)程等。此外，試驗(yàn)中使用激光位移傳感器測(cè)量擋墻頂部的水平位移。

擋墻兩側(cè)表面沿豎直方向設(shè)置若干圓柱形孔槽，用于布設(shè)土壓力傳感器。土壓力傳感器內(nèi)嵌于孔槽內(nèi)，受力面與擋墻表面平齊，盡可能消除局部土拱效應(yīng)帶來(lái)的誤差。此外，擋墻兩側(cè)粘貼了14對(duì)應(yīng)變片，記錄試驗(yàn)過(guò)程中擋墻不同高度的應(yīng)變。根據(jù)彈性理論，利用實(shí)測(cè)應(yīng)變可以得到擋墻的彎矩。擋墻上傳感器的具體布置參見(jiàn)圖1（b）。

1.4 試驗(yàn)步驟

在進(jìn)行基坑開(kāi)挖離心模型試驗(yàn)時(shí)，離心加速度從1g開(kāi)始逐漸增加至50g后，控制離心加速度保持穩(wěn)定一段時(shí)間，待模型變形穩(wěn)定后，通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)向開(kāi)挖設(shè)備發(fā)送開(kāi)挖指令，支護(hù)板后撤離開(kāi)擋墻，同時(shí)豎向加載板上提完成開(kāi)挖。當(dāng)基坑支護(hù)系統(tǒng)破壞或模型不再變形時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)圖像采集系統(tǒng)、位移傳感器、土壓力傳感器及應(yīng)變片測(cè)量和記錄模型變形、擋墻頂部位移、擋墻上作用的側(cè)土壓力及擋墻應(yīng)變。

2 支擋結(jié)構(gòu)響應(yīng)

基坑內(nèi)土體開(kāi)挖時(shí)，支擋結(jié)構(gòu)因兩側(cè)土壓力差而產(chǎn)生側(cè)向變形。擋墻頂部水平位移的時(shí)程曲線見(jiàn)圖2?？芍夯娱_(kāi)挖后擋墻水平位移隨時(shí)間增長(zhǎng)顯著增加且增加速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定；圖像測(cè)量和激光位移傳感器測(cè)量的結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了圖像測(cè)量方法的有效性。

圖2 擋墻頂部水平位移時(shí)程曲線

不同時(shí)刻擋墻水平位移沿深度分布曲線見(jiàn)圖3（a）?？芍夯娱_(kāi)挖引起擋墻變形的模式主要為向坑內(nèi)的偏轉(zhuǎn)，并伴隨一定的彎曲變形。隨擋墻頂部水平位移增長(zhǎng)，擋墻撓曲變形增大，轉(zhuǎn)動(dòng)中心深度增加，說(shuō)明隨擋墻位移增長(zhǎng)，擋墻和填土之間的相互作用加強(qiáng)，相互作用范圍加深。

圖3 不同時(shí)刻擋墻水平位移、彎矩沿深度分布曲線

開(kāi)挖后不同時(shí)刻擋墻彎矩沿深度分布曲線見(jiàn)圖3（b）?？芍簭澗胤植汲尸F(xiàn)出近似拋物線分布，峰值出現(xiàn)的位置略低于開(kāi)挖面。隨著擋墻頂部水平位移增大，擋墻彎矩增大，但最大彎矩所在位置幾乎不變，即擋墻最危險(xiǎn)截面的位置幾乎不隨擋墻位移發(fā)生改變。

3 基坑變形特性

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)模型見(jiàn)圖4。可見(jiàn)，開(kāi)挖完成后填土內(nèi)部產(chǎn)生了兩條豎直裂縫，分別距擋墻12、23 cm，而在擋墻和填土之間沒(méi)有產(chǎn)生裂縫，此現(xiàn)象與朗肯土壓力理論中擋墻和填土之間會(huì)產(chǎn)生裂縫的認(rèn)定不同。兩條裂縫最終的深度相近，大約為6 cm。朗肯土壓力理論中裂縫深度z0的計(jì)算公式為z0=2ctg(45°+φ/2)/γ，其中c為土黏聚力，φ為土內(nèi)摩擦角，γ為土重度。據(jù)此計(jì)算的裂縫深度為5.8 cm，與試驗(yàn)測(cè)得的裂縫深度接近。

圖4 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)模型

基于位移測(cè)量精度，本文將水平位移0.1 mm的等值線作為基坑變形區(qū)邊界?；幼冃芜^(guò)程中墻后支護(hù)土體水平位移等值線見(jiàn)圖5，其中ut為擋墻頂部水平位移?？芍S著擋墻偏轉(zhuǎn)，墻后填土的位移增加，變形區(qū)向深部擴(kuò)展。進(jìn)一步分析表明，基坑變形具有明顯的階段性特征。當(dāng)擋墻水平位移較小時(shí)（ut=1 mm），基坑變形較小，變形集中在填土上部靠近擋墻區(qū)域，位移分布較均勻；隨著擋墻進(jìn)一步偏轉(zhuǎn)（ut=3 mm），土體變形區(qū)向深部擴(kuò)展，土體上部水平位移等值線變密并出現(xiàn)了張拉裂縫；隨著擋墻繼續(xù)偏轉(zhuǎn)（ut=5 mm），張拉裂縫不斷擴(kuò)展，寬度和深度增加，此階段基坑變形以張拉變形為主；擋墻頂部水平位移從5 mm增大至9 mm的過(guò)程中，水平位移等值線進(jìn)一步密集，裂縫寬度繼續(xù)擴(kuò)展，但深度不再變化，變形區(qū)逐漸穩(wěn)定，裂縫與擋墻間的部分土體發(fā)生滑動(dòng)變形，此階段基坑變形以滑動(dòng)變形為主。綜上，開(kāi)挖引起的墻后土體位移依賴(lài)于擋墻的位移模式和大小。

圖5 不同墻頂水平位移時(shí)支護(hù)土體水平位移等值線

不同深度土體水平位移和豎向位移沿水平方向分布見(jiàn)圖6。可知：填土水平位移和豎向位移變化趨勢(shì)相同，均隨深度增加而減小。在同一深度上，靠近擋墻區(qū)域的土體水平位移較大，而遠(yuǎn)離擋墻區(qū)域的土體水平位移較小。位移水平分布曲線上存在一個(gè)位移由小變大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，如果曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)不明顯，則在變化趨勢(shì)不同的兩段曲線取切線，采用其交點(diǎn)作為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這說(shuō)明擋墻和轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間的土體發(fā)生了較為明顯的滑動(dòng)變形。不同深度處轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置在圖6中用紅色虛線標(biāo)出，將不同高度處的拐點(diǎn)相連，可以組成基坑變形的滑動(dòng)區(qū)。

圖6 不同深度土體水平和豎向位移沿水平方向分布

不同擋墻頂部水平位移時(shí)填土滑動(dòng)區(qū)的邊界見(jiàn)圖7?？芍?，隨著擋墻偏轉(zhuǎn)，滑動(dòng)區(qū)邊界和變形區(qū)邊界一樣不斷向下擴(kuò)展，當(dāng)擋墻頂部水平位移到達(dá)一定值（ut=5 mm）后，填土滑動(dòng)區(qū)邊界逐漸穩(wěn)定，形成較為明顯的滑楔體。當(dāng)擋墻頂部水平位移繼續(xù)增加時(shí)，滑楔體邊界不再改變，但滑楔體內(nèi)部土體的變形繼續(xù)增加，與周?chē)馏w產(chǎn)生更大的相對(duì)位移。滑動(dòng)區(qū)在變形區(qū)內(nèi)部，和變形區(qū)相比較，滑動(dòng)區(qū)邊界線較陡，下邊界點(diǎn)略高于變形區(qū)。

圖7 不同時(shí)刻土體滑動(dòng)區(qū)和變形區(qū)邊界

4 支擋結(jié)構(gòu)土壓力特性

不同深度處擋墻的土壓力隨擋墻頂部水平位移的變化見(jiàn)圖8。可知：隨擋墻頂部水平位移增長(zhǎng)，各點(diǎn)土壓力減小，且下降速率逐漸減小，直至趨近于0，位移繼續(xù)增長(zhǎng)土壓力保持不變。

圖8 擋墻上土壓力變化值隨擋墻位移變化

擋墻上土壓力沿深度分布曲線見(jiàn)圖9。可知，上部由于張拉裂縫的產(chǎn)生，土壓力的值非常??；土壓力沿深度近似呈拋物線分布，極值點(diǎn)在4H/5（H為擋墻高度）處，這會(huì)導(dǎo)致合力的作用點(diǎn)高于朗肯土壓力三角形分布時(shí)的作用點(diǎn)。

圖9 不同時(shí)刻擋墻上土壓力沿深度分布曲線

5 結(jié)論

1）基坑開(kāi)挖后，擋墻會(huì)朝坑內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并伴隨一定的撓曲變形。

2）開(kāi)挖導(dǎo)致的基坑位移依賴(lài)于擋墻的位移模式和大小，其過(guò)程具有明顯的階段性，可分為小變形階段、張拉變形階段和滑動(dòng)變形階段。

3）墻后填土的滑動(dòng)區(qū)位于變形區(qū)內(nèi)部，和變形區(qū)一樣隨擋墻偏轉(zhuǎn)不斷向深部擴(kuò)展。當(dāng)擋墻位移到達(dá)一定值后，變形區(qū)和滑動(dòng)區(qū)邊界逐漸穩(wěn)定，不再隨擋墻位移增長(zhǎng)而改變。

4）擋墻和填土界面上沒(méi)有產(chǎn)生裂縫，張拉裂縫僅在填土內(nèi)部產(chǎn)生，裂縫深度可用朗肯土壓力理論公式計(jì)算。

5）開(kāi)挖過(guò)程中，擋墻上土壓力隨擋墻位移增加而下降，且下降速率逐漸減小，直至土壓力達(dá)到極小值。土壓力沿深度方向近似呈拋物線分布，極值點(diǎn)大致在4/5倍擋墻高度處。