超深基坑開挖性狀離心模型試驗(yàn)研究

超深基坑開挖性狀離心模型試驗(yàn)研究

0．基坑工程研究上海位于典型的軟土區(qū)。由于土壤高度、節(jié)距、高水分布性和低滲透性，上海的低地設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。近年來，上海地下空間開發(fā)速度加快，地鐵建設(shè)已進(jìn)入關(guān)鍵發(fā)展時(shí)期，已建和在建的地鐵線路達(dá)10余條，其中越來越多的路線交叉和地鐵換乘車站都要求深基坑開挖，有的地鐵車站的埋深將達(dá)地下30～40m，如11號(hào)線徐家匯站開挖深度為27m,9號(hào)線宜山路站開挖深度29m等，這些基坑已屬于超深基坑工程范疇。城市中心區(qū)基坑的設(shè)計(jì)理念正從強(qiáng)度控制設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變到變形控制設(shè)計(jì)，只有正確認(rèn)識(shí)超深基坑開挖的變形性狀，才能有助于有效地指導(dǎo)超深基坑工程的設(shè)計(jì)與施工。國內(nèi)外已有不少學(xué)者利用離心模擬手段對(duì)基坑工程進(jìn)行了相關(guān)研究，如Bolton等利用劍橋大學(xué)離心機(jī)研究了開挖深度為10m的基坑失穩(wěn)前地下連續(xù)墻的變形，并基于土–結(jié)構(gòu)共同作用機(jī)理，提出用動(dòng)員土體強(qiáng)度（mobilizablesoilstrength）作為控制擋墻變形的重要參數(shù)。張師德等針對(duì)地鐵一號(hào)線徐家匯車站挖深17m基坑的穩(wěn)定性進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)研究。劉金元采用上海現(xiàn)場(chǎng)原狀淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行離心試驗(yàn)，研究了深15m基坑開挖破壞模式等。上述研究主要集中在開挖深度小于20m的基坑，即一般意義上的深基坑。而目前國內(nèi)外有關(guān)30m深以上的超深基坑的離心模型試驗(yàn)的文獻(xiàn)，能夠見到的又很少，先前基坑研究成果能否直接應(yīng)用于工程實(shí)踐難以把握。本文以上海軌道交通4號(hào)線修復(fù)工程超深基坑為研究對(duì)象，利用離心模型試驗(yàn)，對(duì)超深基坑開挖過程中地下連續(xù)墻的水平位移量、周圍地層擾動(dòng)變形量，開挖時(shí)基坑土壓力的變化情況等進(jìn)行研究，加深對(duì)超深基坑的變形特性的認(rèn)識(shí)，嘗試發(fā)掘超深基坑與淺基坑的開挖共同規(guī)律及差異。1基坑工程的資源配置上海軌道交通4號(hào)線修復(fù)工程位于黃浦江邊，采用原位明挖修復(fù)總體技術(shù)路線，包括東、中、西3個(gè)明挖基坑，分別長(zhǎng)174,27和64m。兩端臨界點(diǎn)采用凍結(jié)法暗挖，長(zhǎng)10m左右，剩余的兩側(cè)完好隧道進(jìn)行常壓清理，浦東側(cè)約1000m，浦西側(cè)約700m?；訕?biāo)準(zhǔn)段的開挖深度為38m，東側(cè)基坑的東端頭落深3m，開挖深度達(dá)到41m。整個(gè)基坑自上而下設(shè)9道支撐（局部落深處設(shè)10道）鋼筋混凝土支撐?；拥膰o(hù)結(jié)構(gòu)為厚度1.2m，深度65m的地下連續(xù)墻，其接縫采用十字鋼板接頭，接縫處采用坑外旋噴樁止水。整個(gè)基坑工程的縱剖面如圖1所示。根據(jù)詳勘資料，修復(fù)原址沿基坑外側(cè)（約8m）地層層位基本上未有明顯差異，僅第(2)0層在局部有沉陷，層位有一定變化。在兩條隧道軸線中間的地層錯(cuò)動(dòng)和塌陷較大，各層土的下陷量在4.5～7m左右，土體發(fā)生大范圍的錯(cuò)動(dòng)。地基分層和土的物理力學(xué)性質(zhì)見表1所示。2試驗(yàn)設(shè)計(jì)2.1最大容量、最大旋轉(zhuǎn)半徑試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)巖土工程實(shí)驗(yàn)室TLJ-150型土工離心機(jī)上完成。該離心機(jī)最大容量為150g·t，最大加速度為200g；有效旋轉(zhuǎn)半徑為3.0m。離心試驗(yàn)用大模型箱的有效尺寸為0.9m×0.7m×0.7m（長(zhǎng)×寬×高）。2.2應(yīng)力、應(yīng)變模型的建立土是一種高度非線性的天然材料，其性質(zhì)與所受的應(yīng)力水平密切相關(guān)。土工離心模擬試驗(yàn)技術(shù)是利用離心力場(chǎng)和重力場(chǎng)等效，將模型尺寸縮小到原型尺寸的1/n，同時(shí)作用在模型上的體積力增大n倍，這時(shí)模型中各點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變與原型中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變相等，原型和模型對(duì)應(yīng)點(diǎn)的位移成n倍關(guān)系。利用相似原理可以得到模型和原型各物理量的相似準(zhǔn)則。2.3含隔水層結(jié)構(gòu)的巷道變形模型離心試驗(yàn)進(jìn)行了兩組工況，工況一是單純模擬東基坑標(biāo)準(zhǔn)段超深基坑開挖過程，該工況的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是內(nèi)撐式深65m的地下連續(xù)墻，基坑寬23m，深38m，可簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題，又由于是對(duì)稱體系，取半結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。沿深度方向設(shè)9道混凝土支撐，分9次加支撐9次開挖，即9個(gè)開挖步。工況二采用與工況一相同的試驗(yàn)斷面，相同的地層構(gòu)成，但在地層制備過程中，其固結(jié)時(shí)間要長(zhǎng)一個(gè)小時(shí)。另外，在擋墻外側(cè)局部位置放置高層建筑模型，工況二的目的除對(duì)工況一的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證外，并考察局部臨近建筑物的變形情況。限于篇幅，本文僅報(bào)告基坑本身的變形規(guī)律。模型斷面及平面見圖2。根據(jù)現(xiàn)實(shí)條件和工程進(jìn)度要求，按照實(shí)際施工順序，采用常見的停機(jī)–開挖–開機(jī)方式模擬基坑開挖過程。2.4模型率及加速度依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)基坑的實(shí)際尺寸，模量相似關(guān)系，以及模型箱的凈空尺寸，并結(jié)合同濟(jì)大學(xué)TJ-150土工離心機(jī)的工作條件，試驗(yàn)選擇模型率為120，即試驗(yàn)過程中離心機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)加速度為120g。2.5空心鋁管直徑與壁厚為了確保兩個(gè)工況下地基模型具有可重復(fù)性并有近似的應(yīng)力分布，試驗(yàn)中采用在離心場(chǎng)中分層固結(jié)法固結(jié)土層形成重塑土，土層制備力求標(biāo)準(zhǔn)化、量化，包括土層厚度，固結(jié)時(shí)間等要保持基本相同，并控制土的重度、含水率和土體強(qiáng)度指標(biāo)，使試驗(yàn)土層與現(xiàn)場(chǎng)土層的性質(zhì)近似。因小模型制作條件所限，在模擬超深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻時(shí)，根據(jù)材料的抗彎剛度用鋁板替代，鋁板厚度7.5mm；模擬鋼筋混凝土支撐時(shí)，根據(jù)抗壓剛度等效原則選用空心薄壁鋁管替代，同樣可以得到鋁管直徑與壁厚，空心鋁管平均壁厚1.5mm，平均外徑為20mm。確定模型試驗(yàn)中模擬支撐的空心鋁管直徑和壁厚計(jì)算公式如下式所示式中sE,A為現(xiàn)場(chǎng)鋼筋混凝土支撐的彈模和截面積；EAl,DAl，δAl為模型試驗(yàn)中鋁管的彈性模量、直徑和壁厚。2.6土壓力傳感器的選用地下連續(xù)墻的水平位移通過在地墻的表面貼應(yīng)變片法得到。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果測(cè)得的地墻應(yīng)變片讀數(shù)，換算出每步開挖墻體的曲率分布，進(jìn)而計(jì)算出每次開挖后加支撐地下連續(xù)墻的變形。具體公式推導(dǎo)過程如下：公式適用于小變形曲線。假定光滑曲線是有多段圓弧連接而成，曲線連續(xù)，o點(diǎn)是固定點(diǎn)，在一定小角度各段圓弧內(nèi)每個(gè)點(diǎn)曲率相等，見圖3。(1）直角坐標(biāo)系與極坐標(biāo)系方向一致時(shí)(2）極坐標(biāo)系相對(duì)與直角坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角度i時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角為i時(shí)有極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)變換向量為。土壓力傳感器固定在基坑外側(cè)的地墻模型上，用于測(cè)定試驗(yàn)過程中主動(dòng)土壓力的變化情況，沿深度方向布置了6只傳感器，土壓力傳感器的詳細(xì)布置如圖2所示。在土層表面距離地墻外側(cè)0.5,5,10和20cm處依次布置了4只差動(dòng)式位移傳感器（LVDT），用來測(cè)量地表面沉降，如圖2所示。3連續(xù)墻水平位移撞擊成原型地墻和地表沉降的計(jì)算為了能夠直觀表達(dá)模型試驗(yàn)反映原型的狀況，將模型地下連續(xù)墻的水平位移換算成原型地墻的水平位移，將模型土壓換算成原型土壓力值，將模型地表沉降換算成原型地表沉降。相關(guān)數(shù)據(jù)都是在離心機(jī)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定狀態(tài)下采集所得。3.1原位施工結(jié)果分析和直剪試驗(yàn)結(jié)果主要體現(xiàn)為了能正確分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)原型結(jié)構(gòu)做出較好的預(yù)測(cè)和判斷，以便對(duì)試驗(yàn)誤差做出估計(jì)，同時(shí)考慮到減小試驗(yàn)之外對(duì)土的擾動(dòng)，在試驗(yàn)結(jié)束后即取土樣對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，從而能對(duì)試驗(yàn)土層有定性的認(rèn)識(shí)。取土樣位置在模型箱中距離地墻約25cm，試驗(yàn)結(jié)束后不同土層的含水率和直剪試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2可看出，工況二中(5)號(hào)土和(7)號(hào)土的含水率均比工況一相應(yīng)土層的含水率略小，同時(shí)工況二土層直剪強(qiáng)度比工況一中對(duì)應(yīng)土層的直剪強(qiáng)度大。這主要由于工況二的模型制備固結(jié)時(shí)間比工況一多一個(gè)小時(shí)，固結(jié)度較高所致。與原位勘探值相比，兩個(gè)試驗(yàn)工況(5)號(hào)土層直剪強(qiáng)度均比現(xiàn)場(chǎng)值稍微偏大，(7)號(hào)土的內(nèi)摩擦角較現(xiàn)場(chǎng)值偏小。考慮到土體卸載回彈，取樣過程對(duì)土擾動(dòng)和試驗(yàn)誤差等，基本認(rèn)為試驗(yàn)所得的土層強(qiáng)度指標(biāo)與現(xiàn)場(chǎng)主要土層原位勘探值接近。3.2開挖深度對(duì)地墻水平位移的影響開挖步一是指第一次開挖到預(yù)定深度，再加上第一道支撐，加載到預(yù)定離心加速度并穩(wěn)定的過程。其他開挖步類似。工況一中第二、三兩次開挖步數(shù)據(jù)因數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)故障而缺失。超深基坑開挖模擬試驗(yàn)是以第一次開挖前的穩(wěn)定階段的測(cè)試值作為初值（零）。從圖4可以看出，工況一和工況二的地下連續(xù)墻變形趨勢(shì)具有良好的一致性。地墻變化曲線較好的揭示了基坑變形隨開挖深度變化的規(guī)律，從圖中可以看出：(1)隨開基坑深度的加深，地下連續(xù)墻水平位移最大值點(diǎn)逐漸下移，第一至第五次開挖時(shí)最大水平位移值點(diǎn)位于對(duì)應(yīng)開挖面之下，從第六次開挖開始位于開挖面以上處。(2)地下連續(xù)墻水平位移極值隨開挖深度的加深而增大，變化速率隨著開挖的進(jìn)行而減小，有穩(wěn)定收斂的趨勢(shì)。(3)工況一中加第七道支撐并開挖時(shí)地墻水平位移到達(dá)最大值8.3cm，為最大基坑深度的0.218%；工況二中同樣也在第七次開挖時(shí)地墻水平位移出現(xiàn)最大值5cm，為最大基坑開挖深度的0.132%。第八、九次開挖時(shí)最大值未有增大，處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，只是最大值點(diǎn)往下移。工況一、二地墻的水平位移最大值的大小與相應(yīng)試驗(yàn)土層的強(qiáng)度大小存在著一定的聯(lián)系。(4)試驗(yàn)過程中，地下連續(xù)墻的頂端出現(xiàn)了向基坑外移動(dòng)的現(xiàn)象，這主要是與試驗(yàn)采用的支撐連接形式有關(guān)。因?yàn)樵囼?yàn)中所采用的支撐是直接頂在地墻上，只能承受壓力，如果地墻有向基坑外的位移趨勢(shì)，支撐就會(huì)與其松脫，不能成為一個(gè)整體。與實(shí)際的混凝土支撐連接情況有所差異，導(dǎo)致了地墻頂部向坑外側(cè)移。需要說明的是，離心模型試驗(yàn)中未對(duì)基坑土體采取加固措施，基坑底部沒有底板結(jié)構(gòu)，模擬的是最不利情況。3.3最大彎矩的比較圖5給出兩種工況下地墻彎矩隨深度變化的情況，在地墻的彎矩測(cè)試斷面，向基坑內(nèi)的撓曲定義為正，相反為負(fù)。從圖5中可以看出，工況一中第一次開挖地墻彎矩比較小，在深度25m處地墻的最大正彎矩達(dá)到約3700(kN·m/m），出現(xiàn)時(shí)間為第七次開挖，與地墻側(cè)移最大值發(fā)生時(shí)間一致；最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在埋深47m的地方，最大值為-2700(kN·m/m）。工況二的地墻彎矩變化與工況一類似，最大正彎矩約為2600(kN·m/m）出現(xiàn)在深度25.4m處，最大負(fù)彎矩值在深度47.3m處，最大負(fù)值約為-1450(kN·m/m）。從地下連續(xù)墻的水平位移分析可得出，工況一的地墻水平位移極大值要大于工況二，而地墻的彎矩則反映了相應(yīng)墻體在開挖過程中的變形受力狀況。3.4墻體對(duì)土體的擠壓圖6給出了隨基坑開挖基坑外側(cè)土壓力變化情況。可以看出，地墻背后土壓力變化值呈非線性。工況一的開挖初期，土壓力沿深度變化很小，隨著基坑開挖繼續(xù)，距離地表較近處的土壓力是變大的，而深處的土壓力則隨著基坑開挖減小了，這說明了隨著開挖加深，距離近地表處土體受到墻體對(duì)其擠壓，從而使壓力值增大，深處的土壓力則因地墻向遠(yuǎn)離土體的方向運(yùn)動(dòng)而減小。土壓力變化值反映：在試驗(yàn)過程中地墻頂端向基坑外偏移，同時(shí)地墻的中下部向基坑內(nèi)移動(dòng)。工況二中基坑開挖過程中淺層處土壓力值變小，但變化量值比較小，區(qū)別于工況一，說明工況二中墻體上部沒有像工況一那樣擠壓土體。深處土壓力隨開挖而減小，變化量值明顯較淺層土壓力變化量大，與墻體向坑內(nèi)位移有關(guān)。試驗(yàn)中考慮的土壓力變化的影響因素很少，實(shí)際基坑工程中，影響土壓力的除土層的不均勻性、流變性、支護(hù)結(jié)構(gòu)特性、開挖暴露時(shí)間、開挖次序、挖方大小等眾多因素外，在超深基坑開挖過程中，土壓力還因受到施工進(jìn)程、土體沉降、施工機(jī)械布置等各種因素的影響而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化?；娱_挖過程中，在墻體背后的土壓力和支撐的共同作用下，地墻產(chǎn)生撓曲變形，引起土壓力的重新分布。3.5沉降分析結(jié)果由圖7給出的坑外地表沉降曲線可知，工況一的地面沉降也隨基坑開挖而增大，最大沉降值達(dá)到26cm。地表沉降呈沉降槽形式，在開挖階段形成。開挖初期地表沉降速率較大，開挖中期沉降速率趨于穩(wěn)定，第七次開挖時(shí)遠(yuǎn)離基坑地表出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，但接著的基坑開挖使地表沉降加劇，隨著時(shí)間變化開挖深度越大沉降速率越大。最大沉降發(fā)生在距離基坑側(cè)約13m處，占基坑最大開挖深度的34.2%。工況二的地面沉降也呈現(xiàn)沉槽形分布，槽底隨著基坑的開挖逐漸向遠(yuǎn)離基坑的方向移動(dòng)，最大沉降量為13.2cm，位置在距離基坑約12m處，占基坑最大開挖深度的31.6%。由于試驗(yàn)土層是通過分層固結(jié)而成，上述結(jié)果受固結(jié)影響，同時(shí)試驗(yàn)中并沒有對(duì)地表進(jìn)行任何加固，實(shí)際沉降應(yīng)小于此值。因試驗(yàn)所研究的區(qū)域限制，距離基坑較遠(yuǎn)處的地表變化情況未能作考察。地表沉降結(jié)果是定性的，但其沉降槽形狀，槽底位置，沉降速率等特點(diǎn)還是能夠?yàn)楣こ虒?shí)際提供參考。4地墻水平位移測(cè)量方法本次離心模型試驗(yàn)與實(shí)際工程緊密結(jié)合，因此可以充分利用現(xiàn)場(chǎng)部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證試驗(yàn)的可靠性和真實(shí)性?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的地墻水平位移見圖8，可見，實(shí)際地墻隨著基坑的開挖水平位移規(guī)律與離心模型試驗(yàn)基本一致，最大側(cè)移值49mm。地墻水平位移實(shí)測(cè)值比試驗(yàn)值小，與現(xiàn)場(chǎng)對(duì)基坑采取了一系列加固措施，如坑底加固等有關(guān)?，F(xiàn)場(chǎng)地表沉降測(cè)量值見圖9。由于修復(fù)工程現(xiàn)場(chǎng)地表在搶險(xiǎn)時(shí)擾動(dòng)較大，采用了注漿、加固及其他工程措施，與天然地表已有較大差別，因此無法就沉降量的絕對(duì)值將試驗(yàn)結(jié)果與量測(cè)結(jié)果比較。但從圖7與圖9中可以看出其分布規(guī)律較為一致，都在距離地墻10m附近地表沉降達(dá)到最大值，現(xiàn)場(chǎng)最大沉降量8mm。超深基坑工程是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，影響因素非常多，對(duì)工程結(jié)果的分析要綜合考慮。從以上比較結(jié)果可以得出，離心模型試驗(yàn)?zāi)軌蜉^真實(shí)地再現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工程狀況，并能反映符合實(shí)際的工程規(guī)律，同時(shí)還可以突出基坑開挖穩(wěn)定性的主要影響因素及內(nèi)在聯(lián)系。5地墻變形的特性本文通過