邻水深基坑开挖室内模型试验研究

王宝存,朱大勇,王小金,蒋泽锋,卢坤林

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009;2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室,安徽 合肥 230009)



邻水深基坑开挖室内模型试验研究

王宝存1,2,朱大勇1,2,王小金1,蒋泽锋1,卢坤林1

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009;2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室,安徽 合肥 230009)

摘要:文章采用室内缩尺模型试验对基坑开挖下土压力分布、变形机制进行了分析,并研究了水体对基坑开挖效应的影响。结果表明:随着开挖深度的加大,基坑周围的应力值在减小,且与开挖深度处于同一深度的土体的应力变化幅度最大,尤其在邻水状态下,应力变化幅值曲线会有明显的拐点;基坑侧向位移逐渐增大,但增幅逐渐减小,非邻水状态下位移曲线走势平滑稳定,邻水状态下位移在开挖深度达到一定值时会有减小趋势。试验研究成果对基坑开挖效应的分析,特别是邻水基坑的研究具有一定的参考价值。

关键词:基坑工程;模型试验;开挖效应;地下连续墙;邻近水体

0引言

20世纪60年代,Terzaghi和Peck根据地铁支护结构的实测资料,提出了著名的Terzaghi-Peck表观土压力理论[1-2],被国际上基坑支护设计所广泛采用。在深大基坑中,地下连续墙以其自身整体刚度大、强度高及防渗挡土等优点被广泛应用,并开始在世界各国迅速发展[3]。

目前常用于分析基坑开挖理论的方法有弹性抗力法和有限元法[4-5],已在一定程度上用于指导或辅助设计施工。除理论外,对于基坑的研究一般采用现场原型试验、室内物理模型试验和计算机数值模拟[6-10]等。室内物理模拟试验具有周期短、花费少、能较直观真实地展现原型等优点[11]。通过模拟基坑开挖的试验研究,可直观地观察和分析基坑开挖后的变形及其前后土压力的分布、变化规律,为理论研究提供依据[12-15]。本文以合肥地铁大东门站为原型,采用室内缩尺模型试验研究了基坑开挖下土压力分布、变形机制及破坏模式等,分析了堆载、不堆载及邻水对基坑开挖效应的影响,为地下连续墙基坑开挖效应分析提供了试验数据支持。

1室内模型试验

本试验以合肥地铁大东门站为原型,土体来自合肥地铁大东门站施工现场,是一种真实土料,并没有改变土质的物质组成,在室内将土体用机械夯实使土体重度增大至与现场地层粉砂质土重度相同,然后将土体静置一定的时间再开挖来模拟现场施工,土的基本物理性质指标如下:液限为48.5%,塑限为23%,塑性指标为25.5%,自由膨胀率为62%,最佳含水量为22%,最大干密度为1.58 g/cm3,重度为18.82 kN/m3,黏聚力为26 kPa,内摩擦角为12°,天然密度为1.92 g/cm3。根据相似性原理[16],试验采用室内缩尺模型结构。由于试验条件的限制,本试验并没有严格按相似率进行,只是一种简单的模拟试验。

本文旨在通过室内模型试验,模拟基坑开挖过程，测量土体应力在各个阶段的发展、变化过程,获得在各个阶段土体应力的大小、分布及其他一些规律,并监测在各个阶段基坑壁侧向位移的变化。

试验工作是在模型槽内进行的,在参考大量文献及考虑实际试验条件的基础上,确定了本试验的模型槽基本尺寸为1.8 m×1.5 m,长度方向为开放式,不固定长度,宽度方向一侧开有一梯形槽口,用于方便试验时进出模型槽,如图1所示。试验分为不堆载、堆载及邻水3组,其中基坑开挖采用边开挖边支护形式。开挖时一侧支撑一侧不支撑,以方便数据对比。

本试验主要测量土体的应力变化及地下连续墙顶部的侧向位移。土压力盒埋置如图2所示,共计24个,分底层、中层、顶层,以图2a的顺序给土压力盒编号。其中1～3号土压力盒只布置在底层。位移计布置如图1所示,测量地下连续墙支撑侧和不支撑侧的位移。

图1　模型试验和堆载装置图

图2　土压力盒埋置图

2试验结果分析

2.1土体应力与开挖过程的关系

在基坑开挖过程中,由于基坑内一侧的土体被挖走,地下连续墙就会发生向坑内的位移,土体中的原始应力平衡和稳定状态会被破坏,从而由相对静止状态转化为变形运动的状态,土体中的应力会发生应力重分布。首先分析模型底层未支撑侧远端3点,在堆载和邻水时相对应的土体应力值会有所增大,但基本变化趋势相似。由此可得,随着土压力盒离地下连续墙距离的增加,土体应力不再随开挖深度的增加而变化,本试验基坑的影响边界为60 cm左右,可知以上土压力盒的布点均在基坑影响范围内。

在同一水平侧,分析未支撑侧底层、中层及顶层3层的应力变化情况,如图3～图5所示。

图3　不堆载下未支撑侧土体应力-开挖深度关系

图4　堆载下未支撑侧土体应力-开挖深度关系

图5　邻水状态下未支撑侧土体应力-开挖深度关系

结果表明,随着施工过程的继续,到第1步结束深度在30 cm处的土体应力减小,而深度在50 cm和70 cm处的土中应力变化不明显,说明开挖施工过程中扰动了土体,改变了土体原有的应力状态。离开挖位置近的地方,受到的影响比较大,而远离开挖位置的土体应力变化不明显,说明开挖施工对土体应力的影响是有一定范围的。当施工到第2步开挖时,土体应力比前一步施工步骤中普遍减小,说明随着开挖深度的增加,基坑的影响范围越来越大,土中的应力场也随即改变。由此可知,随着开挖深度的增加,基坑周围的应力值减小,而且开挖深度越接近于土压力盒的埋深时,该土压力盒所测得的应力变化幅度越大,尤其在邻水状态下,应力变化幅值曲线出现了明显的拐点。

对比图3和图4可以发现，堆载情况下土体应力变化值普遍比未堆载时要大,这是因为堆载是模拟深基坑开挖的过程,说明深基坑开挖时土体应力变化幅值更大。而图5中,在第1步开挖时土体应力会出现增大的情况,这是因为地下连续墙内的土体开挖,模型的渗流场发生变化,土体应力中水压力所占比例较大，而后土体应力又回归正常的变化。由图3～图5可知,与堆载状态相比,邻水状态对基坑开挖效应的影响更大。在实际基坑开挖工程中,对于深基坑,特别是涉及邻水深基坑,施工中应尤为注意。

比较地下连续墙的支撑侧与未支撑侧,以4号点和5号点的应力值变化为例,可得土体应力与开挖深度的关系如图6所示。由图6可知，在未堆载情况下,两者的应力变化幅度差别不大,这是因为基坑开挖对土体应力的影响较小;而在堆载状态时,相当于模拟深基坑的开挖,此时支撑对减小土体应力变化的作用明显；在邻水状态下,由于水体会绕着地下连续墙模型槽进入基坑内,这时水压力在土体应力中所占比例较大,所以两者的变化幅度差别不大。

图6　支撑侧与未支撑侧土体应力-开挖深度关系

本试验中对地下连续墙支撑是非常简单的支撑形式,这与实际施工中所做的支撑差别较大,但也很好地发挥了支撑的作用,通过对比数据发现支撑的效果很明显。以图2中5号土压力盒位置不同深度的3点作为分析对象,比较不同开挖深度时土体应力与埋置深度的关系,如图7所示。

由图7可以得出,随着埋置深度的增加,土体应力呈现增大的趋势,但在堆载时土体应力的变化增幅最大。各土体应力的增幅,在开挖深度与土压力和埋置深度相近时最大。而在堆载时,土体应力的增长率是减小的,说明在深基坑开挖时,土体应力随着基坑开挖深度的增加,土体应力变化有减小的趋势。当基坑开挖到一定深度时,上层土体应力的变化会不明显。

图7　不同开挖深度下土体应力-埋置深度关系

2.2基坑侧向位移与开挖过程的关系

随着基坑的开挖,基坑会产生向坑内的侧向位移,当变形达到一定程度时,基坑会失稳破坏。因此研究基坑侧向位移随开挖过程的变化规律,对深基坑支护的设计与施工有着重要的现实意义。考虑到地下连续墙位置的对称性,本试验仅布置了2个位移计,用于测量基坑支撑侧与未支撑侧顶部的侧向位移。相对应的侧向位移与开挖过程的关系如图8所示。

由图8可知，基坑侧向位移随着施工过程的进行,呈现增大的变化趋势,曲线大体呈抛物线状,3种情况下曲线形状基本相同。基坑侧向位移变形增量开始很大,而后很小,这是因为随着开挖过程的继续,连续墙的支护作用越来越明显。在邻水状态下，地下连续墙产生的侧向位移比堆载时大,说明本试验中水对基坑开挖效应的影响更加明显。邻水状态下位移在某一开挖深度时会有减小的趋势,这是由于水体的作用导致连续墙整体移动。

图8　不同工况下侧向位移-开挖深度关系

3结论

(1)随着开挖深度的增加,基坑的影响范围越来越大,土体中的应力场也随之改变;开挖深度接近土压力盒埋深时,土体应力的变化幅值最大。

(2)在堆载和邻水状态下,应力变化幅值普遍比不堆载状态时要大,尤其是在邻水状态下,应力变化幅值曲线会有明显的拐点。

(3)邻水状态下基坑的土体应力及侧向位移变化比较剧烈,此时水流会在土体内流动，最后形成一个稳定的渗流场,这对基坑开挖效应的影响十分明显。尤其是在邻水状态下侧移在开挖深度达到一定值时会有减小趋势。

(4)由于模型试验尺寸、开挖方法的原因,模型试验与实际工程存在一定差别,但对研究基坑开挖下土压力分布、变形机制的分析仍具有一定的参考意义。

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(责任编辑闫杏丽)

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

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51179043);合肥市轨道交通质量监督站专项经费资助项目(2014CGFZ0200)和合肥工业大学博士学位人员专项基金资助项目(J2014HGBZ0117)

作者简介：王宝存(1987-),男,山东菏泽人,合肥工业大学硕士生; 朱大勇(1965-),男,安徽枞阳人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.06.015

中图分类号:TV551.42

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)06-0790-05