軟土地區(qū)超深基坑變形特性離心模型試驗研究

軟土地區(qū)超深基坑變形特性離心模型試驗研究
                    馬險峰1，2，張海華2，朱衛(wèi)杰3，鄭宜楓3，徐前衛(wèi)4
    （1.同濟大學(xué)巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海200092；2.同濟大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092；3.上海隧道工程股份有限公司，上海200020；4.上海理工大學(xué)土木工程系，上海200093）
    摘要：以上海某挖深38 m的超深基坑工程為背景，利用離心模型試驗研究了兩組類似工況下超深基坑的圍護結(jié)構(gòu)變形、土壓力變化、地表沉降等性狀，同時也探索了主要工程性狀的內(nèi)在聯(lián)系，并與現(xiàn)場施工實測數(shù)據(jù)結(jié)果進行了比較驗證。試驗結(jié)果表明：兩組類似工況下超深基坑的開挖性狀近似，其中，圍護結(jié)構(gòu)變形隨開挖的進行而加大，在開挖后期水平位移最大值不再增大，只是最大值點下移，最大值點基本位于開挖面附近；圍護結(jié)構(gòu)后側(cè)的土壓力的變化值較好地吻合圍護結(jié)構(gòu)自身的變形狀態(tài)；地表位移呈沉槽狀，槽底隨開挖的進行而逐漸加深并外移，試驗結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合。
    關(guān)鍵詞：超深基坑；離心模型；地墻變形；土壓力；地表沉降；現(xiàn)場監(jiān)測
    中圖分類號：TU471.8文獻標識碼：A文章編號：1000–4548(2009)09–1371–07
    作者簡介：馬險峰(1972–)，男，博士，副教授，主要從事巖土及地下工程數(shù)值計算、巖土離心機試驗及地下結(jié)構(gòu)抗震方面的研究。
    E-mail:xf.ma@#edu.cn。
    0·引言
    上海地處典型的軟土區(qū)，其土體高孔隙比、大含水率、低強度、高壓縮性及低滲透性等特點[1]使得基坑工程存在很大的風(fēng)險。近年來，上海地下空間開發(fā)速度加快，地鐵建設(shè)已進入關(guān)鍵發(fā)展時期，已建和在建的地鐵線路達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地下30～40 m，如11號線徐家匯站開挖深度為27 m，9號線宜山路站開挖深度29 m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)計理念正從強度控制設(shè)計轉(zhuǎn)變到變形控制設(shè)計[2]，只有正確認識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)計與施工。國內(nèi)外已有不少學(xué)者利用離心模擬手段對基坑工程進行了相關(guān)研究，如Bolton等[3]利用劍橋大學(xué)離心機研究了開挖深度為10 m的基坑失穩(wěn)前地下連續(xù)墻的變形，并基于土–結(jié)構(gòu)共同作用機理，提出用動員土體強度（mobilizable soil strength）作為控制擋墻變形的重要參數(shù)。張師德等[4]針對地鐵一號線徐家匯車站挖深17 m基坑的穩(wěn)定性進行了離心模型試驗研究。劉金元[5]采用上?，F(xiàn)場原狀淤泥質(zhì)黏土進行離心試驗，研究了深15 m基坑開挖破壞模式等。上述研究主要集中在開挖深度小于20 m的基坑，即一般意義上的深基坑。而目前國內(nèi)外有關(guān)30 m深以上的超深基坑的離心模型試驗的文獻，能夠見到的又很少，先前基坑研究成果能否直接應(yīng)用于工程實踐難以把握。本文以上海軌道交通4號線修復(fù)工程超深基坑為研究對象，利用離心模型試驗，對超深基坑開挖過程中地下連續(xù)墻的水平位移量、周圍地層擾動變形量，開挖時基坑土壓力的變化情況等進行研究，加深對超深基坑的變形特性的認識，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·工程背景
    上海軌道交通4號線修復(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個明挖基坑，分別長174，27和64 m。兩端臨界點采用凍結(jié)法暗挖，長10 m左右，剩余的兩側(cè)完好隧道進行常壓清理，浦東側(cè)約1000 m，浦西側(cè)約700 m?；訕藴识蔚拈_挖深度為38 m，東側(cè)基坑的東端頭落深3 m，開挖深度達到41 m。整個基坑自上而下設(shè)9道支撐（局部落深處設(shè)10道）鋼筋混凝土支撐。基坑的圍護結(jié)構(gòu)為厚度1.2 m，深度65 m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8 m）地層層位基本上未有明顯差異，僅第②0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動和塌陷較大，各層土的下陷量在4.5～7 m左右，土體發(fā)生大范圍的錯動。地基分層和土的物理力學(xué)性質(zhì)見表1所示。

     2·試驗設(shè)計
    2.1試驗設(shè)備
    試驗在同濟大學(xué)巖土工程實驗室TLJ-150型土工離心機上完成。該離心機最大容量為150 g·t，最大加速度為200g；有效旋轉(zhuǎn)半徑為3.0 m。離心試驗用大模型箱的有效尺寸為0.9 m×0.7 m×0.7 m（長×寬×高）。
    2.2試驗原理
    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)。土工離心模擬試驗技術(shù)是利用離心力場和重力場等效，將模型尺寸縮小到原型尺寸的1/n，同時作用在模型上的體積力增大n倍，這時模型中各點的應(yīng)力、應(yīng)變與原型中對應(yīng)點的應(yīng)力、應(yīng)變相等，原型和模型對應(yīng)點的位移成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則[6]。
    2.3試驗工況
    離心試驗進行了兩組工況，工況一是單純模擬東基坑標準段超深基坑開挖過程，該工況的圍護結(jié)構(gòu)是內(nèi)撐式深65 m的地下連續(xù)墻，基坑寬23 m，深38 m，可簡化為平面應(yīng)變問題，又由于是對稱體系，取半結(jié)構(gòu)進行研究。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個開挖步。工況二采用與工況一相同的試驗斷面，相同的地層構(gòu)成，但在地層制備過程中，其固結(jié)時間要長一個小時。另外，在擋墻外側(cè)局部位置放置高層建筑模型，工況二的目的除對工況一的試驗結(jié)果進行驗證外，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)實條件和工程進度要求，按照實際施工順序，采用常見的停機–開挖–開機方式模擬基坑開挖過程。
     2.4模型率的選取
    依據(jù)現(xiàn)場基坑的實際尺寸，模量相似關(guān)系，以及模型箱的凈空尺寸，并結(jié)合同濟大學(xué)TJ-150土工離心機的工作條件，試驗選擇模型率為120，即試驗過程中離心機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時加速度為120g。
    2.5模型制備
    為了確保兩個工況下地基模型具有可重復(fù)性并有近似的應(yīng)力分布，試驗中采用在離心場中分層固結(jié)法固結(jié)土層形成重塑土，土層制備力求標準化、量化，包括土層厚度，固結(jié)時間等要保持基本相同，并控制土的重度、含水率和土體強度指標，使試驗土層與現(xiàn)場土層的性質(zhì)近似。
    因小模型制作條件所限，在模擬超深基坑圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻時，根據(jù)材料的抗彎剛度用鋁板替代，鋁板厚度7.5 mm；模擬鋼筋混凝土支撐時，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1.5 mm，平均外徑為20 mm。
    模型替代材料板的厚度
    δ計算公式[7]
            
    其中E為彈性模量；δ為材料厚度；ν為泊松比；m1ν=pν，m1E=pE，1/m pδ=δn；m2為模型替代材料。
    確定模型試驗中模擬支撐的空心鋁管直徑和壁厚
    計算公式如下式所示：
          
    式中sE，A為現(xiàn)場鋼筋混凝土支撐的彈模和截面積；AlE，AlD，Alδ為模型試驗中鋁管的彈性模量、直徑和壁厚。
    2.6數(shù)據(jù)采集
    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)試驗結(jié)果測得的地墻應(yīng)變片讀數(shù)，換算出每步開挖墻體的曲率分布，進而計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點是固定點，在一定小角度各段圓弧內(nèi)每個點曲率相等，見圖3。
           
    （1）直角坐標系與極坐標系方向一致時
           
    （2）極坐標系相對與直角坐標系旋轉(zhuǎn)角度i時轉(zhuǎn)動角為i時有
           
    土壓力傳感器固定在基坑外側(cè)的地墻模型上，用于測定試驗過程中主動土壓力的變化情況，沿深度方向布置了6只傳感器，土壓力傳感器的詳細布置如圖2所示。
    在土層表面距離地墻外側(cè)0.5，5，10和20 cm處依次布置了4只差動式位移傳感器（LVDT），用來測量地表面沉降，如圖2所示。
    3·試驗結(jié)果及分析
    為了能夠直觀表達模型試驗反映原型的狀況，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)都是在離心機旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定狀態(tài)下采集所得。
    3.1試驗中土體強度分析
    為了能正確分析試驗數(shù)據(jù)并對原型結(jié)構(gòu)做出較好的預(yù)測和判斷，以便對試驗誤差做出估計，同時考慮到減小試驗之外對土的擾動，在試驗結(jié)束后即取土樣對其強度進行了測試，從而能對試驗土層有定性的認識。取土樣位置在模型箱中距離地墻約25 cm，試驗結(jié)束后不同土層的含水率和直剪試驗結(jié)果見表2。
    從表2可看出，工況二中⑤號土和⑦號土的含水率均比工況一相應(yīng)土層的含水率略小，同時工況二土層直剪強度比工況一中對應(yīng)土層的直剪強度大。這主要由于工況二的模型制備固結(jié)時間比工況一多一個小時，固結(jié)度較高所致。與原位勘探值相比，兩個試驗工況⑤號土層直剪強度均比現(xiàn)場值稍微偏大，⑦號土的內(nèi)摩擦角較現(xiàn)場值偏小?？紤]到土體卸載回彈，取樣過程對土擾動和試驗誤差等，基本認為試驗所得的土層強度指標與現(xiàn)場主要土層原位勘探值接近。
           
    3.2地下連續(xù)墻的水平位移
    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是以第一次開挖前的穩(wěn)定階段的測試值作為初值（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逐漸下移，第一至第五次開挖時最大水平位移值點位于對應(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行而減小，有穩(wěn)定收斂的趨勢。③工況一中加第七道支撐并開挖時地墻水平位移到達最大值8.3 cm，為最大基坑深度的0.218%；工況二中同樣也在第七次開挖時地墻水平位移出現(xiàn)最大值5 cm，為最大基坑開挖深度的0.132%。第八、九次開挖時最大值未有增大，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，只是最大值點往下移。工況一、二地墻的水平位移最大值的大小與相應(yīng)試驗土層的強度大小存在著一定的聯(lián)系。④試驗過程中，地下連續(xù)墻的頂端出現(xiàn)了向基坑外移動的現(xiàn)象，這主要是與試驗采用的支撐連接形式有關(guān)。因為試驗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，支撐就會與其松脫，不能成為一個整體。與實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，離心模型試驗中未對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地下連續(xù)墻的彎矩
    圖5給出兩種工況下地墻彎矩隨深度變化的情況，在地墻的彎矩測試斷面，向基坑內(nèi)的撓曲定義為正，相反為負。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25 m處地墻的最大正彎矩達到約3700（kN·m/m），出現(xiàn)時間為第七次開挖，與地墻側(cè)移最大值發(fā)生時間一致；最大負彎矩出現(xiàn)在埋深47 m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25.4 m處，最大負彎矩值在深度47.3 m處，最大負值約為-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土壓力變化
    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其擠壓，從而使壓力值增大，深處的土壓力則因地墻向遠離土體的方向運動而減小。土壓力變化值反映：在試驗過程中地墻頂端向基坑外偏移，同時地墻的中下部向基坑內(nèi)移動。
            
    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)。
    試驗中考慮的土壓力變化的影響因素很少，實際基坑工程中，影響土壓力的除土層的不均勻性、流變性、支護結(jié)構(gòu)特性、開挖暴露時間、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程、土體沉降、施工機械布置等各種因素的影響而發(fā)生動態(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地表沉降
    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，第七次開挖時遠離基坑地表出現(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13 m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離基坑的方向移動，最大沉降量為13.2 cm，位置在距離基坑約12 m處，占基坑最大開挖深度的31.6%。
    由于試驗土層是通過分層固結(jié)而成，上述結(jié)果受固結(jié)影響，同時試驗中并沒有對地表進行任何加固，實際沉降應(yīng)小于此值。因試驗所研究的區(qū)域限制，距離基坑較遠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，沉降速率等特點還是能夠為工程實際提供參考。
    4·試驗結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測值對比分析
    本次離心模型試驗與實際工程緊密結(jié)合，因此可以充分利用現(xiàn)場部分實測數(shù)據(jù)與試驗值進行對比分析，驗證試驗的可靠性和真實性。
    現(xiàn)場測得的地墻水平位移見圖8，可見，實際地墻隨著基坑的開挖水平位移規(guī)律與離心模型試驗基本一致，最大側(cè)移值49 mm。地墻水平位移實測值比試驗值小，與現(xiàn)場對基坑采取了一系列加固措施，如坑底加固等有關(guān)。
           
    現(xiàn)場地表沉降測量值見圖9。由于修復(fù)工程現(xiàn)場地表在搶險時擾動較大，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值將試驗結(jié)果與量測結(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10 m附近地表沉降達到最大值，現(xiàn)場最大沉降量8 mm。
           
    超深基坑工程是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，影響因素非常多，對工程結(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?zāi)軌蜉^真實地再現(xiàn)現(xiàn)場工程狀況，并能反映符合實際的工程規(guī)律，同時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·結(jié)論
    本文通過離心模型試驗研究了軟土地區(qū)超深基坑開挖過程的工程性狀，通過對試驗過程、試驗方法以及試驗結(jié)果的分析，有以下一些結(jié)論。
    （1）超深基坑地墻變形隨開挖深度的加深而增大，而且地墻水平位移最大值點隨基坑開挖面的下移而下移，在加第七道支撐并開挖時地墻水平位移達到最大值，第八、九次開挖最大值未有增大，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，只是最大值點位置往下移。墻體最大水平位移基本都發(fā)生在當前工況的開挖面附近。這一現(xiàn)象表明，超深基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律與一般深基坑[8]有較大的區(qū)別，其深度效應(yīng)表現(xiàn)明顯，開挖到某一深度后，地墻位移和彎矩并不像一般深基坑那樣繼續(xù)增大，而是處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。
    （2）土壓力的變化較好的吻合了地墻的變形情況，墻體對土的擠壓或偏離都對土壓有所影響。土壓力是荷載作用與結(jié)構(gòu)變形、土體與墻體變形協(xié)調(diào)的結(jié)果。
    （3）超深基坑開挖卸荷使得坑底和周圍土體中的初始應(yīng)力場發(fā)生變化，不僅引起圍護結(jié)構(gòu)的水平位移，并由此引起圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)土體的位移。試驗表明周圍地表沉降曲線與擋墻的水平位移曲線十分相似，均為凹槽形，槽底隨開挖進行有向外移的趨勢。
    對超深基坑的設(shè)計施工目前尚無經(jīng)驗可循。本離心模型試驗得出的地墻變形，彎矩，土壓力變化和地表位移等特點及其內(nèi)在聯(lián)系，對工程實踐有一定的指導(dǎo)意義。
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