圓形基坑地下連續(xù)墻的穩(wěn)定性分析

摘　要　通過(guò)對(duì)連續(xù)墻不同入土深度時(shí)某地鐵風(fēng)井圓形基坑的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行離心模型試驗(yàn),分析了基坑開(kāi)挖引起的位移,得出了直徑小于30 m 的圓形基坑入土系數(shù)的合理取值范圍,并總結(jié)了圓形基坑位移的規(guī)律。
關(guān)鍵詞　圓形基坑,地下連續(xù)墻,入土系數(shù),離心模型試驗(yàn)
地鐵要求保持空氣流通以保護(hù)群眾和保證系統(tǒng)的安全。風(fēng)井是地鐵的一個(gè)重要組成部分。地鐵的風(fēng)井結(jié)構(gòu)既有矩形基坑,也有圓形基坑。目前,上海地區(qū)基坑工程的設(shè)計(jì)均以長(zhǎng)條形基坑為基礎(chǔ)[1 ] ,把基坑當(dāng)作一個(gè)平面應(yīng)變問(wèn)題來(lái)研究。為了保證基坑底部的穩(wěn)定,其入土系數(shù)通常取為0. 6～ 1. 0[2 ] ,設(shè)計(jì)方法通常采用經(jīng)驗(yàn)法、有限元和模型試驗(yàn)相結(jié)合。對(duì)于圓形基坑,其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力比長(zhǎng)條形基坑有利,具有明顯的空間效應(yīng),但地下連續(xù)墻合理入土深度的選取還未見(jiàn)之于規(guī)范。根據(jù)上海迄今為止的工程實(shí)踐表明,圓形基坑的入土系數(shù)可以在0. 2～0. 7 之間變化,但尚缺乏成熟的計(jì)算方法。本文以某圓形基坑為例,通過(guò)離心模型試驗(yàn)對(duì)不同入土系數(shù)時(shí)圓形基坑開(kāi)挖的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。
1 　工程概況及試驗(yàn)方案
某工程基坑為圓形結(jié)構(gòu),外徑29 m , 基坑的開(kāi)挖深度為33 m ; 采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),初步設(shè)計(jì)深度為53 m , 厚1 m , 內(nèi)襯厚0. 6 m , 圈梁截面尺寸1 m ×2 m ?？拥紫旅嬗幸怀袎核畬?是地層編號(hào)分別為⑧3 、⑨1 、⑨2 的粉性土、粉細(xì)砂和中粗砂,埋深56. 0 m 以下,其水頭高出含水層頂板( ⑧2 層底面)46. 8 m 左右,水頭較高,是坑底產(chǎn)生失穩(wěn)的隱患?；悠拭鎴D如圖1 所示,土層物理力學(xué)指標(biāo)列于表1 。

圖1 　基坑剖面圖表1 　土層物理力學(xué)指標(biāo)

　　為了選取合理的入土系數(shù),按最不利情況進(jìn)行考慮(即對(duì)承壓水頭不采取降水措施),設(shè)計(jì)了三組試驗(yàn)。試驗(yàn)1 為連續(xù)墻深48 m 的開(kāi)挖過(guò)程模擬; 試驗(yàn)2 為連續(xù)墻深為53 m 的開(kāi)挖過(guò)程模擬;試驗(yàn)3 為連續(xù)墻深57 m 的開(kāi)挖過(guò)程模擬。
在土工離心模型試驗(yàn)中,采用離心力來(lái)加大模型的應(yīng)力量值,使之達(dá)到原型的水平,并采用與原型材料具有相同物理參數(shù)的材料制造模型。因此, 離心模型試驗(yàn)中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及其它特性與原型完全等效,可以重現(xiàn)原型的特性。如果模型的幾何尺寸為原型幾何尺寸的1/ N 倍,采用與原型相同的材料進(jìn)行試驗(yàn),則只須在離心機(jī)上將離心機(jī)加速度加到Ng ,就能使模型與原型的重力完全相等, 保持力學(xué)特性的相似。
2 　試驗(yàn)?zāi)Ｐ?BR> 根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的和基坑的實(shí)際尺寸,并結(jié)合L —30 土工離心機(jī)的工作條件,試驗(yàn)擬模擬1/ 2 基坑平面,試驗(yàn)的模型率為N = 180 。模型布置平面圖如圖2 所示。
本次試驗(yàn)采用等效能比進(jìn)行方案設(shè)計(jì)(即土體采用原型材料) 。將原狀土體配制成土膏,經(jīng)重塑后,在模型箱內(nèi)分層固結(jié),恢復(fù)土層的應(yīng)力歷史。將重塑后的土體(含水量80 % 左右) 在離心機(jī)內(nèi)分層由下至上進(jìn)行固結(jié),停機(jī)后分土層做微型十字板剪切試驗(yàn),初步判斷土體的強(qiáng)度,同時(shí)測(cè)量土樣的含水量。
為精確地模擬承壓水水頭,采用水位控制系統(tǒng)在離心試驗(yàn)中及時(shí)對(duì)水位進(jìn)行監(jiān)測(cè),并及時(shí)補(bǔ)充水。水位控制系統(tǒng)如圖3 所示。

圖2 　模型布置平面圖

考慮到模型制作中圍護(hù)結(jié)構(gòu)難以采用原型材料,根據(jù)相似理論,采用等效剛度法來(lái)設(shè)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu),選用便于加工、物理特性近似的鋁合金。
3 　試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析
按試驗(yàn)方案共做了三組試驗(yàn),每組試驗(yàn)開(kāi)挖步驟相同,均分五步開(kāi)挖。每次開(kāi)挖模擬先將基坑開(kāi)挖至模擬深度,接著加圈梁或內(nèi)襯,然后將模型箱放入離心機(jī)吊斗,加速至180 g ,使模型處于與原型重力場(chǎng)相等的離心力場(chǎng)中,從而模擬了實(shí)際的開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程。試驗(yàn)過(guò)程中用數(shù)碼相機(jī)對(duì)模型進(jìn)行同步拍攝,試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)數(shù)碼相片進(jìn)行分析,確定基坑坑底、地表及連續(xù)墻的位移。限于篇幅,每組試驗(yàn)只選取了最后一步開(kāi)挖(開(kāi)挖深度33 m) 的基坑位移曲線?；游灰魄€如圖4～ 圖6 所示,試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比列于表2 。

圖3 　水位控制系統(tǒng)

圖4 　試驗(yàn)1 , 開(kāi)挖深度33 m 時(shí)基坑位移

圖5 　試驗(yàn)2 , 開(kāi)挖深度33 m 時(shí)基坑位移圍護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開(kāi)挖過(guò)程中主要承受坑外土體的壓力,連續(xù)墻、內(nèi)襯和圈梁可視為受彎構(gòu)件。

圖6 　試驗(yàn)3 , 開(kāi)挖深度33 m 時(shí)基坑位移
表2 　試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

　　從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看,隨著入土深度的變大,基坑位移變小。對(duì)于一般基坑,允許隆起量[δ]可取為H (開(kāi)挖深度) 的1 %[ 3 ] 。連續(xù)墻深57 m 和53 m 時(shí), 基坑隆起均小于允許值,基坑是穩(wěn)定的;連續(xù)墻深48 m 時(shí),基坑隆起值只比允許值大3. 6 % , 可當(dāng)作穩(wěn)定情況。由此可見(jiàn),入土系數(shù)為0. 45～0. 73 時(shí), 基坑是穩(wěn)定的。
坑底隆起的最大值位于坑底中間,最小值為坑邊,坑底隆起曲線呈拋物線型?？油獾乇沓两登€為凹型,沉降最大值發(fā)生在遠(yuǎn)離連續(xù)墻5～8 m 的地方;地表沉降影響范圍約20 m 左右,為開(kāi)挖深度的0. 5 ～ 0. 7 倍。而對(duì)于長(zhǎng)條形基坑, 按經(jīng)驗(yàn)估計(jì)[ 2 ] ,地表沉降影響范圍為開(kāi)挖深度的1. 5～2. 0 倍。連續(xù)墻的位移較小,最大位移發(fā)生在接近地表處,這是因?yàn)閳A形墻體具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)空間性,宜于承受開(kāi)挖引起的側(cè)壓力荷載。
4 　結(jié)論
(1) 與條形基坑不同,圓型基坑的空間效應(yīng)作用明顯。在一般情況下,直徑小于30 m 的圓形基坑,連續(xù)墻入土系數(shù)可取0. 45 左右。對(duì)圓形基坑進(jìn)行穩(wěn)定分析時(shí),因圓形墻體具有較強(qiáng)的空間結(jié)構(gòu)性,位移量較小,應(yīng)重點(diǎn)考慮坑底穩(wěn)定性。
(2) 對(duì)于圓形基坑,坑底隆起量、坑外地表沉降量和墻體位移值三者之間存在著一定的關(guān)系,坑底的隆起量約為坑外地表沉降量的3 倍;坑外地表沉降量約為墻體位移值的2 倍。

本研究工作得到了張師德老師的大力指導(dǎo),在此表示感謝。

參　考　文　獻(xiàn)
1 　DBJ08 -61 -97 , 上海市標(biāo)準(zhǔn)基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)程
2 　基坑工程手冊(cè)(第二版). 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997. 303
3 　侯學(xué)淵,夏明耀等. 軟土深基坑工程的穩(wěn)定與隆起研究. 深基坑施工技術(shù)交流會(huì)論文集. 上海市土木工程學(xué)會(huì),1991. 12
4 　潘若東,朱永紅,劉輝等. 地鐵車(chē)站基坑圍護(hù)體與內(nèi)部結(jié)構(gòu)共同作用分析. 城市軌道交通研究,2001 , (2) :33