圓形基坑地下連續墻的穩定性分析
摘 要 通過對連續墻不同入土深度時某地鐵風井圓形基坑的設計方案進行離心模型試驗,分析了基坑開挖引起的位移,得出了直徑小于30 m 的圓形基坑入土系數的合理取值范圍,并總結了圓形基坑位移的規律。
關鍵詞 圓形基坑,地下連續墻,入土系數,離心模型試驗
地鐵要求保持空氣流通以保護群眾和保證系統的安全。風井是地鐵的一個重要組成部分。地鐵的風井結構既有矩形基坑,也有圓形基坑。目前,上海地區基坑工程的設計均以長條形基坑為基礎[1 ] ,把基坑當作一個平面應變問題來研究。為了保證基坑底部的穩定,其入土系數通常取為0. 6～ 1. 0[2 ] ,設計方法通常采用經驗法、有限元和模型試驗相結合。對于圓形基坑,其圍護結構的受力比長條形基坑有利,具有明顯的空間效應,但地下連續墻合理入土深度的選取還未見之于規范。根據上海迄今為止的工程實踐表明,圓形基坑的入土系數可以在0. 2～0. 7 之間變化,但尚缺乏成熟的計算方法。本文以某圓形基坑為例,通過離心模型試驗對不同入土系數時圓形基坑開挖的穩定性進行研究。
1 工程概況及試驗方案
某工程基坑為圓形結構,外徑29 m , 基坑的開挖深度為33 m ; 采用地下連續墻作為圍護結構,初步設計深度為53 m , 厚1 m , 內襯厚0. 6 m , 圈梁截面尺寸1 m ×2 m 。坑底下面有一承壓水層,是地層編號分別為⑧3 、⑨1 、⑨2 的粉性土、粉細砂和中粗砂,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,是坑底產生失穩的隱患。基坑剖面圖如圖1 所示,土層物理力學指標列于表1 。
圖1 基坑剖面圖表1 土層物理力學指標
為了選取合理的入土系數,按最不利情況進行考慮(即對承壓水頭不采取降水措施),設計了三組試驗。試驗1 為連續墻深48 m 的開挖過程模擬; 試驗2 為連續墻深為53 m 的開挖過程模擬;試驗3 為連續墻深57 m 的開挖過程模擬。
在土工離心模型試驗中,采用離心力來加大模型的應力量值,使之達到原型的水平,并采用與原型材料具有相同物理參數的材料制造模型。因此, 離心模型試驗中的應力應變關系及其它特性與原型完全等效,可以重現原型的特性。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行試驗,則只須在離心機上將離心機加速度加到Ng ,就能使模型與原型的重力完全相等, 保持力學特性的相似。
2 試驗模型
根據試驗設計的目的和基坑的實際尺寸,并結合L —30 土工離心機的工作條件,試驗擬模擬1/ 2 基坑平面,試驗的模型率為N = 180 。模型布置平面圖如圖2 所示。
本次試驗采用等效能比進行方案設計(即土體采用原型材料) 。將原狀土體配制成土膏,經重塑后,在模型箱內分層固結,恢復土層的應力歷史。將重塑后的土體(含水量80 % 左右) 在離心機內分層由下至上進行固結,停機后分土層做微型十字板剪切試驗,初步判斷土體的強度,同時測量土樣的含水量。
為精確地模擬承壓水水頭,采用水位控制系統在離心試驗中及時對水位進行監測,并及時補充水。水位控制系統如圖3 所示。
圖2 模型布置平面圖
考慮到模型制作中圍護結構難以采用原型材料,根據相似理論,采用等效剛度法來設計圍護結構,選用便于加工、物理特性近似的鋁合金。
3 試驗過程及結果分析
按試驗方案共做了三組試驗,每組試驗開挖步驟相同,均分五步開挖。每次開挖模擬先將基坑開挖至模擬深度,接著加圈梁或內襯,然后將模型箱放入離心機吊斗,加速至180 g ,使模型處于與原型重力場相等的離心力場中,從而模擬了實際的開挖支護過程。試驗過程中用數碼相機對模型進行同步拍攝,試驗結束后對數碼相片進行分析,確定基坑坑底、地表及連續墻的位移。限于篇幅,每組試驗只選取了最后一步開挖(開挖深度33 m) 的基坑位移曲線。基坑位移曲線如圖4～ 圖6 所示,試驗結果對比列于表2 。
圖3 水位控制系統
圖4 試驗1 , 開挖深度33 m 時基坑位移
圖5 試驗2 , 開挖深度33 m 時基坑位移圍護結構在基坑開挖過程中主要承受坑外土體的壓力,連續墻、內襯和圈梁可視為受彎構件。
圖6 試驗3 , 開挖深度33 m 時基坑位移
表2 試驗結果對比
從試驗數據看,隨著入土深度的變大,基坑位移變小。對于一般基坑,允許隆起量[δ]可取為H (開挖深度) 的1 %[ 3 ] 。連續墻深57 m 和53 m 時, 基坑隆起均小于允許值,基坑是穩定的;連續墻深48 m 時,基坑隆起值只比允許值大3. 6 % , 可當作穩定情況。由此可見,入土系數為0. 45～0. 73 時, 基坑是穩定的。
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。坑外地表沉降曲線為凹型,沉降最大值發生在遠離連續墻5～8 m 的地方;地表沉降影響范圍約20 m 左右,為開挖深度的0. 5 ～ 0. 7 倍。而對于長條形基坑, 按經驗估計[ 2 ] ,地表沉降影響范圍為開挖深度的1. 5～2. 0 倍。連續墻的位移較小,最大位移發生在接近地表處,這是因為圓形墻體具有較強的結構空間性,宜于承受開挖引起的側壓力荷載。
4 結論
(1) 與條形基坑不同,圓型基坑的空間效應作用明顯。在一般情況下,直徑小于30 m 的圓形基坑,連續墻入土系數可取0. 45 左右。對圓形基坑進行穩定分析時,因圓形墻體具有較強的空間結構性,位移量較小,應重點考慮坑底穩定性。
(2) 對于圓形基坑,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,在此表示感謝。
參 考 文 獻
1 DBJ08 -61 -97 , 上海市標準基坑工程設計規程
2 基坑工程手冊(第二版). 北京:中國建筑工業出版社,1997. 303
3 侯學淵,夏明耀等. 軟土深基坑工程的穩定與隆起研究. 深基坑施工技術交流會論文集. 上海市土木工程學會,1991. 12
4 潘若東,朱永紅,劉輝等. 地鐵車站基坑圍護體與內部結構共同作用分析. 城市軌道交通研究,2001 , (2) :33
