圓形基坑地下連續(xù)墻的穩(wěn)定性分析

摘　要　通過對連續(xù)墻不同入土深度時某地鐵風(fēng)井圓形基坑的設(shè)計方案進(jìn)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(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
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)計均以長條形基坑為基礎(chǔ)[1 ] ,把基坑當(dāng)作一個平面應(yīng)變問題來研究。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)計方法通常采用經(jīng)驗法、有限元和模型試驗相結(jié)合。對于圓形基坑,其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力比長條形基坑有利,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之于規(guī)范。根據(jù)上海迄今為止的工程實踐表明,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(shù)時圓形基坑開挖的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。
1 　工程概況及試驗方案
某工程基坑為圓形結(jié)構(gòu),外徑29 m , 基坑的開挖深度為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 。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(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(即對承壓水頭不采取降水措施),設(shè)計了三組試驗。試驗1 為連續(xù)墻深48 m 的開挖過程模擬; 試驗2 為連續(xù)墻深為53 m 的開挖過程模擬;試驗3 為連續(xù)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(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,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?zāi)Ｐ?BR> 根據(jù)試驗設(shè)計的目的和基坑的實際尺寸,并結(jié)合L —30 土工離心機(jī)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(jìn)行方案設(shè)計(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,初步判斷土體的強(qiáng)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(tǒng)在離心試驗中及時對水位進(jìn)行監(jiān)測,并及時補(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,采用等效剛度法來設(shè)計圍護(hù)結(jié)構(gòu),選用便于加工、物理特性近似的鋁合金。
3 　試驗過程及結(jié)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(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相等的離心力場中,從而模擬了實際的開挖支護(hù)過程。試驗過程中用數(shù)碼相機(jī)對模型進(jìn)行同步拍攝,試驗結(jié)束后對數(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,每組試驗只選取了最后一步開挖(開挖深度33 m) 的基坑位移曲線?；游灰魄€如圖4～ 圖6 所示,試驗結(jié)果對比列于表2 。

圖3 　水位控制系統(tǒng)

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(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開挖過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3 , 開挖深度33 m 時基坑位移
表2 　試驗結(jié)果對比

　　從試驗數(shù)據(jù)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(xù)墻深57 m 和53 m 時, 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,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,入土系數(shù)為0. 45～0. 73 時, 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。坑外地表沉降曲線為凹型,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,為開挖深度的0. 5 ～ 0. 7 倍。而對于長條形基坑, 按經(jīng)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(xù)墻的位移較小,最大位移發(fā)生在接近地表處,這是因為圓形墻體具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)空間性,宜于承受開挖引起的側(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。對圓形基坑進(jìn)行穩(wěn)定分析時,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)重點考慮坑底穩(wěn)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(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)計規(guī)程
2 　基坑工程手冊(第二版). 北京:中國建筑工業(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)交流會論文集. 上海市土木工程學(xué)會,1991. 12
4 　潘若東,朱永紅,劉輝等. 地鐵車站基坑圍護(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