李 波，王志鵬，龔壁衛(wèi)，黃 鵠，胡 勇

（1.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010；2.中國市政工程西北設計研究院有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518000；3.中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074）

深大坑中坑基坑圍護結(jié)構(gòu)離心模型試驗研究

李 波1，王志鵬2，龔壁衛(wèi)1，黃 鵠2，胡 勇3

（1.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010；2.中國市政工程西北設計研究院有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518000；3.中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074）

圓形地下連續(xù)墻作為一種受力合理的圍護結(jié)構(gòu)，由于空間“拱效應”的存在，作用在拱圈上的土壓力主要在地下連續(xù)墻內(nèi)自身平衡，地下連續(xù)墻的水平位移相對較小。基于某深大圓形基坑工程實際，采用離心模擬技術(shù)研究基坑開挖過程中基坑圍護結(jié)構(gòu)的水平位移和彎矩分布規(guī)律。分析表明，基坑地下連續(xù)墻最大水平位移為11.6 mm，位于上部基坑的中下部，并且隨著開挖深度增大，墻體位移逐漸增大且最大位移點不斷下移。研究成果可為圓形基坑開挖和支護過程中圍護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律分析提供參考。

坑中坑；離心模型試驗；拱效應；變形

1 研究背景

隨著國內(nèi)城市建設規(guī)模的逐漸增大，城市綜合體、軌道交通以及城市地下綜合管廊等大量涌現(xiàn)，涉及到的基坑工程逐步呈現(xiàn)“大、深、緊、近”的特點［1］，因此對基坑開挖圍護結(jié)構(gòu)變形提出了更高的要求，且相關(guān)基坑支護技術(shù)規(guī)范規(guī)定對于深度超過25 m的基坑工程需要進行專題研究和論證。圓形基坑由于作用在其上的土壓力能夠自身平衡，具有明顯的拱效應，將圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)的土壓力轉(zhuǎn)化為環(huán)向壓力［2］，能更好地發(fā)揮混凝土材料的抗壓性能，因此圓形深基坑圍護結(jié)構(gòu)得到廣泛應用。

已有研究主要從現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值和理論分析以及模型試驗等對基坑空間效應進行分析［3-8］。翟杰群等［9］采用考慮圓拱效應的平面彈性地基梁法和三維彈性地基板法，對上海中心深大圓形基坑進行了計算分析，計算得到的變形與內(nèi)力結(jié)果與工程實測均較為一致，表明圓形基坑設計分析必須考慮其空間效應。崔劍峰等［10］針對圓形地下連續(xù)墻基坑開挖受力過程復雜且采用有限元通用程序計算效率低的問題，基于軸對稱柱殼的三維彈性力學基本方程，結(jié)合邊界條件，建立了圓形地下連續(xù)墻的里茲解法。路德春等［11］基于土的應力路徑本構(gòu)模型，對有限元軟件進行了二次開發(fā)，進行了開挖條件下軸對稱小直徑圓形基坑的三維有限元分析，研究了中主應力形成的土壓力拱作用規(guī)律。王旭軍［12］基于上海中心大廈裙房逆作基坑工程，采用二維簡化模型對裙房各邊中心部位基坑變形進行了計算分析，比較計算值和實測值之間的關(guān)系，分析了裙房基坑中間部位的圍護墻體變形特點。元翔等［13］采用離心模型試驗對比研究了不同工況條件下圍護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，既能反應軟土地區(qū)基坑的時空效應，并可驗證理論分析的有效性。離心模型試驗由于能還原原型應力場、位移變形等，所以越來越成為巖土工程重要的試驗手段，但由于受限于模型箱的尺寸和邊界效應影響，一般采用平面應變模型模擬基坑工程，而對于圓形基坑圍護結(jié)構(gòu)如果采用平面應變模型則不能真實模擬“拱效應”。本文基于某深大圓形基坑的工程實際，采用離心模擬技術(shù)，基坑外側(cè)地基采用等效替代材料，既模擬地基側(cè)向土壓力作用同時消除模型箱邊界效應，以期真實反映深大圓形基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。

2 深大坑中坑基坑離心模型設計

2.1 原型條件及其概化某深大圓形泵站深基坑直徑154.0 m，開挖深度58.0 m，采用坑中坑結(jié)構(gòu)，基坑使用雙排樁進行支護，直徑1.2 m，前排樁間距1.5 m，后排樁間距3.0 m，下部圍護結(jié)構(gòu)嵌入弱風化下帶4.0 m?；硬捎脙傻拉h(huán)形內(nèi)支撐。原型基坑典型斷面與地層結(jié)構(gòu)如圖1所示。典型地層基本參數(shù)如表1。

圖1 原型基坑典型斷面與地層結(jié)構(gòu)（單位：m）

表1 典型地層基本參數(shù)

該工程地層條件復雜，施工步驟繁多，操作要求嚴格，離心模型作為縮尺模型，不可能完全模擬現(xiàn)場的地質(zhì)情況以及所有的施工步驟，因此需要對原形條件進行概化。（1）土層概化。模擬壓縮模量與土體強度，選取典型的具有代表性的土層進行試驗。（2）圍護結(jié)構(gòu)概化。原形條件下上部基坑與下部基坑的支護方式都為雙排樁支護，但是在離心模型試驗中模擬如此多數(shù)量的雙排樁是非常不方便的，并且不容易控制，由于基坑圍護結(jié)構(gòu)在開挖過程中主要作為抗彎結(jié)構(gòu)工作，因此在離心模型中按等效抗彎剛度相似將雙排樁等效成地下連續(xù)墻來模擬。（3）支撐概化。支撐在基坑工程中的作用主要是承受壓力荷載，因此對于鋼筋混凝土支撐應該采用抗壓剛度相似的原則選用模型材料尺寸。（4）基坑開挖深度概化，原型中上部基坑深度范圍為29～37 m，下部基坑深度范圍為12.5～19 m，選最不利情況進行研究，確定上部基坑的模擬深度為37 m、下部基坑的模擬深度為19 m。

2.2 試驗方案圖2為深大圓形基坑離心模型側(cè)視圖和俯視圖。本次試驗設定加速度為190g，圓形基坑直徑80 cm（轉(zhuǎn)化為原型為152 m），上部基坑深度為19.5 cm（轉(zhuǎn)化為原型為37 m），下部基坑深度為10 cm（轉(zhuǎn)化為原型為19 m）。模型箱坑內(nèi)原地層概化土，模型箱長100 cm×寬100 cm×高100 cm。采用停機開挖的方式［5］。試驗共模擬5個工況：地基固結(jié)、開挖加第一道支撐、開挖加第二道支撐、放坡開挖、開挖下部基坑。模型制作過程中，基坑內(nèi)外都采用土層模擬。當模型制作完成后，基坑外側(cè)地基采用替代材料代替，本次試驗采用氯化鈣溶液置于柔性橡皮囊中。

圖2 深大圓形基坑離心模型

本次試驗在長江科學院大型土工離心機CKY-200上進行，該離心機最大容量200 g·t，最大離心加速度為200 g，有效半徑3.7 m，模型箱采用100 cm×100 cm×100 cm。

2.3 模型材料本次試驗共涉及地層和圍護結(jié)構(gòu)兩類材料。

（1）基坑內(nèi)部地層模擬。概化為4層，主要考慮壓縮模量和強度相似，分別采用中砂、粉質(zhì)黏土、粗砂和巖石相似材料進行模擬。粉質(zhì)黏土，最優(yōu)含水率24%，最大干密度1.5 g/cm3，液塑56%，塑限22%，壓縮模量4.5 MPa，黏聚力23 kPa，內(nèi)摩擦角30°，模型制樣時采用0.93壓實度。砂土，包括中砂和粗砂，砂土的最大和最小干密度分別為1.56和1.17 g/cm3，中砂直剪強度為內(nèi)聚力5.3 kPa，內(nèi)摩擦角為32°；粗砂直剪強度為內(nèi)聚力3.3 kPa，內(nèi)摩擦角為34°。巖石材料，原型中巖石涉及弱風化花崗巖上帶和下帶，抗壓強度分別為18.5和67.7 MPa，多組試驗對比，通過調(diào)整水泥、石膏、重晶石配比，得到兩種巖石模型材料，模型材料I的容重約為2.62 g/cm3，抗壓強度為17.8 MPa；模型材料II的容重約為2.68 g/cm3，抗壓強度為56.5 MPa。

（2）圍護結(jié)構(gòu)模擬。原型泵站基坑支護結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土雙排樁，彈性模量為35 GPa。離心模型比尺為190，模型采用抗彎剛度相似準則，用地下連續(xù)墻模擬雙排樁支護，地下連續(xù)墻采用鋁合金材料，彈性模量為70 GPa，厚度為2 cm。原型支撐為鋼筋混凝土材料，彈性模量為35 GPa，離心模型比尺為190，根據(jù)抗壓剛度相似準則采用鋁合金環(huán)形支撐來模擬，彈性模量為70 GPa，共兩道內(nèi)支撐。地下連續(xù)墻與支撐如圖3所示。

圖3 泵站基坑地下連續(xù)墻及支撐

2.4 試驗主要步驟試驗采用停機開挖的方式。（1）離心機共運行5次，地基固結(jié)，將裝備好的模型裝上離心機后，逐級提升加速度，分別在30g、60g、90g、120g和150g穩(wěn)定運行10 min，最后在190g穩(wěn)定運行20 min，待地基和地下連續(xù)墻變形穩(wěn)定后停機；（2）離心機運行4次，對基坑內(nèi)部土層的開挖并設置支護，每次運行的加速度最大均為190g。試驗主要步驟如4所示。

圖4 試驗主要步驟

3 試驗結(jié)果及分析

試驗過程中在地下連續(xù)墻側(cè)面粘貼應變片進行測量，可反應不同工況條件下地下連續(xù)墻的水平位移和彎矩，將模型測量值通過離心試驗的比尺換算轉(zhuǎn)化為原型，得到基坑地下連續(xù)墻的水平位移和彎矩，分別如圖5和6所示。

圖5 基坑地下連續(xù)墻水平位移

圖6 基坑地下連續(xù)墻彎矩分布

3.1 地下連續(xù)墻水平位移圖5所示為基坑上部連續(xù)墻水平位移與下部連續(xù)墻水平位移。由于只有開挖歩4才涉及到下部基坑的開挖，所以對于下部地下連續(xù)墻變形有影響的只有開挖歩4。從圖5可以看出：（1）隨開基坑深度的加深，地下連續(xù)墻水平位移最大值變大，最大值點逐漸下移，基坑的最大水平位移值約為11.6 mm。（2）基坑頂部由于具有環(huán)形支護結(jié)構(gòu)，因此在整個開挖過程中，頂部的變形都非常小。（3）地下連續(xù)墻體的水平位移與基坑的半徑、連續(xù)墻厚度等密切相關(guān)。一般來說，基坑半徑越大，地下連續(xù)墻厚度越小，基坑的水平位移越大，這是因為基坑半徑越大，基坑的“拱效應”就越小。（4）下部基坑的開挖對上部基坑的影響很小，并且下部地下連續(xù)墻底部嵌入弱風化巖下帶，水平位移形式為懸臂式變形，頂部最大，底部幾乎為零。

3.2 地下連續(xù)墻彎矩試驗中在地下連續(xù)墻外側(cè)沿深度方向粘貼應變片，通過應變-彎矩公式可以得到基坑開挖過程中地下連續(xù)墻的彎矩變化規(guī)律，如圖6所示。由于只有開挖歩4才涉及到下部基坑的開挖，所以對于下部地下連續(xù)墻彎矩有影響的只有開挖歩4。從圖6可以看出：（1）上部基坑的彎矩趨勢基本與水平位移趨勢相同，最大值位于開挖面附近，最大值約為750 kN·m。（2）下部基坑的開挖幾乎對上部基坑的彎矩沒有影響。（3）下部基坑的變形形式為懸臂式變形，因此靠近墻底處的彎矩最大，約為230 kN·m。

4 結(jié)論

本文基于某深大圓形基坑的工程實際，采用三維模型研究基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)的變形和彎矩?？紤]到模型箱尺寸的限制以及邊界效應影響，本文采用等效替代材料模擬基坑外側(cè)地層，既模擬地基側(cè)向土壓力作用同時又消除模型箱的邊界效應。試驗表明基坑圍護結(jié)構(gòu)的最大水平位移為11.6 mm，并且隨著開挖的進行，墻體位移逐漸增大且最大位移點不斷下移。本次試驗可為圓形基坑三維離心模型的研究提供參考。

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Abstract：At present，the circular wall is used as a reasonable envelope structure.Due to the existence of the space“arch effect”，the earth pressure acting on the arch ring is mainly balanced in the wall and the wall.The retaining structure is mainly subjected to the ring axial force，which can give full play to the characteristics of high compressive strength of concrete，so round the lateral displacement of the wall is rel?atively small.Based on the actual construction of a deep circular foundation pit，the distribution of earth pressure in foundation pit excavation and the horizontal displacement and bending moment distribution of ground and wall are studied by centrifugal simulation.The maximum horizontal displacement of the founda?tion wall is 23.6mm，which is located in the middle and lower part of the upper foundation pit，and with the excavation depth increasing，the wall displacement gradually increases and the maximum displacement point.The active earth pressure of the circular foundation pit is smaller than that of the flattened earth pressure，and it is nonlinear.The effect of the arching effect is obvious.With the excavation depth increas?ing，the depth and radius ratio of the excavation depth The pressure distribution has a significant effect.The research results provide a reference for the study of the distribution model of earth pressure and the analysis of deformation law.

Keywords：pit in pit；centrifugal model test；arch effect；earth pressure；displacement

（責任編輯：王冰偉）

Centrifugal model test study on foundation pit retaining structure in large and deep pit

LI Bo1，WANG Zhipeng2，GONG Biwei1，HUANG Hu2，HU Yong3
（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010， China；2.CSCEC AECOM CONSULTANS CO.， LTD.，Shenzhen 518000，China；3.The Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

TU472

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.04.010

1672-3031（2017）04-0303-05

2017-06-15

國家自然科學基金項目（51308067）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費項目（CKSF2017012/YT）；科技公益性應用研究項目（2016GY19）

李波（1982-），男，山東泰安人，博士，高級工程師，主要從事巖土工程和離心模型試驗技術(shù)研究。E-mail：libo_auliso@126.com