曹衛(wèi)平, 席茂陽(yáng), 趙 呈, 趙 敏

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 陜西 西安 710055; 2.陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710055; 3.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 陜西 西安 710021)

1 研究背景

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,地下空間開(kāi)發(fā)規(guī)模和基坑開(kāi)挖深度不斷增加,深基坑支護(hù)問(wèn)題日益凸顯?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)屬于臨時(shí)性結(jié)構(gòu),其安全儲(chǔ)備較小,基坑開(kāi)挖具有較大風(fēng)險(xiǎn)。已有工程事故案例表明,支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞、土體失穩(wěn)及內(nèi)支撐失效會(huì)引起基坑出現(xiàn)大范圍的垮塌,造成十分嚴(yán)重的后果。例如,在杭州地鐵一號(hào)線蕭山湘湖站北2基坑坍塌事故中,出現(xiàn)了土方超挖、支撐體系存在薄弱環(huán)節(jié)等情況,該情況導(dǎo)致基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻外側(cè)受壓向坑內(nèi)產(chǎn)生過(guò)大側(cè)向位移,而鋼支撐與地連墻預(yù)埋件未進(jìn)行焊接,造成部分支撐軸力過(guò)大及嚴(yán)重偏心,最終致使支撐體系失穩(wěn),基坑發(fā)生坍塌[1];新加坡Nicoll大道地鐵基坑由于第九道支撐與圍檁連接處發(fā)生屈曲致使第九道支撐失效從而引發(fā)鄰近支撐連續(xù)失效,導(dǎo)致基坑發(fā)生破壞[2];西寧地區(qū)某基坑由于未進(jìn)行第二道錨桿施工及存在超挖等情況,在進(jìn)行基礎(chǔ)樁鉆孔施工時(shí),局部樁間土體發(fā)生滑塌,樁后土體迅速滑落到坑內(nèi),導(dǎo)致基坑局部滑塌[3]。上述事故表明,支撐失效、土體滲漏等局部破壞是導(dǎo)致基坑失穩(wěn)的重要原因,對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)局部破壞及局部滲漏引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)漸進(jìn)連續(xù)破壞及基坑垮塌性狀的研究尤為重要。

鄭剛等[4]通過(guò)帶水平支撐的排樁支護(hù)基坑模型試驗(yàn),研究了基坑開(kāi)挖及局部支護(hù)樁破壞時(shí)支撐軸力的變化及支撐局部破壞進(jìn)而引發(fā)支撐連續(xù)破壞的規(guī)律,結(jié)果表明,局部支護(hù)樁破壞會(huì)使附近支撐的軸力明顯降低及支撐失效荷載傳遞存在就近現(xiàn)象。董利虎等[5]以河南某基坑工程為例,分析了基坑開(kāi)挖階段支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及坑外地表沉降規(guī)律,并針對(duì)開(kāi)挖期間存在的工程問(wèn)題提出了應(yīng)對(duì)措施。程雪松等[6-8]開(kāi)展了懸臂式排樁支護(hù)基坑的數(shù)值模擬及模型試驗(yàn),研究了支護(hù)樁局部破壞進(jìn)而引發(fā)連續(xù)破壞的機(jī)理,提出了荷載傳遞系數(shù)的概念,為復(fù)雜環(huán)境下基坑連續(xù)破壞機(jī)理的研究奠定了基礎(chǔ)。王衛(wèi)東等[9]通過(guò)對(duì)上海地區(qū)深基坑工程的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),發(fā)現(xiàn)基坑開(kāi)挖深度越深,則圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移、支撐軸力、坑外最大地表沉降越大,且沉降值基本介于開(kāi)挖深度的0.1%～0.8%之間。Clough等[10]通過(guò)對(duì)實(shí)際工程案例的統(tǒng)計(jì),得出砂土、硬黏土及殘積土地層基坑坑外地表最大沉降基本介于0～0.5%H。目前已有的研究成果雖然初步揭示了深基坑開(kāi)挖引起的土體變形[11]、坑外地面沉降[12]、圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形特性[13]及破壞的機(jī)理,并且還有許多關(guān)于基坑支護(hù)的空間效應(yīng)[14]和環(huán)境效應(yīng)[15]的研究成果,但關(guān)于支撐局部失效及土體滲漏對(duì)基坑內(nèi)撐式排樁體系影響的研究較少。

基坑工程具有較強(qiáng)的復(fù)雜性和不確定性,尤其涉及到土體變形、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及位移等方面的問(wèn)題更為復(fù)雜[16]。為探究支護(hù)結(jié)構(gòu)局部破壞及局部滲漏對(duì)基坑的影響,減少基坑事故的發(fā)生,本文開(kāi)展了深基坑開(kāi)挖室內(nèi)模型試驗(yàn),研究了內(nèi)支撐失效和土體滲漏等局部破壞發(fā)生后的空間影響范圍及其隨時(shí)間的發(fā)展?fàn)顟B(tài),得到了支護(hù)樁樁頂位移、樁身彎矩、土體沉降及內(nèi)支撐軸力的變化特征及一些規(guī)律性認(rèn)識(shí),研究成果可為類似實(shí)際工程提供一定的參考。

2 基坑模型及試驗(yàn)概況

2.1 基坑模型及支護(hù)結(jié)構(gòu)

模型試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的原型工程為開(kāi)挖平面尺寸為23 m×13 m、挖深為9 m的基坑。圖1為基坑模型布置圖,模型試驗(yàn)在尺寸為1.22 m×0.77 m×0.97 m(長(zhǎng)×寬×高)的模型槽內(nèi)進(jìn)行,選取1/4基坑面積開(kāi)展試驗(yàn),基坑開(kāi)挖模型平面尺寸為560 mm×320 mm,開(kāi)挖深度為450 mm。

圖1 基坑模型布置圖(單位:mm)

模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)需符合相似三定理,綜合考慮模型試驗(yàn)的場(chǎng)地、裝置及材料,取試驗(yàn)幾何相似比CL=20,相應(yīng)的容重相似比Cγ=1;應(yīng)變相似比Cε=CLCγ/CE,其中CE為彈性模量相似比[17];位移相似比CX=CεCL。

基坑支護(hù)采用內(nèi)撐式排樁結(jié)構(gòu),模型樁采用硬質(zhì)PVC圓管制作,有效樁長(zhǎng)為820 mm,圓管外徑為40 mm、壁厚為2 mm,彈性模量E=3.13 GPa,相應(yīng)原型為直徑0.8 m、樁長(zhǎng)16.4 m的C30混凝土樁。模型支護(hù)樁沿基坑長(zhǎng)、短邊共布設(shè)12根,樁間距為80 mm,圖1中用編號(hào)1～12表示樁P1～P12。其中應(yīng)變監(jiān)測(cè)樁為P2、P4、P6、P8、P10、P11,每根監(jiān)測(cè)樁設(shè)置6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,在樁內(nèi)壁受拉、受壓側(cè)各布設(shè)1個(gè)應(yīng)變片;樁P1、P4、P6、P9、P12后設(shè)置百分表,用以監(jiān)測(cè)樁頂位移的變化。

內(nèi)支撐采用硬質(zhì)PVC空心圓管,圓管外徑為20 mm、壁厚為1 mm。在圖1中3根內(nèi)支撐的兩端設(shè)置圓頭螺桿,既能保證內(nèi)支撐兩端近似為點(diǎn)接觸,確保內(nèi)支撐近似僅受軸力作用,也能通過(guò)調(diào)節(jié)螺母使其伸長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)支撐與圍檁緊密接觸以模擬施加預(yù)應(yīng)力、使其縮短以模擬內(nèi)支撐卸載失效。在內(nèi)支撐表面中部位置布設(shè)一對(duì)應(yīng)變片,用以監(jiān)測(cè)其軸力。內(nèi)支撐主要以受壓為主,要確?？箟簞偠菶A與原型相似,則內(nèi)支撐需對(duì)應(yīng)原型為直徑為0.16 m的鋼管。模型試驗(yàn)中圍檁采用與內(nèi)支撐材料相同的硬質(zhì)PVC管片模擬,其厚度取2.5 mm。

2.2 坑外地表沉降觀測(cè)點(diǎn)

根據(jù)工程實(shí)測(cè)獲得砂土基坑開(kāi)挖時(shí)坑外地表沉降的主要影響范圍在距坑邊1.0H以內(nèi)(H為開(kāi)挖深度,其值為450 mm)。由于模型槽大小的限制,坑外沉降監(jiān)測(cè)區(qū)設(shè)置在距坑邊0.5H范圍內(nèi),且根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明,沉降主要影響范圍在0.5H以內(nèi),可忽略邊界效應(yīng)的影響。圖1中給出了4個(gè)坑外地表沉降觀測(cè)點(diǎn)S1、S2、S3、S4的布設(shè)位置。

2.3 試驗(yàn)土體

試驗(yàn)所選用的地基土為干燥、潔凈的中粗河砂,實(shí)測(cè)其界限粒徑d10、d30、d60及平均粒徑d50分別為0.145、0.370、0.920、0.650 mm,其他部分參數(shù)見(jiàn)表1。相關(guān)研究表明,模型試驗(yàn)中模型樁樁徑D與試驗(yàn)土體平均粒徑d50的比值大于40時(shí)可忽略土顆粒大小的尺寸效應(yīng),本試驗(yàn)中D/d50=61.5,因此可不考慮砂土顆粒大小的尺寸效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

表1 試驗(yàn)砂土主要參數(shù)

2.4 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)前在模型槽內(nèi)壁預(yù)設(shè)高度控制線,便于前期分層填筑及后期分層開(kāi)挖。在模型槽內(nèi)壁粘貼摩擦系數(shù)較低的塑料薄膜,以減小支護(hù)樁、土體與模型槽內(nèi)壁的摩擦力,從而消除邊界效應(yīng)的影響。在支護(hù)樁后布置一層擋土布,并用環(huán)氧樹(shù)脂將擋土布與支護(hù)樁接觸部分進(jìn)行粘連。擋土布用以模擬實(shí)際工程中的噴漿加固結(jié)構(gòu)。

地基土填筑至8 cm時(shí)將支護(hù)結(jié)構(gòu)固定,第一層填筑7cm,隨后按每層15 cm分層填筑至基坑頂面,每層地基土填筑完成后進(jìn)行整平,分2次振密約6 min,各層接觸面拉毛并利用小直徑鋼筋豎向插搗,避免水平分層。記錄填土高度及質(zhì)量,經(jīng)計(jì)算得到地基土平均密度為1.853 g/cm3,相對(duì)密實(shí)度Dr=62%,土體為中密。

本次試驗(yàn)共9個(gè)步驟,分3個(gè)階段進(jìn)行,其中步驟1～4為基坑開(kāi)挖試驗(yàn);步驟5～7為內(nèi)支撐失效試驗(yàn);步驟8、9為土體滲漏試驗(yàn),滲漏試驗(yàn)的目的在于研究土體滲漏對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響及坑外塌陷范圍。表2為試驗(yàn)具體步驟。

表2 試驗(yàn)具體步驟

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 基坑外地表沉降量的變化

圖2為試驗(yàn)不同階段各步驟基坑外地表沉降量變化曲線(以隆起為正,沉降為負(fù))。

圖2 試驗(yàn)不同階段各步驟基坑外地表沉降量變化曲線

根據(jù)圖2按不同試驗(yàn)階段對(duì)基坑外地表沉降狀況分析如下。

(1) 基坑外地表沉降隨基坑開(kāi)挖深度的變化。步驟1安裝內(nèi)支撐且施加預(yù)應(yīng)力,施加預(yù)應(yīng)力后使坑外土體隆起,但隆起量微小;步驟2～4開(kāi)挖過(guò)程中,坑外地表隆起量逐漸減小?？梢?jiàn)基坑開(kāi)挖階段坑外地表沉降變化很小。實(shí)際工程中基坑外地表變形常受基坑周圍土體性質(zhì)、地下水水位、圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、基坑開(kāi)挖深度等因素的影響,較為復(fù)雜,本試驗(yàn)所用地基土經(jīng)過(guò)分層振動(dòng)夯實(shí)填筑,土體性質(zhì)較好且無(wú)地下水影響,同時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用內(nèi)撐式支護(hù)體系,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,故測(cè)得基坑外地表沉降量較小。

(2) 內(nèi)支撐失效對(duì)基坑外地表沉降的影響。步驟5內(nèi)支撐C2失效,此時(shí)基坑外地表幾乎無(wú)沉降。由于內(nèi)支撐C2位于C1和C3之間,失效后其所承受的荷載能轉(zhuǎn)移到支護(hù)樁及鄰近內(nèi)支撐,因此基坑外地表沉降不明顯。

沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于支護(hù)樁P11和P12之間的后部土體,而支護(hù)樁P11和P12處于內(nèi)支撐C1的作用范圍內(nèi),當(dāng)步驟6內(nèi)支撐C1失效時(shí),地表沉降量較步驟5顯著增大。這是由于內(nèi)支撐C1失效后其所承受的荷載只有小部分能傳遞到C3,大部分荷載傳遞到其內(nèi)支撐范圍內(nèi)的支護(hù)樁上,因此基坑外地表沉降明顯。當(dāng)步驟7內(nèi)支撐C3繼續(xù)失效時(shí),地表沉降量進(jìn)一步增大,但增幅較小。其原因是內(nèi)支撐C3位于坑角,其失效后大部分荷載都傳遞到坑角附近的支護(hù)樁上,而沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)距坑角較遠(yuǎn),因此監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量變化較小。

內(nèi)支撐全部失效后,監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1最大沉降量為0.95 mm,約為0.21%H,對(duì)應(yīng)工程原型的沉降量為38 mm,約為0.42%H;監(jiān)測(cè)點(diǎn)S2、S3最大沉降量分別為0.55、0.09 mm;監(jiān)測(cè)點(diǎn)S4無(wú)明顯沉降,位于次要影響區(qū)。試驗(yàn)結(jié)果與Clough等[10]對(duì)砂土基坑實(shí)測(cè)得出的基坑外地表最大沉降介于0～0.5%H之間的結(jié)論相符。

(3) 土體滲漏對(duì)基坑外地表沉降的影響。圖3為土體滲漏破壞形成的樁后滑裂面。步驟8劃破支護(hù)樁P10～P11間的擋土布,樁后土體失穩(wěn)并迅速滑落到基坑底部,基坑外地表出現(xiàn)錐形塌陷區(qū)①(圖3);步驟9劃破支護(hù)樁P2～P3間的擋土布,基坑外地表出現(xiàn)錐形塌陷區(qū)②(圖3),同時(shí)塌陷區(qū)①的垮塌范圍及深度進(jìn)一步增加。待土體滲漏停止后監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1、S2、S3的沉降量均達(dá)到最大值,最大沉降量位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1處,約為22 mm,但監(jiān)測(cè)點(diǎn)S4無(wú)顯著沉降,表明其位于滲漏破壞的次要影響區(qū)(圖2)。待土體滲漏穩(wěn)定后,塌陷區(qū)①影響范圍覆蓋了約2/3基坑長(zhǎng)邊,塌陷區(qū)②影響范圍覆蓋了整個(gè)基坑短邊,影響范圍分布廣泛。

圖3 土體滲漏破壞形成的樁后滑裂面

3.2 支護(hù)樁樁頂水平位移的變化

圖4為試驗(yàn)不同階段各步驟支護(hù)樁樁頂水平位移隨時(shí)間變化曲線(向基坑內(nèi)位移為正,向基坑外位移為負(fù))。根據(jù)圖4按不同試驗(yàn)階段對(duì)支護(hù)樁樁頂水平位移狀況分析如下。

圖4 試驗(yàn)不同階段各步驟支護(hù)樁樁頂水平位移隨時(shí)間變化曲線

(1)樁頂水平位移隨基坑開(kāi)挖深度的變化。步驟1安裝內(nèi)支撐且施加預(yù)應(yīng)力后,各支護(hù)樁樁頂向基坑外位移,這與預(yù)應(yīng)力的施加有關(guān)。隨開(kāi)挖的加深,各樁均向坑內(nèi)方向位移。步驟4中僅有支護(hù)樁P1向坑外方向位移,出現(xiàn)這一現(xiàn)象是由于內(nèi)支撐C3布設(shè)在坑角,基坑長(zhǎng)、短邊上壓力大小和方向不同,隨著開(kāi)挖深度的加深,壓力差增大,支護(hù)樁P1在內(nèi)支撐軸力的作用下向坑外位移?；娱_(kāi)挖完成后,支護(hù)樁P6樁頂位移最大,約為0.07 mm。開(kāi)挖階段各支護(hù)樁位移量較小且每步開(kāi)挖位移增幅很小,表明此時(shí)基坑穩(wěn)定性較好。

(2)內(nèi)支撐失效對(duì)樁頂水平位移的影響。內(nèi)支撐C2失效后,僅鄰近內(nèi)支撐失效位置的支護(hù)樁P9樁頂向坑內(nèi)有較小位移。當(dāng)C1、C3接連失效后,各支護(hù)樁樁頂均向坑內(nèi)位移,且位移增幅明顯比單一內(nèi)支撐失效更明顯。內(nèi)支撐全部失效后,坑角附近的支護(hù)樁P4樁頂位移最小,為0.11 mm,而位于基坑長(zhǎng)邊的支護(hù)樁P12樁頂位移最大,為1.84 mm?？梢?jiàn)內(nèi)支撐失效階段不同位置支護(hù)樁樁頂位移差別較大,空間效應(yīng)較明顯。

(3)土體滲漏對(duì)樁頂水平位移的影響。步驟8劃破支護(hù)樁P10～P11間的擋土布后,樁后土體失穩(wěn)滑落到坑底,鄰近滲漏位置的支護(hù)樁P9、P12樁頂向坑內(nèi)有明顯位移,其中支護(hù)樁P12樁頂位移最大,約為2.32 mm,其余各樁樁頂向坑內(nèi)的位移較小。步驟9支護(hù)樁P2～P3間土體滲漏破壞后,各支護(hù)樁樁頂向坑內(nèi)位移的增幅微小,土體滲漏對(duì)樁頂位移影響不顯著。

3.3 支護(hù)樁樁身彎矩的變化

(1)樁身彎矩隨基坑開(kāi)挖深度的變化。圖5為基坑開(kāi)挖完成后支護(hù)樁樁身彎矩分布。由圖5可以看出,位于基坑長(zhǎng)邊的支護(hù)樁P11樁身彎矩最大,而坑角附近的支護(hù)樁P4、P6樁身彎矩較小。圖6為支護(hù)樁P11在步驟1～4過(guò)程中樁身彎矩隨開(kāi)挖深度的變化曲線。圖6表明,步驟1支護(hù)樁P11最大彎矩為0.21 N·m,反彎點(diǎn)在樁身z=25 cm處;步驟4支護(hù)樁P11最大彎矩為0.72 N·m,反彎點(diǎn)在樁身z=50 cm處。隨著開(kāi)挖深度的加深,由于基坑內(nèi)土體被卸除量增大,導(dǎo)致樁后土壓力增大,但樁頂被圍檁與內(nèi)支撐所限制,因此樁身彎矩增大且反彎點(diǎn)下移。

圖5 基坑開(kāi)挖完成后支護(hù)樁樁身彎矩分布

圖6 支護(hù)樁P11樁身彎矩隨開(kāi)挖深度變化曲線

(2)內(nèi)支撐失效對(duì)樁身彎矩的影響。圖7為內(nèi)支撐失效階段支護(hù)樁樁身彎矩變化曲線。由圖7可以看出,步驟5內(nèi)支撐C2失效后,鄰近失效內(nèi)支撐的支護(hù)樁P10、P11樁身彎矩明顯減小,遠(yuǎn)離失效內(nèi)支撐的支護(hù)樁P2和位于坑角的支護(hù)樁P6樁身彎矩?zé)o明顯變化。步驟6、7內(nèi)支撐C1、C3接連失效后,各支護(hù)樁樁身彎矩均有所減小,反彎點(diǎn)明顯上移,且位于基坑中部附近的支護(hù)樁樁身彎矩變化幅度最大。這表明內(nèi)支撐局部失效后,部分荷載轉(zhuǎn)化為支護(hù)樁的位移協(xié)調(diào),使支護(hù)樁向坑內(nèi)位移,導(dǎo)致支護(hù)樁上部正彎矩有所減小,下部負(fù)彎矩有所增大;當(dāng)內(nèi)支撐連續(xù)失效時(shí),轉(zhuǎn)化為位移協(xié)調(diào)的比例進(jìn)一步增大,使得支護(hù)樁樁后被動(dòng)土壓力轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)土壓力,樁身正彎矩進(jìn)一步減小,且反彎點(diǎn)進(jìn)一步上移,同時(shí)支護(hù)樁受影響的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖7 內(nèi)支撐失效階段支護(hù)樁樁身彎矩變化曲線

表3為內(nèi)支撐失效階段各支護(hù)樁樁身最大負(fù)彎矩。內(nèi)支撐失效階段樁身最大負(fù)彎矩變化最顯著,因此需判斷支護(hù)樁是否發(fā)生過(guò)大的變形或可能出現(xiàn)斷裂的情況,通過(guò)單樁安全系數(shù)Kd與荷載(彎矩)傳遞系數(shù)I的大小來(lái)判斷支護(hù)樁是否發(fā)生破壞。程雪松等[6]通過(guò)試驗(yàn)得出支護(hù)樁單樁安全系數(shù)Kd=1.875,本試驗(yàn)采用的基坑和支護(hù)樁材料與其類似,因此Kd取值為1.875;本試驗(yàn)中內(nèi)支撐C3失效后支護(hù)樁彎矩增量最大,臨近失效內(nèi)支撐位置的支護(hù)樁P8最大負(fù)彎矩由失效前的-0.496 N·m 增大到失效后的-0.813 N·m(表3),荷載傳遞系數(shù)I為1.64。由此可知I

表3 內(nèi)支撐失效階段各支護(hù)樁樁身最大負(fù)彎矩 N·m

(3)土體滲漏對(duì)樁身彎矩的影響。圖8為土體滲漏階段支護(hù)樁樁身彎矩變化曲線(以鄰近滲漏部位的支護(hù)樁P11、P2為例)。步驟8支護(hù)樁P10～P11間土體滲漏后,支護(hù)樁P10和P11樁身彎矩有所增大,支護(hù)樁P11的變化相對(duì)更為顯著。

圖8 土體滲漏階段支護(hù)樁樁身彎矩變化曲線

由圖8可以看出,支護(hù)樁P11最大負(fù)彎矩為-1.04 N·m,相較于土體滲漏前(步驟7)增加了8%;步驟9支護(hù)樁P2～P3間土體滲漏后,支護(hù)樁P2最大彎矩為0.37 N·m,較步驟8增大約18%?？傮w來(lái)看,局部土體滲漏對(duì)樁身彎矩影響不大,且離土體滲漏位置較遠(yuǎn)的支護(hù)樁樁身彎矩幾乎沒(méi)有變化。由于土體滲漏是通過(guò)破壞樁間擋土布模擬的,支護(hù)樁本身沒(méi)有發(fā)生破壞,支護(hù)結(jié)構(gòu)整體保持穩(wěn)定,因此樁身彎矩變化不大。

3.4 內(nèi)支撐軸力的變化

(1)內(nèi)支撐軸力隨基坑開(kāi)挖深度的變化。圖9為基坑開(kāi)挖階段各內(nèi)支撐軸力隨開(kāi)挖深度變化曲線(以壓為正,拉為負(fù))。

圖9 內(nèi)支撐軸力隨開(kāi)挖深度變化曲線

圖9顯示,各內(nèi)支撐軸力隨開(kāi)挖深度呈波浪型變化,即內(nèi)支撐軸力在每步開(kāi)挖時(shí)有所減小,在變形穩(wěn)定時(shí)間內(nèi)又有所增大;內(nèi)支撐C1、C2、C3初始軸力分別為19、14、46 N,基坑開(kāi)挖完成后,較初始軸力分別增大了約9、12、2 N,其中靠近基坑中部的內(nèi)支撐C2軸力增幅最大,而坑角附近的內(nèi)支撐C3軸力增幅最小,空間效應(yīng)較明顯。

內(nèi)支撐布設(shè)高度對(duì)荷載傳遞有一定影響,隨著基坑開(kāi)挖深度的加深,位于樁頂處的內(nèi)支撐軸力變化幅度逐步減小,表明此時(shí)內(nèi)支撐布設(shè)過(guò)高,應(yīng)隨著開(kāi)挖深度的加深而適當(dāng)降低,這既能提高支撐的作用,也能給支護(hù)結(jié)構(gòu)提供更大的抗側(cè)移剛度[4]。

(2)失效內(nèi)支撐對(duì)未失效內(nèi)支撐的影響規(guī)律?；娱_(kāi)挖完成后,內(nèi)支撐C1、C2、C3的軸力分別為28、26、48 N。步驟5內(nèi)支撐C2失效,內(nèi)支撐C1、C3的軸力比C2失效前分別增大了4、1 N,增幅分別約為15%、4%,內(nèi)支撐C1距C2更近且軸力增幅更大,表明失效內(nèi)支撐的荷載傳遞存在就近現(xiàn)象。內(nèi)支撐C2失效破壞后,其承擔(dān)的荷載約有20%通過(guò)圍檁傳遞到其余內(nèi)支撐,將近80%的荷載轉(zhuǎn)換為支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移協(xié)調(diào)。步驟6內(nèi)支撐C1失效后,C3軸力約增大4 N,增幅為C1失效前其支撐軸力的12%,表明C1失效后有12%的荷載傳遞到鄰近內(nèi)支撐,其余88%的荷載轉(zhuǎn)換為支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移協(xié)調(diào)。當(dāng)內(nèi)支撐C2、C1接連失效時(shí),內(nèi)支撐所承擔(dān)的荷載轉(zhuǎn)化為支護(hù)結(jié)構(gòu)位移協(xié)調(diào)的比例更大,內(nèi)支撐連續(xù)失效影響的范圍也更廣,鄰近內(nèi)支撐所承受的荷載也進(jìn)一步增加。

4 討 論

本文通過(guò)模型試驗(yàn)分析了砂土基坑中內(nèi)撐式排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開(kāi)挖、內(nèi)支撐失效以及土體滲漏等階段支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形特性?；娱_(kāi)挖階段內(nèi)撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較好,對(duì)周邊環(huán)境影響程度較低,其中靠近內(nèi)支撐的支護(hù)樁樁頂位移及受力更小,與周勇等[18]所得結(jié)論類似。試驗(yàn)過(guò)程中,當(dāng)單一內(nèi)支撐失效后,失效支撐的荷載會(huì)傳遞到其余支撐,致使未失效支撐受力增大,且荷載的傳遞存在就近現(xiàn)象,失效內(nèi)支撐數(shù)量的增多會(huì)導(dǎo)致未失效支撐所承受的荷載進(jìn)一步增大,進(jìn)而可能會(huì)引起支撐全部失效,這一試驗(yàn)結(jié)果與Choosrithong等[19]所得研究成果類似。

本試驗(yàn)表明,內(nèi)支撐全部失效后基坑外地表最大沉降值為0.95 mm,約為0.21%H,對(duì)應(yīng)工程原型約38 mm,約為0.42%H,與Clough等[10]對(duì)砂土基坑實(shí)測(cè)得出基坑外地表最大沉降介于0～0.5%H的結(jié)果相符,與王衛(wèi)東等[9]針對(duì)上海地區(qū)基坑工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所得基坑外地表最大沉降值基本介于0.1%～0.8%H的結(jié)果也相符。

內(nèi)支撐接連失效會(huì)導(dǎo)致支護(hù)樁樁后土壓力激增,可能會(huì)使樁后擋土布(模擬實(shí)際工程中的噴漿結(jié)構(gòu))發(fā)生破壞,進(jìn)而引發(fā)二次事故。針對(duì)內(nèi)撐式排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞試驗(yàn),大多數(shù)學(xué)者僅分析了內(nèi)支撐連續(xù)失效對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,并未考慮到由于內(nèi)支撐接連失效而引發(fā)的二次事故。為降低類似事故的發(fā)生率,本文進(jìn)一步分析了內(nèi)支撐失效后土體滲漏對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,使得研究成果更加全面,對(duì)工程實(shí)踐具有一定的參考價(jià)值。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)開(kāi)展基坑開(kāi)挖室內(nèi)模型試驗(yàn),重點(diǎn)研究了基坑開(kāi)挖深度、內(nèi)支撐失效、土體滲漏對(duì)內(nèi)撐式排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理,所得結(jié)論如下:

(1)基坑開(kāi)挖階段支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形較小,基坑外地表沉降亦不明顯,表明此挖深(模型450 mm)范圍內(nèi)基坑穩(wěn)定性較好,可進(jìn)一步加大開(kāi)挖深度,需注意的是隨著挖深的增大應(yīng)適當(dāng)降低支撐高度。

(2)對(duì)于內(nèi)撐式排樁支護(hù)而言,內(nèi)支撐接連失效對(duì)基坑穩(wěn)定性影響較大,會(huì)使支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、樁身彎矩及基坑外地表沉降大幅增加,樁身彎矩增大近2倍、最大樁頂位移約為1.84 mm、最大沉降量為0.95 mm且沉降影響范圍在0.5H以內(nèi)。

(3)當(dāng)支護(hù)樁樁間發(fā)生土體滲漏破壞時(shí),基坑外垮塌范圍主要在距坑邊0.4H范圍內(nèi),滑裂面呈錐形,基坑外土體滑動(dòng)進(jìn)入坑底,既對(duì)基坑施工造成安全威脅,也嚴(yán)重危害周邊環(huán)境。若實(shí)際工程發(fā)生類似滲漏破壞,應(yīng)迅速堆土反壓,避免基坑進(jìn)一步變形。

(4)總結(jié)了砂土基坑中內(nèi)支撐連續(xù)失效、坑外土體滲漏等破壞對(duì)內(nèi)撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,并針對(duì)類似基坑事故提出了相應(yīng)的工程技術(shù)對(duì)策,以期為相關(guān)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)災(zāi)變防控提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。