圆形基坑地下连续墙的稳定性分析
摘 要 通过对连续墙不同入土深度时某地铁风井圆形基坑的设计方案进行离心模型试验,分析了基坑开挖引起的位移,得出了直径小于30 m 的圆形基坑入土系数的合理取值范围,并总结了圆形基坑位移的规律。
关键词 圆形基坑,地下连续墙,入土系数,离心模型试验
地铁要求保持空气流通以保护群众和保证系统的安全。风井是地铁的一个重要组成部分。地铁的风井结构既有矩形基坑,也有圆形基坑。目前,上海地区基坑工程的设计均以长条形基坑为基础[1 ] ,把基坑当作一个平面应变问题来研究。为了保证基坑底部的稳定,其入土系数通常取为0. 6～ 1. 0[2 ] ,设计方法通常采用经验法、有限元和模型试验相结合。对于圆形基坑,其围护结构的受力比长条形基坑有利,具有明显的空间效应,但地下连续墙合理入土深度的选取还未见之于规范。根据上海迄今为止的工程实践表明,圆形基坑的入土系数可以在0. 2～0. 7 之间变化,但尚缺乏成熟的计算方法。本文以某圆形基坑为例,通过离心模型试验对不同入土系数时圆形基坑开挖的稳定性进行研究。
1 工程概况及试验方案
某工程基坑为圆形结构,外径29 m , 基坑的开挖深度为33 m ; 采用地下连续墙作为围护结构,初步设计深度为53 m , 厚1 m , 内衬厚0. 6 m , 圈梁截面尺寸1 m ×2 m 。坑底下面有一承压水层,是地层编号分别为⑧3 、⑨1 、⑨2 的粉性土、粉细砂和中粗砂,埋深56. 0 m 以下,其水头高出含水层顶板( ⑧2 层底面)46. 8 m 左右,水头较高,是坑底产生失稳的隐患。基坑剖面图如图1 所示,土层物理力学指标列于表1 。
图1 基坑剖面图表1 土层物理力学指标
为了选取合理的入土系数,按最不利情况进行考虑(即对承压水头不采取降水措施),设计了三组试验。试验1 为连续墙深48 m 的开挖过程模拟; 试验2 为连续墙深为53 m 的开挖过程模拟;试验3 为连续墙深57 m 的开挖过程模拟。
在土工离心模型试验中,采用离心力来加大模型的应力量值,使之达到原型的水平,并采用与原型材料具有相同物理参数的材料制造模型。因此, 离心模型试验中的应力应变关系及其它特性与原型完全等效,可以重现原型的特性。如果模型的几何尺寸为原型几何尺寸的1/ N 倍,采用与原型相同的材料进行试验,则只须在离心机上将离心机加速度加到Ng ,就能使模型与原型的重力完全相等, 保持力学特性的相似。
2 试验模型
根据试验设计的目的和基坑的实际尺寸,并结合L —30 土工离心机的工作条件,试验拟模拟1/ 2 基坑平面,试验的模型率为N = 180 。模型布置平面图如图2 所示。
本次试验采用等效能比进行方案设计(即土体采用原型材料) 。将原状土体配制成土膏,经重塑后,在模型箱内分层固结,恢复土层的应力历史。将重塑后的土体(含水量80 % 左右) 在离心机内分层由下至上进行固结,停机后分土层做微型十字板剪切试验,初步判断土体的强度,同时测量土样的含水量。
为精确地模拟承压水水头,采用水位控制系统在离心试验中及时对水位进行监测,并及时补充水。水位控制系统如图3 所示。
图2 模型布置平面图
考虑到模型制作中围护结构难以采用原型材料,根据相似理论,采用等效刚度法来设计围护结构,选用便于加工、物理特性近似的铝合金。
3 试验过程及结果分析
按试验方案共做了三组试验,每组试验开挖步骤相同,均分五步开挖。每次开挖模拟先将基坑开挖至模拟深度,接着加圈梁或内衬,然后将模型箱放入离心机吊斗,加速至180 g ,使模型处于与原型重力场相等的离心力场中,从而模拟了实际的开挖支护过程。试验过程中用数码相机对模型进行同步拍摄,试验结束后对数码相片进行分析,确定基坑坑底、地表及连续墙的位移。限于篇幅,每组试验只选取了最后一步开挖(开挖深度33 m) 的基坑位移曲线。基坑位移曲线如图4～ 图6 所示,试验结果对比列于表2 。
图3 水位控制系统
图4 试验1 , 开挖深度33 m 时基坑位移
图5 试验2 , 开挖深度33 m 时基坑位移围护结构在基坑开挖过程中主要承受坑外土体的压力,连续墙、内衬和圈梁可视为受弯构件。
图6 试验3 , 开挖深度33 m 时基坑位移
表2 试验结果对比
从试验数据看,随着入土深度的变大,基坑位移变小。对于一般基坑,允许隆起量[δ]可取为H (开挖深度) 的1 %[ 3 ] 。连续墙深57 m 和53 m 时, 基坑隆起均小于允许值,基坑是稳定的;连续墙深48 m 时,基坑隆起值只比允许值大3. 6 % , 可当作稳定情况。由此可见,入土系数为0. 45～0. 73 时, 基坑是稳定的。
坑底隆起的最大值位于坑底中间,最小值为坑边,坑底隆起曲线呈抛物线型。坑外地表沉降曲线为凹型,沉降最大值发生在远离连续墙5～8 m 的地方;地表沉降影响范围约20 m 左右,为开挖深度的0. 5 ～ 0. 7 倍。而对于长条形基坑, 按经验估计[ 2 ] ,地表沉降影响范围为开挖深度的1. 5～2. 0 倍。连续墙的位移较小,最大位移发生在接近地表处,这是因为圆形墙体具有较强的结构空间性,宜于承受开挖引起的侧压力荷载。
4 结论
(1) 与条形基坑不同,圆型基坑的空间效应作用明显。在一般情况下,直径小于30 m 的圆形基坑,连续墙入土系数可取0. 45 左右。对圆形基坑进行稳定分析时,因圆形墙体具有较强的空间结构性,位移量较小,应重点考虑坑底稳定性。
(2) 对于圆形基坑,坑底隆起量、坑外地表沉降量和墙体位移值三者之间存在着一定的关系,坑底的隆起量约为坑外地表沉降量的3 倍;坑外地表沉降量约为墙体位移值的2 倍。
本研究工作得到了张师德老师的大力指导,在此表示感谢。
参 考 文 献
1 DBJ08 -61 -97 , 上海市标准基坑工程设计规程
2 基坑工程手册(第二版). 北京:中国建筑工业出版社,1997. 303
3 侯学渊,夏明耀等. 软土深基坑工程的稳定与隆起研究. 深基坑施工技术交流会论文集. 上海市土木工程学会,1991. 12
4 潘若东,朱永红,刘辉等. 地铁车站基坑围护体与内部结构共同作用分析. 城市轨道交通研究,2001 , (2) :33
