土工離心模型試驗(yàn)在巖土工程中的應(yīng)用

土工離心模型試驗(yàn)在巖土工程中的應(yīng)用

軟土基坑離心模型試驗(yàn)研究隨著建筑高度、規(guī)模和價(jià)值的發(fā)展，以及城市地鐵、車站等市政項(xiàng)目的可持續(xù)建設(shè)，該市隨處可見深基坑項(xiàng)目的清單。由于受周邊環(huán)境和工程地質(zhì)、水文條件的影響,在基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)選型、施工過(guò)程中常常會(huì)遇到各種各樣的復(fù)雜問(wèn)題,尤其是在我國(guó)的東南沿海及長(zhǎng)江中下游的軟土地區(qū),這類問(wèn)題尤為突出。為此,許多科技工作者都對(duì)基坑開挖中涌現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究和探索。作為一種物理模型技術(shù),近年來(lái),土工離心模型試驗(yàn)已成為巖土工程領(lǐng)域研究的重要試驗(yàn)方法,并已廣泛應(yīng)用于巖土工程的各個(gè)領(lǐng)域,如邊坡和擋墻、港口碼頭和海洋工程、路堤和壩基工程、隧道及地下工程、地基和基礎(chǔ)工程、基坑開挖工程、凍土、環(huán)境巖土工程以及地質(zhì)工程等方面。在軟土基坑的離心試驗(yàn)?zāi)M方面,我國(guó)的科研工作者開展了大量的研究,如周順華(1998)進(jìn)行了水泥攪拌樁-灌注樁承載分擔(dān)的離心試驗(yàn),模擬的基坑開挖深度11m,灌注樁長(zhǎng)21m,直徑0.8m,攪拌樁長(zhǎng)18m,寬度為1.2m;吳海平(2000)結(jié)合上海地鐵2號(hào)線某車站基坑工程,利用離心試驗(yàn)分析了攪拌樁-灌注樁復(fù)合維護(hù)結(jié)構(gòu)以及灌注樁(無(wú)攪拌樁)維護(hù)兩種情況的變形破壞機(jī)理,基坑深10.7m,設(shè)有兩道鋼筋混凝土支撐;陳興年(2000)針對(duì)上海地鐵2號(hào)線中央公園站基坑工程,利用離心試驗(yàn)研究不同施工參數(shù)、不同加固方式下基坑周圍土體的變形情況,基坑深度15.2m,設(shè)四道鋼管支撐;劉輝(2002)針對(duì)某地鐵風(fēng)井圓形基坑工程,開展了連續(xù)墻不同入土深度時(shí)的離心模型試驗(yàn),基坑的開挖深度為33m;宮全美(2006)等對(duì)上海地區(qū)⑤-2層淺部承壓水和⑦層深部承壓水之間的第⑥層隔水層的存在或缺失對(duì)基坑變形和降水的影響進(jìn)行了離心試驗(yàn)研究,所模擬基坑底板埋深14.4m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)為厚600mm的地下連續(xù)墻,水平設(shè)置4道鋼管支撐;包旭范(2006)以上海鐵路南站南廣場(chǎng)大型軟土基坑施工為背景,通過(guò)離心模型試驗(yàn)對(duì)比研究三種不同土臺(tái)預(yù)留寬度及其加固與否對(duì)地下連續(xù)墻的變形控制作用,基坑開挖深度13.5m,穿越的主要土層為淤泥質(zhì)軟黏土,厚約10m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻寬0.8m;楊龍才(2006)等針對(duì)南京某地鐵深基坑工程的地層和承壓水特性,通過(guò)離心模型試驗(yàn)研究了全套管咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的技術(shù)可行性,基坑標(biāo)準(zhǔn)段的開挖深度為13m,最大開挖深度為19m。綜上所述,基坑工程正朝著超挖深、地質(zhì)條件差及施工環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜等方向發(fā)展,因此為確?；蛹爸車ㄖ锏陌踩?對(duì)基坑的變形和穩(wěn)定特性進(jìn)行離心試驗(yàn)研究是必要的。本文結(jié)合上海地鐵某修復(fù)工程的超深基坑開挖,開展了系列離心模型試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于確保工程的順利實(shí)施和安全生產(chǎn)具有一定的借鑒和參考價(jià)值。1原位修復(fù)方案確定上海軌道交通某線路區(qū)間越江隧道在主體工程完工后修建聯(lián)絡(luò)通道時(shí)發(fā)生險(xiǎn)情,導(dǎo)致該段隧道塌陷,隧道附近的土體流失,進(jìn)而使得地面建筑物發(fā)生傾斜。險(xiǎn)情發(fā)生后,有關(guān)單位立即成立了修復(fù)方案小組,在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行調(diào)研、聽取專家會(huì)議意見的基礎(chǔ)上,對(duì)修復(fù)工程的總體技術(shù)路線以及方案進(jìn)行了反復(fù)比選和論證。在綜合比選多方面的因素后,確定了原位修復(fù)的總體技術(shù)路線。最終的總體修復(fù)方案包括東、中、西3個(gè)明挖基坑,分別長(zhǎng)174m、27m和64m,如圖1所示。基坑標(biāo)準(zhǔn)段的開挖深度為38m,東側(cè)基坑的東端頭落深3m,開挖深度達(dá)到41m,目前為上海軟土地層中開挖深度最大的基坑工程。整個(gè)基坑自上而下設(shè)9道鋼筋混凝土支撐?；拥膰o(hù)結(jié)構(gòu)為厚度1.2m、深度65.5m的地下連續(xù)墻,其接縫采用十字鋼板接頭,接縫處采用坑外旋噴樁止水。由于基坑周圍近鄰高層建筑和跨黃浦江的南浦大橋匝道,為確保建筑物安全和大橋的正常運(yùn)行,因此對(duì)開挖施工中的變形控制提出了很高的要求。其次,本基坑工程為上海軟土地區(qū)最深的基坑工程,無(wú)論設(shè)計(jì)和施工都無(wú)現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)可循,使得本工程不僅重要程度高、社會(huì)影響大,而且難度又大,國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例,世界范圍內(nèi)也較少見?；谏鲜鲆蛩?極有必要以該工程為載體,開展軟土地基中超深基坑變形和穩(wěn)定特性的離心試驗(yàn)研究。2工程土壤的組成和材料的性質(zhì)2.1擬地層的物理力學(xué)特性根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)勘察資料可知,本次試驗(yàn)所模擬的地層的物理力學(xué)特性指標(biāo)如表1所示。根據(jù)試驗(yàn)需要,從上往下,選用①雜填土、⑤粉質(zhì)黏土、⑦砂質(zhì)粉土作為本次試驗(yàn)所模擬的主要地層。2.2材料屬性基坑的擋墻及支撐均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),擋墻9道支撐的具體尺寸參見圖2。3離心試驗(yàn)的原理3.1模型材料工程模擬離心試驗(yàn)是通過(guò)離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的慣性離心力場(chǎng)來(lái)模擬自重應(yīng)力場(chǎng),將相對(duì)于原型縮小了n倍的模型在n倍重力加速度的空間中進(jìn)行試驗(yàn),則作用在模型上的體積力增加n倍。這樣在原型與模型材料及邊界應(yīng)力相同的前提下,離心模型與原型各相應(yīng)點(diǎn)不但應(yīng)力狀態(tài)完全相同,其應(yīng)變也相同,變形相似,破壞機(jī)理相同,能再現(xiàn)原型特性。這樣,便可通過(guò)對(duì)離心機(jī)上運(yùn)轉(zhuǎn)中模型性狀的量測(cè)來(lái)預(yù)測(cè)原型的性狀變化規(guī)律。3.2最大離心加速度及最大有效載荷本次離心模型試驗(yàn)采用的試驗(yàn)設(shè)備為同濟(jì)大學(xué)TLJ-150型土工離心試驗(yàn)機(jī):轉(zhuǎn)臂有效半徑3.0m;最大離心加速度200g;離心機(jī)能力為150g·t;最大有效載荷在100g時(shí)為1500kg(適用于動(dòng)力試驗(yàn)),在200g時(shí)為750kg(適用于靜力試驗(yàn))。該試驗(yàn)系統(tǒng)還配有一套完整的數(shù)據(jù)采集、高速攝影、閉路電視監(jiān)控設(shè)施。3.3離心試驗(yàn)中的類似關(guān)系離心試驗(yàn)中的相似關(guān)系如表2所示,n為幾何尺寸縮減比例。3.4離心場(chǎng)開挖利用土工離心試驗(yàn)?zāi)M基坑開挖問(wèn)題,基本上可分為以下幾種方法:①在重力場(chǎng)下將土體挖掉,然后,用增大離心加速度來(lái)研究應(yīng)力提高的情況下土體或擋土結(jié)構(gòu)的反應(yīng);②在離心力場(chǎng)下通過(guò)排放與土體密度相同的氯化鋅液體或降低擋墻被動(dòng)側(cè)土體高度的做法實(shí)現(xiàn)基坑開挖的模擬;③采用高精密特種機(jī)械設(shè)備在離心機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開挖。由于氯化鋅液體有毒,加之液體所形成的側(cè)壓力系數(shù)與土體有較大差別,以及特種開挖設(shè)備的昂貴,故此,本研究中基坑開挖模擬采用第一種方法,即采用“開機(jī)-停機(jī)開挖-加支撐-再開機(jī)試驗(yàn)”模式,共分9個(gè)開挖步。4模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)4.1段原型的土層厚度試驗(yàn)所選用的幾何比尺為1∶120。標(biāo)準(zhǔn)段原型中的土層厚度72m、開挖深度38m、擋墻高度65m,換算到模型中去就分別是60cm、31.6cm和54.2cm。4.2離心場(chǎng)分層固結(jié)試驗(yàn)用土為取自現(xiàn)場(chǎng)的原狀土體,試驗(yàn)過(guò)程中將土層作了適當(dāng)簡(jiǎn)化,表面填土層合并為一層,其下的②、⑤、⑥層合并為一層,⑦-1、⑦-2層合并為一層。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的工程地質(zhì)勘察資料,試驗(yàn)選用了具有代表性的第⑤層粉質(zhì)黏土和第⑦層砂質(zhì)粉土作為需要模擬的開挖土層。為了便于排水,在土箱的底部鋪設(shè)一層2cm厚的黃砂,從而形成雙排水通道。模型地層制備時(shí),先將取自現(xiàn)場(chǎng)不同深度處的原狀土經(jīng)曬干、碾碎過(guò)篩后,用水浸泡制成流塑狀土膏,使其含水量控制在80%~120%,在排除土料內(nèi)所含氣體后,再放入離心機(jī)中在120g離心場(chǎng)下分層固結(jié),每層土的固結(jié)度要求達(dá)到90%以上。由于模型土處于一維固結(jié)狀態(tài),其固結(jié)度可由Terzaghi一維固結(jié)理論進(jìn)行計(jì)算。所用土的干重度,對(duì)于第⑤層粉質(zhì)黏土為15.1kN/m3,第⑦層砂質(zhì)粉土為16.5kN/m3。根據(jù)飽和土體滲透固結(jié)時(shí)間的相似關(guān)系,模型地層固結(jié)時(shí)間應(yīng)該是原型地層固結(jié)時(shí)間的1/n2。待模型地層固結(jié)完成后,重新測(cè)量土層厚度,計(jì)算土層的干密度。同時(shí),通過(guò)取樣測(cè)定粉質(zhì)黏土和砂質(zhì)粉土層的含水量、壓縮模量、強(qiáng)度指標(biāo),作為土性穩(wěn)定的控制因素。地基模型制作完畢后,拆去模型箱側(cè)壁的有機(jī)玻璃板,在土體側(cè)面嵌入帶大頭針的小紙片作為土體位移的標(biāo)志點(diǎn),并記錄各標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo),在有機(jī)玻璃板內(nèi)側(cè)涂抹硅油并覆以聚乙烯薄膜后,裝好玻璃板。4.3材料的厚度和截面積對(duì)于實(shí)際的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu),如果在試驗(yàn)中仍然用鋼筋混凝土模擬,則模型尺寸為原型的1/n,這樣模型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)只有幾毫米厚,試驗(yàn)制作時(shí)無(wú)法加工,故采用鋁合金板來(lái)代替。由于擋墻結(jié)構(gòu)是作為抗彎構(gòu)件,要保證模型與原型的應(yīng)力水平一致,應(yīng)使兩者的抗彎剛度相等,即可根據(jù)抗彎剛度相似原則,用鋁合金板替代縮小后的原型材料板,并據(jù)此確定替代材料板的厚度:Em1δ3m112(1?μ2m1)=Em2δ3m212(1?μ2m2)(1)Em1δm1312(1-μm12)=Em2δm2312(1-μm22)(1)式中:E為彈性模量;δ為板的厚度;μ為泊松比;m1表示與原型材料p相同的模型材料;m2表示替代的模型材料,并且有Ep=Em1,δp=nδm1,μp=μm1。根據(jù)鋼筋混凝土得彈性模量(Em1=35GPa)和泊松比(μm1=0.167),選取工業(yè)鋁合金(Em2=70GPa,泊松比μm2=0.30)作為鋼筋混凝土的替代材料,根據(jù)上式可得鋁合金的厚度為δm2=7.76mm,實(shí)際試驗(yàn)中選用的厚度為7.5mm。對(duì)于擋墻支撐材料,如果采用與原型相同的材料,則尺寸縮為原型的1/n,同樣也不方便制作。為此,可以考慮按照軸向抗壓剛度相似原則,采用鋁合金管來(lái)代替縮小后的原型支撐材料,即Em1Am1=Em2π4[D2m2?(Dm2?2δm2)2](2)Em1Am1=Em2π4[Dm22-(Dm2-2δm2)2](2)式中:E為彈性模量;A為截面積;D為直徑;δ為管壁厚度,并且有Em1=Ep,Am1=Ap/n2。4.4地震計(jì)配置在土層表面布設(shè)4個(gè)差動(dòng)式位移傳感器,用來(lái)測(cè)量地表面沉降,其位置如圖3、圖4所示。4.5壓力罐的嵌入在擋墻主動(dòng)側(cè)埋設(shè)6個(gè)土壓力盒,而在被動(dòng)側(cè)埋設(shè)2個(gè),如圖5所示。4.6各擋墻體的變形為了量測(cè)擋墻變形,沿?fù)鯄ωQ向布設(shè)2道應(yīng)變計(jì),每道應(yīng)變片在擋墻內(nèi)外兩側(cè)對(duì)應(yīng)布置,其位置及通道號(hào)如圖6所示。擋墻變形量測(cè)的原理是假定開挖面以下的擋墻底部位移為0,因此,只要量測(cè)出擋墻上某點(diǎn)處內(nèi)外兩側(cè)的應(yīng)變差(ε1-ε2),便可按下式計(jì)算擋墻變形后的曲率半徑ρ和對(duì)應(yīng)的曲率圓弧角度θ。ρi=d/(ε1iε2i)(3)θ=li/ρi(4)式中:d為擋墻厚度;li為曲率圓弧角度θi度所對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)。由此曲率半徑ρi和θi角度,便可通過(guò)換算得到擋墻上各點(diǎn)的水平位移和豎向位移值。4.7支撐墻的安裝擋墻支撐共設(shè)9道,其尺寸及位置可參見圖7;9道支撐按4列排列,具體位置參見圖3。5試驗(yàn)結(jié)果的分析5.1離心場(chǎng)開挖試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果測(cè)得的擋墻應(yīng)變片讀數(shù),換算出每步開挖并加支撐后擋墻的變形(以擋墻頂端為縱坐標(biāo)原點(diǎn),橫坐標(biāo)以基坑內(nèi)為正)。圖8給出了換算到原型的擋墻變形隨基坑開挖深度的變化規(guī)律。開挖步1是指停機(jī)開挖到設(shè)計(jì)深度,并架設(shè)第一道支撐,再在離心場(chǎng)中運(yùn)轉(zhuǎn)至穩(wěn)定狀態(tài),其他開挖步亦類似。因數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)故障,第2、3開挖步數(shù)據(jù)缺失?；娱_挖試驗(yàn)過(guò)程中,所有模型都是以第一次開挖前固結(jié)穩(wěn)定階段的測(cè)試值作為初值。由圖8可見,擋墻變形隨開挖深度的加深而逐漸增大,并且擋墻水平位移最大值點(diǎn)隨基坑開挖面的下移而下移;從第4道支撐架設(shè)開始,擋墻變形比較顯著;在開挖到第7道支撐時(shí),擋墻水平位移達(dá)到最大值8.3cm,而第8、9次開挖的最大值未有增大,處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),只是最大值點(diǎn)有所下移。試驗(yàn)過(guò)程中,模型支撐是直接頂在擋墻上的,與實(shí)際工程中二者聯(lián)結(jié)成為一個(gè)整體不同,故其只能承受壓力;如果擋墻有向基坑外的位移趨勢(shì)時(shí),擋墻彎曲變形,頂部支撐就會(huì)與擋墻松脫,導(dǎo)致試驗(yàn)過(guò)程中擋墻頂部向基坑外側(cè)移較大,這一點(diǎn)與實(shí)際工程有所差別。5.2坑內(nèi)撓曲的認(rèn)定圖9給出了擋墻彎矩隨開挖深度變化的包絡(luò)線圖,在擋墻的彎矩測(cè)試斷面,向基坑內(nèi)的撓曲定義為正,相反為負(fù)。從上圖中可以看出,在深度約25m處擋墻的彎矩達(dá)到最大值3700kN·m,出現(xiàn)時(shí)間為第7次開挖,這與擋墻變形最大值出現(xiàn)在第7步開挖中的發(fā)生時(shí)間相一致,反應(yīng)了墻體在實(shí)際開挖過(guò)程中的受力情況。5.3支撐的軸力圖10給出了支撐軸力隨著基坑開挖而逐步變化的情況?？梢钥闯?每道支撐的軸力在經(jīng)歷逐步增加并達(dá)到最大值后,隨之逐漸衰減;其次,前3道支撐的起始軸力相對(duì)較小,在500kN左右,而后幾道支撐的起始軸力較大,均在2500kN以上;再次,由于超深基坑的開挖深度大,支撐間距也比普通基坑大,開挖過(guò)程中每道支撐的軸力是相當(dāng)大的,并且前6道支撐在第八道支撐架設(shè)時(shí)軸力最大,這與第7步開挖時(shí)對(duì)應(yīng)的擋墻位移最大有區(qū)別,可能是因?yàn)閾鯄η昂笸翂毫Ψ植及l(fā)生改變的緣故所致,因此,在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)引起重視。此外,從第7道支撐開始,軸力峰值點(diǎn)有繼續(xù)后移趨勢(shì)。5.4基坑內(nèi)土壓力增量的變化圖11給出了隨著基坑開挖的進(jìn)行,擋墻背后主動(dòng)區(qū)土壓力增量的變化情況。可以看出,對(duì)于超深基坑,由于擋墻下部插入土層較深,且其本身剛性較大,因此隨著開挖的進(jìn)行,其背后土壓力呈現(xiàn)上部增加而下部減小的現(xiàn)象。這一點(diǎn)可以從圖12擋墻的變形圖可以看出,即彎曲后的擋墻頂部朝基坑外變形,導(dǎo)致該部位的土體受到擠壓,從而使得土壓力增大;而在靠近開挖面附近的擋墻向基坑內(nèi)變形,即擋墻與其背后土體有脫離趨勢(shì),從而使得該處土體壓力相對(duì)減少。其次,上方土壓力增加值在第7步開挖時(shí)達(dá)到最大,而此后又有所減小,這一點(diǎn)與前述擋墻的變形規(guī)律剛好吻合;與之相對(duì)應(yīng),下方的土壓力則是不斷地減小,這與擋墻的變形最大值越來(lái)越向下移動(dòng)相對(duì)應(yīng)。圖13表示擋墻前方開挖面以下被動(dòng)區(qū)土壓力增量的變化情況?？梢钥闯?深層-55.4m處的土壓力隨著開挖的進(jìn)行而不斷增加;淺層-45.8m處的土壓力先期隨著開挖的進(jìn)行而逐漸增大,但在第7步開挖后卻逐漸減小,這是由于基坑開挖卸載所致。由此可見,被動(dòng)區(qū)土壓力不僅受擋墻擠壓變形的影響(主要表現(xiàn)在深部土體),而且還受上覆土層開挖卸荷的影響(主要表現(xiàn)在坑底淺部土體)。5.5基坑開挖與支護(hù)圖14給出了不同開挖步下的地表沉降變形圖?？梢钥闯?地面沉降隨基坑開挖而逐漸增大,最大值接近16cm。其次,隨著基坑開挖的進(jìn)行,地表沉降槽向