軟土地區超深基坑變形特性離心模型試驗研究
                    馬險峰1，2，張海華2，朱衛杰3，鄭宜楓3，徐前衛4
    （1.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海200092；2.同濟大學地下建筑與工程系，上海200092；3.上海隧道工程股份有限公司，上海200020；4.上海理工大學土木工程系，上海200093）
    摘要：以上海某挖深38 m的超深基坑工程為背景，利用離心模型試驗研究了兩組類似工況下超深基坑的圍護結構變形、土壓力變化、地表沉降等性狀，同時也探索了主要工程性狀的內在聯系，并與現場施工實測數據結果進行了比較驗證。試驗結果表明：兩組類似工況下超深基坑的開挖性狀近似，其中，圍護結構變形隨開挖的進行而加大，在開挖后期水平位移最大值不再增大，只是最大值點下移，最大值點基本位于開挖面附近；圍護結構后側的土壓力的變化值較好地吻合圍護結構自身的變形狀態；地表位移呈沉槽狀，槽底隨開挖的進行而逐漸加深并外移，試驗結果與實測數據吻合。
    關鍵詞：超深基坑；離心模型；地墻變形；土壓力；地表沉降；現場監測
    中圖分類號：TU471.8文獻標識碼：A文章編號：1000–4548(2009)09–1371–07
    作者簡介：馬險峰(1972–)，男，博士，副教授，主要從事巖土及地下工程數值計算、巖土離心機試驗及地下結構抗震方面的研究。
    E-mail:xf.ma@tongji.edu.cn。
    0·引言
    上海地處典型的軟土區，其土體高孔隙比、大含水率、低強度、高壓縮性及低滲透性等特點[1]使得基坑工程存在很大的風險。近年來，上海地下空間開發速度加快，地鐵建設已進入關鍵發展時期，已建和在建的地鐵線路達10余條，其中越來越多的路線交叉和地鐵換乘車站都要求深基坑開挖，有的地鐵車站的埋深將達地下30～40 m，如11號線徐家匯站開挖深度為27 m，9號線宜山路站開挖深度29 m等，這些基坑已屬于超深基坑工程范疇。城市中心區基坑的設計理念正從強度控制設計轉變到變形控制設計[2]，只有正確認識超深基坑開挖的變形性狀，才能有助于有效地指導超深基坑工程的設計與施工。國內外已有不少學者利用離心模擬手段對基坑工程進行了相關研究，如Bolton等[3]利用劍橋大學離心機研究了開挖深度為10 m的基坑失穩前地下連續墻的變形，并基于土–結構共同作用機理，提出用動員土體強度（mobilizable soil strength）作為控制擋墻變形的重要參數。張師德等[4]針對地鐵一號線徐家匯車站挖深17 m基坑的穩定性進行了離心模型試驗研究。劉金元[5]采用上海現場原狀淤泥質黏土進行離心試驗，研究了深15 m基坑開挖破壞模式等。上述研究主要集中在開挖深度小于20 m的基坑，即一般意義上的深基坑。而目前國內外有關30 m深以上的超深基坑的離心模型試驗的文獻，能夠見到的又很少，先前基坑研究成果能否直接應用于工程實踐難以把握。本文以上海軌道交通4號線修復工程超深基坑為研究對象，利用離心模型試驗，對超深基坑開挖過程中地下連續墻的水平位移量、周圍地層擾動變形量，開挖時基坑土壓力的變化情況等進行研究，加深對超深基坑的變形特性的認識，嘗試發掘超深基坑與淺基坑的開挖共同規律及差異。
    1·工程背景
    上海軌道交通4號線修復工程位于黃浦江邊，采用原位明挖修復總體技術路線，包括東、中、西3個明挖基坑，分別長174，27和64 m。兩端臨界點采用凍結法暗挖，長10 m左右，剩余的兩側完好隧道進行常壓清理，浦東側約1000 m，浦西側約700 m。基坑標準段的開挖深度為38 m，東側基坑的東端頭落深3 m，開挖深度達到41 m。整個基坑自上而下設9道支撐（局部落深處設10道）鋼筋混凝土支撐。基坑的圍護結構為厚度1.2 m，深度65 m的地下連續墻，其接縫采用十字鋼板接頭，接縫處采用坑外旋噴樁止水。整個基坑工程的縱剖面如圖1所示。
    根據詳勘資料，修復原址沿基坑外側（約8 m）地層層位基本上未有明顯差異，僅第②0層在局部有沉陷，層位有一定變化。在兩條隧道軸線中間的地層錯動和塌陷較大，各層土的下陷量在4.5～7 m左右，土體發生大范圍的錯動。地基分層和土的物理力學性質見表1所示。

     2·試驗設計
    2.1試驗設備
    試驗在同濟大學巖土工程實驗室TLJ-150型土工離心機上完成。該離心機最大容量為150 g·t，最大加速度為200g；有效旋轉半徑為3.0 m。離心試驗用大模型箱的有效尺寸為0.9 m×0.7 m×0.7 m（長×寬×高）。
    2.2試驗原理
    土是一種高度非線性的天然材料，其性質與所受的應力水平密切相關。土工離心模擬試驗技術是利用離心力場和重力場等效，將模型尺寸縮小到原型尺寸的1/n，同時作用在模型上的體積力增大n倍，這時模型中各點的應力、應變與原型中對應點的應力、應變相等，原型和模型對應點的位移成n倍關系。利用相似原理可以得到模型和原型各物理量的相似準則[6]。
    2.3試驗工況
    離心試驗進行了兩組工況，工況一是單純模擬東基坑標準段超深基坑開挖過程，該工況的圍護結構是內撐式深65 m的地下連續墻，基坑寬23 m，深38 m，可簡化為平面應變問題，又由于是對稱體系，取半結構進行研究。沿深度方向設9道混凝土支撐，分9次加支撐9次開挖，即9個開挖步。工況二采用與工況一相同的試驗斷面，相同的地層構成，但在地層制備過程中，其固結時間要長一個小時。另外，在擋墻外側局部位置放置高層建筑模型，工況二的目的除對工況一的試驗結果進行驗證外，并考察局部臨近建筑物的變形情況。限于篇幅，本文僅報告基坑本身的變形規律。模型斷面及平面見圖2。

    根據現實條件和工程進度要求，按照實際施工順序，采用常見的停機–開挖–開機方式模擬基坑開挖過程。
     2.4模型率的選取
    依據現場基坑的實際尺寸，模量相似關系，以及模型箱的凈空尺寸，并結合同濟大學TJ-150土工離心機的工作條件，試驗選擇模型率為120，即試驗過程中離心機穩定運轉時加速度為120g。
    2.5模型制備
    為了確保兩個工況下地基模型具有可重復性并有近似的應力分布，試驗中采用在離心場中分層固結法固結土層形成重塑土，土層制備力求標準化、量化，包括土層厚度，固結時間等要保持基本相同，并控制土的重度、含水率和土體強度指標，使試驗土層與現場土層的性質近似。
    因小模型制作條件所限，在模擬超深基坑圍護結構地下連續墻時，根據材料的抗彎剛度用鋁板替代，鋁板厚度7.5 mm；模擬鋼筋混凝土支撐時，根據抗壓剛度等效原則選用空心薄壁鋁管替代，同樣可以得到鋁管直徑與壁厚，空心鋁管平均壁厚1.5 mm，平均外徑為20 mm。
    模型替代材料板的厚度
    δ計算公式[7]
            
    其中E為彈性模量；δ為材料厚度；ν為泊松比；m1ν=pν，m1E=pE，1/m pδ=δn；m2為模型替代材料。
    確定模型試驗中模擬支撐的空心鋁管直徑和壁厚
    計算公式如下式所示：
          
    式中sE，A為現場鋼筋混凝土支撐的彈模和截面積；AlE，AlD，Alδ為模型試驗中鋁管的彈性模量、直徑和壁厚。
    2.6數據采集
    地下連續墻的水平位移通過在地墻的表面貼應變片法得到。根據試驗結果測得的地墻應變片讀數，換算出每步開挖墻體的曲率分布，進而計算出每次開挖后加支撐地下連續墻的變形。具體公式推導過程如下：
    公式適用于小變形曲線。假定光滑曲線是有多段圓弧連接而成，曲線連續，o點是固定點，在一定小角度各段圓弧內每個點曲率相等，見圖3。
           
    （1）直角坐標系與極坐標系方向一致時
           
    （2）極坐標系相對與直角坐標系旋轉角度i時轉動角為i時有
           
    土壓力傳感器固定在基坑外側的地墻模型上，用于測定試驗過程中主動土壓力的變化情況，沿深度方向布置了6只傳感器，土壓力傳感器的詳細布置如圖2所示。
    在土層表面距離地墻外側0.5，5，10和20 cm處依次布置了4只差動式位移傳感器（LVDT），用來測量地表面沉降，如圖2所示。
    3·試驗結果及分析
    為了能夠直觀表達模型試驗反映原型的狀況，將模型地下連續墻的水平位移換算成原型地墻的水平位移，將模型土壓換算成原型土壓力值，將模型地表沉降換算成原型地表沉降。相關數據都是在離心機旋轉穩定狀態下采集所得。
    3.1試驗中土體強度分析
    為了能正確分析試驗數據并對原型結構做出較好的預測和判斷，以便對試驗誤差做出估計，同時考慮到減小試驗之外對土的擾動，在試驗結束后即取土樣對其強度進行了測試，從而能對試驗土層有定性的認識。取土樣位置在模型箱中距離地墻約25 cm，試驗結束后不同土層的含水率和直剪試驗結果見表2。
    從表2可看出，工況二中⑤號土和⑦號土的含水率均比工況一相應土層的含水率略小，同時工況二土層直剪強度比工況一中對應土層的直剪強度大。這主要由于工況二的模型制備固結時間比工況一多一個小時，固結度較高所致。與原位勘探值相比，兩個試驗工況⑤號土層直剪強度均比現場值稍微偏大，⑦號土的內摩擦角較現場值偏小。考慮到土體卸載回彈，取樣過程對土擾動和試驗誤差等，基本認為試驗所得的土層強度指標與現場主要土層原位勘探值接近。
           
    3.2地下連續墻的水平位移
    開挖步一是指第一次開挖到預定深度，再加上第一道支撐，加載到預定離心加速度并穩定的過程。其他開挖步類似。工況一中第二、三兩次開挖步數據因數據采集系統故障而缺失。超深基坑開挖模擬試驗是以第一次開挖前的穩定階段的測試值作為初值（零）。
    從圖4可以看出，工況一和工況二的地下連續墻變形趨勢具有良好的一致性。地墻變化曲線較好的揭示了基坑變形隨開挖深度變化的規律，從圖中可以看出：①隨開基坑深度的加深，地下連續墻水平位移最大值點逐漸下移，第一至第五次開挖時最大水平位移值點位于對應開挖面之下，從第六次開挖開始位于開挖面以上處。②地下連續墻水平位移極值隨開挖深度的加深而增大，變化速率隨著開挖的進行而減小，有穩定收斂的趨勢。③工況一中加第七道支撐并開挖時地墻水平位移到達最大值8.3 cm，為最大基坑深度的0.218%；工況二中同樣也在第七次開挖時地墻水平位移出現最大值5 cm，為最大基坑開挖深度的0.132%。第八、九次開挖時最大值未有增大，處于相對穩定狀態，只是最大值點往下移。工況一、二地墻的水平位移最大值的大小與相應試驗土層的強度大小存在著一定的聯系。④試驗過程中，地下連續墻的頂端出現了向基坑外移動的現象，這主要是與試驗采用的支撐連接形式有關。因為試驗中所采用的支撐是直接頂在地墻上，只能承受壓力，如果地墻有向基坑外的位移趨勢，支撐就會與其松脫，不能成為一個整體。與實際的混凝土支撐連接情況有所差異，導致了地墻頂部向坑外側移。
            
    需要說明的是，離心模型試驗中未對基坑土體采取加固措施，基坑底部沒有底板結構，模擬的是最不利情況。
    3.3地下連續墻的彎矩
    圖5給出兩種工況下地墻彎矩隨深度變化的情況，在地墻的彎矩測試斷面，向基坑內的撓曲定義為正，相反為負。從圖5中可以看出，工況一中第一次開挖地墻彎矩比較小，在深度25 m處地墻的最大正彎矩達到約3700（kN·m/m），出現時間為第七次開挖，與地墻側移最大值發生時間一致；最大負彎矩出現在埋深47 m的地方，最大值為-2700（kN·m/m）。工況二的地墻彎矩變化與工況一類似，最大正彎矩約為2600（kN·m/m）出現在深度25.4 m處，最大負彎矩值在深度47.3 m處，最大負值約為-1450（kN·m/m）。
    從地下連續墻的水平位移分析可得出，工況一的地墻水平位移極大值要大于工況二，而地墻的彎矩則反映了相應墻體在開挖過程中的變形受力狀況。
    3.4土壓力變化
    圖6給出了隨基坑開挖基坑外側土壓力變化情況。可以看出，地墻背后土壓力變化值呈非線性。工況一的開挖初期，土壓力沿深度變化很小，隨著基坑開挖繼續，距離地表較近處的土壓力是變大的，而深處的土壓力則隨著基坑開挖減小了，這說明了隨著開挖加深，距離近地表處土體受到墻體對其擠壓，從而使壓力值增大，深處的土壓力則因地墻向遠離土體的方向運動而減小。土壓力變化值反映：在試驗過程中地墻頂端向基坑外偏移，同時地墻的中下部向基坑內移動。
            
    工況二中基坑開挖過程中淺層處土壓力值變小，但變化量值比較小，區別于工況一，說明工況二中墻體上部沒有像工況一那樣擠壓土體。深處土壓力隨開挖而減小，變化量值明顯較淺層土壓力變化量大，與墻體向坑內位移有關。
    試驗中考慮的土壓力變化的影響因素很少，實際基坑工程中，影響土壓力的除土層的不均勻性、流變性、支護結構特性、開挖暴露時間、開挖次序、挖方大小等眾多因素外，在超深基坑開挖過程中，土壓力還因受到施工進程、土體沉降、施工機械布置等各種因素的影響而發生動態變化。基坑開挖過程中，在墻體背后的土壓力和支撐的共同作用下，地墻產生撓曲變形，引起土壓力的重新分布。
    3.5地表沉降
    由圖7給出的坑外地表沉降曲線可知，工況一的地面沉降也隨基坑開挖而增大，最大沉降值達到26cm。地表沉降呈沉降槽形式，在開挖階段形成。開挖初期地表沉降速率較大，開挖中期沉降速率趨于穩定，第七次開挖時遠離基坑地表出現回彈現象，但接著的基坑開挖使地表沉降加劇，隨著時間變化開挖深度越大沉降速率越大。最大沉降發生在距離基坑側約13 m處，占基坑最大開挖深度的34.2%。
           
    工況二的地面沉降也呈現沉槽形分布，槽底隨著基坑的開挖逐漸向遠離基坑的方向移動，最大沉降量為13.2 cm，位置在距離基坑約12 m處，占基坑最大開挖深度的31.6%。
    由于試驗土層是通過分層固結而成，上述結果受固結影響，同時試驗中并沒有對地表進行任何加固，實際沉降應小于此值。因試驗所研究的區域限制，距離基坑較遠處的地表變化情況未能作考察。地表沉降結果是定性的，但其沉降槽形狀，槽底位置，沉降速率等特點還是能夠為工程實際提供參考。
    4·試驗結果與現場監測值對比分析
    本次離心模型試驗與實際工程緊密結合，因此可以充分利用現場部分實測數據與試驗值進行對比分析，驗證試驗的可靠性和真實性。
    現場測得的地墻水平位移見圖8，可見，實際地墻隨著基坑的開挖水平位移規律與離心模型試驗基本一致，最大側移值49 mm。地墻水平位移實測值比試驗值小，與現場對基坑采取了一系列加固措施，如坑底加固等有關。
           
    現場地表沉降測量值見圖9。由于修復工程現場地表在搶險時擾動較大，采用了注漿、加固及其他工程措施，與天然地表已有較大差別，因此無法就沉降量的絕對值將試驗結果與量測結果比較。但從圖7與圖9中可以看出其分布規律較為一致，都在距離地墻10 m附近地表沉降達到最大值，現場最大沉降量8 mm。
           
    超深基坑工程是一個非常復雜的系統工程，影響因素非常多，對工程結果的分析要綜合考慮。從以上比較結果可以得出，離心模型試驗能夠較真實地再現現場工程狀況，并能反映符合實際的工程規律，同時還可以突出基坑開挖穩定性的主要影響因素及內在聯系。
    5·結論
    本文通過離心模型試驗研究了軟土地區超深基坑開挖過程的工程性狀，通過對試驗過程、試驗方法以及試驗結果的分析，有以下一些結論。
    （1）超深基坑地墻變形隨開挖深度的加深而增大，而且地墻水平位移最大值點隨基坑開挖面的下移而下移，在加第七道支撐并開挖時地墻水平位移達到最大值，第八、九次開挖最大值未有增大，處于相對穩定狀態，只是最大值點位置往下移。墻體最大水平位移基本都發生在當前工況的開挖面附近。這一現象表明，超深基坑圍護結構的變形規律與一般深基坑[8]有較大的區別，其深度效應表現明顯，開挖到某一深度后，地墻位移和彎矩并不像一般深基坑那樣繼續增大，而是處于相對穩定的狀態。
    （2）土壓力的變化較好的吻合了地墻的變形情況，墻體對土的擠壓或偏離都對土壓有所影響。土壓力是荷載作用與結構變形、土體與墻體變形協調的結果。
    （3）超深基坑開挖卸荷使得坑底和周圍土體中的初始應力場發生變化，不僅引起圍護結構的水平位移，并由此引起圍護結構外側土體的位移。試驗表明周圍地表沉降曲線與擋墻的水平位移曲線十分相似，均為凹槽形，槽底隨開挖進行有向外移的趨勢。
    對超深基坑的設計施工目前尚無經驗可循。本離心模型試驗得出的地墻變形，彎矩，土壓力變化和地表位移等特點及其內在聯系，對工程實踐有一定的指導意義。
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