（岩土工程专业论文）圆形基坑地下连续墙不同入土系数时基坑稳定性分析.pdf

摘要 本文叙述了以地下连续墙作为挡土结构的丌挖问题研究现状指出了列圆形 基坑的开掇缝状及 歼挖过穰中基坑豹稳定避行研究的宓要性。 通过对连续墙不同深度时某隧形基坑的设计方案进行离心模型试验，总结了 圆骺基坑丌挖的位移规律，分析了不同入土深度时阐形基坑的稳定性以及承压水 对綦坑稳定的影响。 对一具体工程实例进行开挖过程的稳定性计算分析，歌得一些合理的施工参 数，著羲按空阕效应秘乎嚣应交趣燧黪诗冀缝暴分剿与枣，模型试骏遴孬对篦分 析，对条形基坑坑底稳定性检算的安全系数进行修正。 通过空溷有限元对不溺内径、不同境下连续渚入主涤浚图形鏊坑静开挖遥程 进行模拟，进一步爵求圆形基坑开挖变形性状，获得不同内径时圆形基坑入土系 数合理的敬僵范围，最君穰据试验鞠诗算络莱提密了圆形蒸坑隆越量话筹公式。 【关键词】 圆形基坑地下连续墙綦坑稳定性离心模型试验 数篷摸羧入主系数凌底隆趣窳压承 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h es t u d ya c t u a l i t yo fe x c a v a t e dm a t t e ri nt h ep i tf e n d e db yd i a p h r a g m w a l li sp r e s e n t e d t h en e c e s s i t yo fe x c a v a t e dc h a r a c t e ra n dp i t l ss t a b i l i t yo fe x c a v a t e d p r o c e s s i ss h o w n f o rt h ed e s i g no fd i f f e r e n te m b e d m e n t d e p t h o f d i a p h r a g mw a l lo f ac i r c u l a r p i t ，t h ec e n t r i f u g a l m o d e li so f t e nt e s t e dt os u m m a r i z ed i s p l a c e m e n tl a wo fc i r c u l a rp i tc a u s e db yt h ed i g g i n go ft h e p i t , a n dl 。a n a l y z et h es t a b i l i l yo f c i r c u l a rp i to fd i f f e r e n te m b e d m e n td e p t ha n dt h ei n f l u e n c eo f p r e s s u r ew a t e ro np i ts t a b i l i t y b a s e do nt h ea n a l y t i c a lc a l c u l a t i o nf o rt h es t a b i l i t yo fe x c a v a t i o np r o g r e s so fae n g i n e e r i n g e x a m p l e ，s o m er e a s o n a b l ec o n s t r u c t i n gf a c t o r sa r eo b t a i n e d t h en u m e r i c a la n a l y s i sr e s u l to f 3 d a n dt h a to f 2 da r ec o m p a r e dw i t ht h er e s u l to f c e n t r i f u g a lm o d e l t h e nt h es a f e t yf a c t o ro f s t a b i l i t y v e r i f i c a t i o nf o rr e c t a n g u l a r p i tb o t t o m i sr e v i s e d f o rt h ee x c a v a t i o np r o c e s so fd i f f e r e n ti n s i d ed i a m e t e ra n dd i f f e r e n te m b e d m e n td e p t ho f d i a p h r a g m w a l l o f ac i r c u l a r p i t 。3 d f e m i s u s e d t os t u d y d e f o r m a t i o n p r o p e r t y o f c i r c u l a r p i t , a n d t h er e a s o n a b l ee m b e d m e n tf a c t o ro f d i f f e r e n ti n s i d ed i a m e t e ro f c i r c u l a rp i ti so b t a i n e di nt h et e s t a t l a s t ，e s t i m a t i n gf o r m u l a t i o nf o ru p h e a v a l o fc i r c u l a r p i tb o t t o m i ss u m m a r i z e d k e y w o r d s l c i r c u l a rp i t d i a p h r a g mw a l lp i ts t a b i l i t yc e n t r i f u g a lm o d e l t e s t n u m e r i c a la n a l y s i se m b e d m e n tc o e f f i c i e m u p h e a v a lo f p i tb o t t o mp r e s s u r e w a t e r 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成硕士学位论文“圆型叁埴地工整缍揸丕围厶丕 麴瞳茎埴塑定蛙盆监”。除论文中已经注明引用内容外，对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未 公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：霸j 籀 2 0 0 2 年1 1 月1 0 日 嘲彤蕞坑地下连续端小i 叫八1 二系数时螭坑稳定陛分析 绪论 1 绪论 1 1 背景及意义 1 1 1 背景 近年来，随着城市人口的增加和科学技术的发展，人们有必要也有可能丌发和利 用城市地下空间。出现了地下车库、地下商业街、地下铁道等作为各种用途的地下建 筑结构物，为了在各种不同深度、各种不同土层中建造地下结构，人们发明了各种不 同的施工方法：市区应用较多的有明挖法、沉井法、盾构法等。其中许多工程采用明 挖法施工。在明挖法施工中，以地下连续墙作为挡土结构具有许多优点。该结构具有 刚度大，整体性好，防渗性和耐久性好，对邻近建筑物影响小，能适应各种复杂施工 环境和多种地质条件等。国内外有关研究以地下连续墙作为围护结构的基坑的文章有 很多，但几乎所有论文都限于平面应变问题，对圆形地下连续墙挡土开挖研究的文献 还比较少。在实际的工程实践中，基坑的形状不仅有长条形，还有圆形或其它形状， 有关圆形基坑工程实例见表1 1 。圆形地下连续墙挡土开挖不同于一般的条形地下连 续墙挡土开挖。圆形地下连续墙具有较高的空间结构性，宜于承受开挖引起的侧压力 荷载，墙体变形小；而且环向压力的存在提高了槽段的接头质量，减小了发生渗漏的 可能性。此外，一定厚度的圆形地下连续墙可以进行无支撑大开挖，有利于基坑内部 的施工作业；而条形地下连续墙挡土开挖往往需要设置支撑或土锚。 表1 1国内外圆形基坑的工程实例 内径开挖深入士深 序号 程实例名称地质条件 ( m )度( m )度( m ) 日本川崎东扇岛液冲积层约4 2 m 洪积层约5 0m ，墙底入 15 5 33 9 75 1 3 化天然气地f 车库不透水粘土层 砂层、砂质粉土层、粘士层交互成层， 9 03 9 23 8 密实的砂层、火山灰、砂质粉十层及密 墨西哥城的排水 2 实的膨润士交互成层。1 1 号井2 9 2m 殳 干线隧道施i ：井 有水头1 8 7 5 m 的承乐水，1 3 号井地r ( 1 1 号利13 号) 9 o4 4 654 水位在1 9 m 处。 淤泥质亚粘十层1 2m 粉细砂层5m 浙江炼油厂甬江 31 7 22 0 2 55质粘十层2 4 m ，以f 为孵粘土层地r 管道顶管施1 井 水距地表约o5 m 。 瓣形蔡坑地下述续糍小阔 卡系数崤摹坑稳定秣分析 天津锶厂小方拇连 6 41 5 53 ，0 壤士2 m ，疆精十屠约3 m ，轻谨秸 ： 4 铸稃旋流沉淀池 撼 劳帮磷承泵站_ 方嚣 9 ，4 5o4 4 层约7 m ，地f 水距地嵌约】0 m 。 新填粘十层3 m ，新域中细砂滕7 m ，淤 遘江港三区磷矿泥袋牯+ 蓬3 , 4i t i ，凝繇砂层4l r t ，杂色 52 4 6l 了23 8 码头翻车机房弧粘。卜层4 3m ，以f 为灰向色晰粘十， 地f 水位醚潮经彝变化。 至地面起至约- 6 0m 深的范围内为第四 纪疑辽三角测滨海弼殴揖羟散溅积物， 固雅魔低，土质软弱。地下约6 0m 一 62 6 53 4 71 5 o 裳钢1 5 8 0 菠瀛池- 9 0 m 滚的范嘲内为 垂江河口占漫滩沉 积物，由透水性较好的砂层成此f 为 透水性较差的砂质粉土层。 上海浦东煤气厂南 71 4 61 7 23 8类似宝钢1 5 8 0 旋流池地质条件 线过江顶管工作势 复兴东路电缆隧谶 81 2 ，92 9 5】2 0类似宝钢15 8 0 旋i i ；f 池地质条件 l ： 乍势 9 徐浦太轿3 1 标泻 1 1 23 3 61 3 4类似宝钢15 8 0 旋流池地质条件 l 水工程 。 2 研究意义 目前，各设计单能对圆形基坑连续墙入士深度的墩值变化幅度比较大，通常为了 安全越觅，往往采薅保守的办法，罐翱建下遘续麓静入深浚，葳嚣增秘了不必要豹 旅工难度。由于地下滤续墙的投资费用较大，经过优化设计可以节省的投资非常可观。 特瘸怒对一黧越深密形基坑，在确保篷统稳定豹蘸撬下，采甏舍理豹邃下连续墙入 深度怒非常缀济有效的。 对于因形萋坑，疆护结穗懿受力魄长条形基凌鸯蘩l ，买露明显豹窆趣效废，毽毫 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， 圆形蘩坑静入主系数冒戳双0 , 2 0 。7 之阕交纯，餐漆竣乏成熟懿诗舅方法。爨然少鼗 研究糟对圆形基坑的开挖做过一些研究并取得了一些有价值的研究成果，但对圆形基 坑开懿往软的认识还辩迸一步辨究。 本文将以宝钢集团一上钢一厂旋流池工程为背景，通过离心模型试验和计算分析 对密澎基境蘧下连续壤不曩入深震时基坑野挖的稳定蛙遴行分板，对爨形蘩坑_ 玎携 2 网形璀坑地下连续瑞斗；旧八十系数时基坑稳定性分析 绪论 变形规律进行总结，以期获得圆形基坑合理的入土系数，进一步寻求圆形基坑稳定性 计的算方法。 1 2 研究现状和发展动态 关于以地下连续墙作挡土结构的开挖问题，国内外有很多研究成果。其中主要是 研究基坑和支护结构的变形和稳定问题。研究的方法有有很多，主要分为计算理论研 究和试验研究。 1 2 1 计算理论的发展 计算分析理论包括数值模拟、半理论半经验法及分析试验数据寻求经验解等，以 下将分别阐述。 ( 1 ) 数值模拟 数值模拟由于方便灵活，它几乎能模拟开挖过程中的所有情况，因此在工程界和 学术界都被广泛应用。1 9 6 8 年，o i r i j a v a l l a b h a n 和r e e s e i l 】成功的用有限元计算了挡土 结构。他们分析了两个挡土墙的模型试验。1 9 7 0 年，c h a n g 和d u n c a n ( 2 】用有限元法 对以水泵厂施工现场的基坑开挖进行了分析，用了d u n c a n z h a n g 模型来描述 土的应力应变关系，坑底位移与实测结果近似。1 9 8 4 年，p o t t s 和f o u r i e 3 j 采用有限元 法研究可施工方式和初始应力对单一支撑的挡土墙性状的影响，利用理想弹塑性本构 关系模型模拟土的性状，作者认为土的位移性状及数值取决于基坑的开挖深度、基坑 的几何尺寸、土的性质、支撑点位置等。1 9 8 8 年，杨顺杰【4 】对宝钢热轧厂铁皮坑地下 连续墙进行了有限元分析，获得了开挖过程中墙体和土体中的位移场和应力场，研究 了开挖引起的墙体和土体的性状，提出了该工程合理的入土系数。此外，侯学渊、陈 永福f 5 】，刘国彬【6 】分别以b l o t 固结理论为基础对基坑开挖问题进行过有限元分析， 侯学渊、陈永福还提出了估计深基坑侧边地基土沉降的方法。 ( 2 1 半理论半经验法 计算基坑稳定的半理论半经验法通常是通过极限平衡理论来建立关系表达式，先 假定一种或多种可能的滑动面。这种方法是塑性力学中滑移线场和速度场理论在实际 工作中的运用。t e r z a i g h i 和p e c k 通过设粘土的内摩擦角妒= 0 ，滑动面为圆筒面与平 面所组成来分析基坑抗隆起稳定性问题。 c a q u o t 和k e r i s e l 发展了t e r z a i g h i 和p e c k 验算法，认为基坑开挖时，基坑底面 土体沿着假定的曲线滑动抬高。根据滑动线理论，推导出了确定墙体入土深度的公式。 同济大学汪炳鉴 7 1 参照p r a n d t l 及太沙基的地基承载力公式，将墙底的平面作为求 网形基坑地下连续瑞卟间入土系数时基坑稳定性分析1 绪论 极限承载力的基准面，假定滑动线形状如图1 - 1 ， 于条形基坑，经多项工程验证，和实测结果相符。 。- v 一+ 2 一 推导出基坑隆起安全系数公式，对 距坑边距离 丌挖深j 韭 ； 1 1 1 ， i 软硬秕土层+ 般施工技术。 ，姜妻毒三一，j ； j g ! c ua ，很软轵糌土 ，1 、。 岛e ( i ) 挖* 6 1 i i 议f 挖土渫应有雌 j l 刈u u l u l “卅1 u 1 = 一 、7 一 ： 1 _ 、 一l 一一 、一上， 闰1 - 1同时考虑c 、p 的抗隆起示意图 ( 2 )挖掘蕊以下粘土深度较大但n b ：兰二f = 曼! 图2 - 6 基坑模型围护结构截面图m m 根据相似理论，本次试验模拟的结构为地下连续墙、内衬和支撑环梁，主要考虑 材料的等效刚度，等效抗压强度，同时考虑模型的加工制作方便。最后确定连续墙、 内衬和支撑环梁的模拟采用与钢筋混凝土弹性模量相近的铝合金材料。基坑模型围护 结构截面图如图2 - 6 所示。 幻地下连续墙厚1 m ，采用铝合金板模拟： m - 分号 v 。o 3 3 y 。= o 1 7 3 、 e e 。, m l + 一v v , , m 1 - + v p1 - 一2 v , 11 v p 1 2 v ：、e 。一 + 一p e 。= 7 1 x 1 0 4 m p op 。= 2 5 6 0 k g m 3 e ，= 4 0 x 1 0 4 m p 。p p = 2 5 0 0 k g m 3 f 。= 1 0 0 0 m m t 。24 r a m v 。e 。p 。一模型的泊松比、弹性模量、密度 蓍 网形基坑地下连续端不h 入土系数时基坑稳定性分析 2 离心模型试验与相似原理 v p ，e p ，p 。一原型的泊松比、弹性模量、密度； t m 、t 。一模型与原型的厚度。 b ) 内衬厚o 6 m ，采用铝合金板模拟： ，口= 6 0 0 m m，。= 2 5 r a m c ) 圈梁、支撑环梁的截面尺寸为l m 2 m ，采用铝条模拟： ，p l = 1 0 0 0 r a mf 。，】= 4 r a m ，p 2 = 2 0 0 0 m mf m2 = 8 m m ( 6 ) 试验流程 本次试验分别对连续墙深为4 8 m 、5 3 m 和5 7 m 的三种不同入土深度的基坑开挖 进行模拟。对连续墙深为4 8 m 和5 3 m 这两种方案，重点针对3 层土中的承压水头对 坑底稳定的影响进行对比研究，分别模拟承压水头为4 6 8 m ( 从2 层底面算起) 和 降水两种情况；当连续墙深为5 7 m 时，按最不利情况进行考虑。只考虑有4 6 8 m 高 承压水头时情况。共做了五组试验，试验流程如下图2 7 所示。 原状土制成土膏 土体固结 圈2 7 试验流程圈 _l_l fl 芋 匝 圆形基坑地下连续墙不同八土系数时基坑稳定性分析 2 离心模型试验与相似原理 2 2 3 试验过程及资料分析 2 2 3 1 连续墙深为4 8m 的开挖过程模拟 试验1 模拟连续墙深4 8 m ，入土深度为1 5 m ，考虑承压水头作用的开挖过程。设 计方案分六步开挖，第一步开挖至深9 5 m ；第二步开挖至深1 6 m ，先施工圈梁，然 后加衬砌至深9 5 m ：第三步开挖至深1 8 m ，加衬砌至深1 6 m ；第四步开挖至深2 3 m ， 加衬砌至深l8 m ；第五步开挖至深2 9 m ，加衬砌至深2 3 m ；第六步开挖至深3 3 m ，加 衬砌至深2 3 m ，在深2 8 m 处加一道圈梁。为了减少停机开机次数，将上述六步开挖 支护简化为四步开挖，第一步开挖深度1 7 m ，第二步开挖深度2 3 m ，第三步开挖深度 2 8 m ，第四步开挖深度3 3 m ，水头高度均为4 6 8 m ( 从2 层底面算起) ，衬砌深度详 见每步开挖基坑立面图。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1 8 0 9 ，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。 图2 - 8 模型布置平面图 图2 - 9 试验模型立面图 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。模型布置平面图如图2 - 8 所示。开挖到坑底模型立 面图如图2 9 所示。 1 ) 开挖深度1 7 m 基坑开挖深度至1 7 m ( 模型基坑开挖深度9 4 4 m m ) 时，基坑开挖立面图如图2 1 0 所示，坑底隆起、地表沉降及连续墙位移如图2 1 1 所示： 囊 、：一尊o i j ； j 盖 ；术 嚣 u 皇自 _ ：卜 - 1 r j r t 图2 - 1 0 试验1 开挖深度1 7 m 时基坑立面图图2 一儿试验1 开挖深度1 7 m 时基坑位移 一一f 圆形基坑地下连续墙不同入土系数时基坑稳定性分析 2 离心模型试验与相似原理 2 ) 开挖深度2 3 m 基坑开挖深度至2 3 m ( 模型基坑开挖深度1 2 8 m m ) 时，基坑开挖立面图如图2 - 1 2 所示，坑底隆起、地表沉降及连续墙位移如图2 1 3 所示： ；= 甄 j e 1 ：， ； ： 亦 o 惜 上u 。摄 “。皿l l 堡：l _ 主一! ! ： 卜一 ：墓 5 图2 - 1 2 试验1 开挖深度2 3 m 时基坑立面图 圈2 1 3 试验1 开挖深度2 3 m 时基坑位移 3 ) 开挖深度2 8 m 基坑开挖深度至2 8 m ( 模型基坑开挖深度1 5 6 r a m ) 时，基坑开挖立面图如图2 1 4 所示，坑底隆起、地表沉降及连续墙位移如图2 一1 5 所示： j * i i 盯 i 随 t 一， ； 一 ： t # 喜 叛 ；苎孥一拳港： ：- ，：， j _ 良& 。 j- j 婴 酣i i 卜 上 ，1 r 咭 图2 1 4 试验1 开挖深度2 8 m 时基坑立面图 图2 1 5 试验1 开挖深度2 8 m 时基坑位移 4 ) 开挖深度3 3 m 基境开挖深度至3 3m ( 模型基坑开挖深度1 8 3m m ) 时，基坑开挖立面图如图2 1 6 所示，模型变形图见图2 1 7 ，坑底隆起、地表沉降及连续墙位移如图2 1 8 所示，地表 沉降影响范围为2 2 5 m 。 圆形基坑地下连续墙不同入土系数时基坑稳定性分析 2 离心模型试验与相似原理 图2 - 1 6 试验1 开挖深度3 3 m 时基坑立面图图2 1 7 试验l 开挖深度3 3 m 时模型变形图 f 二) ， 一 女二。：93 。4 o p _ _ _ 二三= = j ，一 - n r 、一，一一 图2 一1 8 试验1 开挖深度3 3 m 时基坑位移 试验l 不同开挖深度基坑坑底隆起、地表沉降和连续墙水平位移最大值如表2 5 所示： 表2 - 5 墙深4 8 m ( 有承压水) 基坑的最大位移 竺 坑底隆起地表沉降连续墙水平位移 开挖深度( 高卜、( c n l ) ( c m )( e r a ) 1 71 0 24 2i 5 2 31 6 、47 52 2 82 4 89 3 3 6 3 33 4 21 3 66 2 2 3 2 连续墙深4 8m 的降水效果模拟 试验l 考虑有承压水时基坑的位移，而在实际施工中，采用了降水措施，试验2 模拟连续墙深4 8m 。开挖深度3 3 m ，不计承压水头作用时情况。试验2 与试验l 进 行对比，只考虑最后一次开挖( 基坑结构位移最大时) ，水位线及试验模型布置如图 2 1 9 所示，坑底隆起、地表沉降及连续墙位移如图2 2 0 所示，地表沉降影响范围为 2 1 8 m 。 圆形基坑地下连续墙不同入土系数时基坑稳定性分析 2 离心模型试验与相似原理 ； 建 巨 ； ：f ；一 兰 口# 一7 r r h 。 0 目 e e 图2 1 9 试验2 基坑立面图 图2 2 0 试验2 开挖深度3 3 m 降水后基坑位移 试验2 基坑坑底隆起、地表沉降和连续墙水平位移最大值如表2 - 6 所示 表2 - 6 墙深4 8 t a ( 降水) 基坑的最大位移 l 开挖深度( m ) 坑底隆起( c m ) 地表沉降( c m )连续墙水平位移( c m ) 3 3 ( 降水) 3 0 41 1 25 5 2 2 3 3 连续墙深为5 3n l 的开挖过程模拟 试验3 模拟连续墙深5 3 m ，入土深度为2 0 r a ，考虑承压水头作用的开挖过程。试 验开挖过程模拟同试验1 。试验模型立面图如图2 2 2 所示。 1 ) 开挖深度1 7 m 基坑开挖深度至1 7 m ( 模型基坑开挖深度9 4 4 m m ) 时，基坑开挖立面图如图2 2 1 所示，坑底隆起、地表沉降及连续墙位移如图2 2 2 所示： 图2 - 2 l 试验3 开挖深度1 7 m 时基坑立面图图2 2 2 试验3 开挖深度1 7 m 时基坑位移 2 ) 开挖深度2 3 m 基坑开挖深度至2 3 m ( 模型基坑开挖深度1 2 8 m m ) 时，坑底隆起、地表沉降及 连续墙位移如图2 2 3 所示。 3i 一 圆形基坑地下连续墙习i 同入士系数时基坑稳定性分析2 离心模型试验号枢似原理 巨= 兰= ! 兰= 二兰二：；二l 二 叶 。 h _ c 图2 - 2 3 试验3 开挖深度2 3 m 时基坑位移 3 ) 开挖深度2 8 m i 产芸当一一j 圈2 - 2 4 试验3 开挖深度2 8 m 时基坑位移 基坑开挖深度至2 8 m ( 模型基坑开挖深度1 5 6 m m ) 时，坑底隆起、地表沉降及 连续墙位移如图2 2 4 所示。 4 1 开挖深度3 3 m 基坑开挖深度至3 3r t l ( 模型基坑开挖深度1 8 3m m ) ，坑底隆起、地表沉降及连 续墙位移如图2 2 5 所示，地表沉降影响范围为2 4 4 m 。 i e 二= ) ：睦l 旦! 当j 芷 p 、，一 日f # 图2 2 5 试验3 开挖深度3 3 m 时基坑位移 试验3 不同开挖深度基坑坑底隆起、地表沉降和连续墙水平位移最大值如表2 7 所 不。 表2 _ 7 墙深5 3 m ( 有承压水) 基坑的最大位移 淤 境底隆起地表沉降 连续墙水平 开挖深度( i 矿、( e r a )( c m )位移( c m ) 1 79 53 81 2 2 31 5 25 62 2 2 8 2 1 57 3 3 4 3 32 7 89 74 7 2 2 3 4 连续墙深5 3m 的降水效果模拟 试验3 考虑有承压水时基坑的位移，试验4 模拟连续墙深4 8m ，开挖深度3 3 m ， 。一一 l ，一 ! 燮些堕堡些至旦垒圭墨塑堕墨堕登塞丝坌塑 ! 堕：堂塑型蔓丝兰塑型垦型 采用了降水措施，不计承压水头作用时情况。试验4 与试验3 进行对比，只考虑最后 次开挖( 基坑结构位移最大时) ，水位线及试验模型布置如图2 - 2 6 所示，坑底隆起、地 表沉降及连续墙位移如图2 2 7 所示，地表沉降影响范围为2 3 2 m 。 、3 幅 。! 。l 图2 - 2 6 试验4 基坑立面图 图2 2 7 试验4 开挖深度3 3 m 降水后基坑位移 试验4 基坑坑底隆起、地表沉降和连续墙水平位移最大值如表2 8 所示： 表2 8 墙深5 3 m ( 降水) 基坑的最大位移 l 开挖深度( m )坑底隆起( c m ) 地表沉降( c m )连续墙水平位移( e r a ) 3 3 ( 无承压水) 2 5 39 24 2 2 2 3 5 连续墙深为5 7m 的开挖过程模拟 试验5 模拟连续墙深5 7 m ，入土深度为2 4 m ，考虑承压水头作用的开挖过程。试 验开挖过程模拟同试验1 ，试验模型立面图如图2 2 8 所示。 1 ) 开挖深度1 7 m 基坑开挖深度至1 7 m ( 模型基坑开挖深度9 4 4 r a m ) 时。基坑开挖立面图如图2 2 8 所示，坑底隆起、地表沉降及连续墙位移如图2 2 9 所示： 隆 # _ - i i0 - 、 - ；4 一 ”“l ”f ” - 二二= = ；二；= ；a 图2 2 8 试验5 开挖深度1 7 m 时基坑立面图图2 - 2 9 试验5 开挖深度1 7 m 时基坑位移 2 1 开挖深度2 3 m 基坑开挖深度至2 3 m ( 模型基坑开挖深度1 2 8 m m ) 时，坑底隆起、地表沉降及 连续墙位移如图2 3 0 所示： 圆形基坑地下连续墙不同入土系数时基坑稳定性分析 2 离心模型试验与相似原理 “r r 一 u ? i r 。i 一 r 咄“一 ，窒! 生三 一一，一 ，j f l # l h i 坚 。 图2 3 0 试验5 开挖深度2 3 m 时基坑位移图2 - 3 1 试验5 开挖深度2 8 m 时基坑位移 3 1 开挖深度2 8 m 基坑开挖深度至2 8 m ( 模型基坑开挖深度1 5 6 m m ) 时，坑底隆起、地表沉降及连 续墙位移如图2 3 1 所示，地表沉降影响范围为2 5 5 m 。 4 ) 开挖深度3 3 m 基坑开挖深度至3 3m ( 模型基坑开挖深度1 8 3m m ) 时，坑底隆起、地表沉降及 连续墙位移如图2 3 2 所示。 图2 3 2 试验5 开挖深度3 3 m 时基坑位移 试验5 不同开挖深度基坑坑底隆起、地表沉降和连续墙水平位移最大值如表2 - 9 所示 表2 - 9 墙深5 7 m ( 有承压水) 基坑的最大位移 名称坑底隆起地表沉降连续墙水平位移 开挖深度抓c c m )( e r a )( e r a ) 1 76 5 3 51 1 2 31 3 65 4i 8 2 8 1 6 87 o3 3 3 31 9 18 3 3 7 一 一l ! _ i 厕形基坑地下连续墒水j 刊入土系数时摹坑稳定性分析 2 离心模型试验与相似原理 2 2 3 6 试验结果分析 1 ) 试验结果对比 本次土工离心模型试验共做了5 组试验，连续墙深4 8 m 有承压水时的开挖模拟， 连续墙深4 8 m 的降水效果模拟，连续墙深5 3 m 有承压水时的开挖模拟，连续墙深5 3 m 的降水效果模拟，连续墙深5 7 m 有承压水时的开挖模拟，现将主要数据对比如表2 1 0 所示。 表2 1 0 试验结果对此 嘉蒜o ! 坑底最大隆起地表最大沉降连续墙最大水平位移 连续墙深度( m r ( c m )( c m )( c m ) 4 8 ( 有承压水) 3 4 21 3 66 4 8 ( 降水) 3 0 4 1 1 25 5 5 3 ( 有承压水) 2 7 89 74 7 5 3 ( 降水) 2 5 3 9 24 2 5 7 ( 有承压水) 1 9 18 33 7 2 ) 变形 从试验数据来看，旋流池基坑墙体位移较小，坑底隆起量约为坑外地表沉降量 的3 倍，地表沉降量约为墙体位移值的2 倍，这说明圆形基坑围护结构空间效应明 显。随着开挖的进行，坑周边土和坑底变形逐渐发展。开挖深度较小时，变形随开 挖深度的变化较缓慢；开挖深度较大时，位移曲线的切线斜率明显增大，尤其是坑 底隆起。对于圆形深基坑，坑底隆起是决定基坑稳定首要因数，与文献1 6 】【7 j 的分析 是一致的。 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，沉降最大值发生在离连续墙5 m s r n 的地方，地表沉降 影响范围为2 2 m 2 5 5 m ，为开挖深度的( o 5 o 7 ) 倍。按规范1 3 】地表沉降影响范围 估算公式进行估算：s 。= h t g ( 4 5o 一妒2 ) = 3 6 9 m ，( 试中h 为连续墙高度，取最 小值4 8 m ；p 为整个墙高范围内土层的加权平均内摩擦角，取1 4 9 0 ) 。试验地表沉 降影响范围小于规范估算值。这是因为规范是按长条形基坑来考虑，实际上圆形基 坑的沉降范围要比等直径宽度的长条形基坑影响范围小连续墙的位移较小。旋流池 基坑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。 3 1 基坑稳定性分析 从位移的大小分析基坑稳定性。从图2 - 3 3 、图2 - 3 4 、图2 3 5 可见，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p 】可取为h ( 丌挖深度) 的1 【9 1 。连续墙深5 7 m 和5 3 m 时，基坑隆起均小于允许值，基坑是稳定的；连续 3 0 圆形基坑地下连续墙不同入土系数时基坑稳定性分析 2 离心模型试验与相似原理 墙深4 8 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，八土 系数大于0 4 5 时，基坑是稳定的。入土系数0 4 5 可作为旋流池基坑的临界入土系 数。 l三 l 受生旦至= ：二 i ：1 5r 3 0l 一4# 22 o 2”一；h l ； | ；： 一i + _ 睁# 5 二 o02 a，04 f l “2 m - ) 图2 3 3 开挖深度一坑底隆起曲线( 不降水)图2 3 4 开挖深度一坑墙体水平位移曲线( 不降水) 图2 - 3 5 开挖深度一地表沉降曲线( 不降水) 4 ) 承压水对坑底稳定性的影响 承压水分为两层，因上部承压水被连续墙完全封隔，厚度不大，含水量有限，且 在施工中采用明排水进行疏干，故对坑底稳定性的影响较小。下部承压水层埋藏在 3 层及以下( 5 6 m 深以下) ，从含水层顶板( 3 层底面) 算起，水头高度为4 6 8 m 。坑内 与坑外贯通，对基坑的稳定有一定的影响。 按规范【靶抗承压水稳定计算公式：l x h t h l y = 3 1 m ( k ，= 1 2 ，y 。= l o 删m 3 ，h 2 4 6 。8 m ，y = 1 8 5 k n m 3 ) 式中厅即为降水前承压水层所需上覆土层厚度，故基坑开挖至2 4 m 深之前， 须对下部承压水层( 3 层) 提前采取降水措施，进行坑内降水。 从试验结果来看，即使不采用降水措旌，最不利情况连续墙深48n l 基坑也是 稳定的。这是因为规范在检算抗承水稳定时只考虑了土体容重，忽略了土体本身的 抗剪强度，以及圆形基坑的环向挤密作用。由此可见，对于圆形基坑底部有承压水 情况，如采用规范法进行简算比较保守，但这在工程上是能够接受的。 从表1 0 可见，连续墙深4 8 m 时，降水效果比较明显，随着入土深度的增加， 降水效果减弱。这是由于入土深度的增大，连续墙对坑外土体的抵抗作用增强，进 一步阻止了抗外土体向坑内的滑动，坑内土体扰动变小；另一方丽连续墙在承压水 层的插入深度变大，在一定程度上起到了隔离坑外承压水的作用。因连续墙深4 8 m 时降水效果明显，为安全起见，建议在施工中采取降水措施。 !a：a-0 0 v 蝴世世霉 网形基坑地下连续端4 ；俐入士系数时基坑稳定性分析 2 离心模型试验o 相似原 坐 2 3 本章小结 通过本次土工离心模型试验，可获得以下结论及建议： 1 ) 圆形基坑开挖引起的地表沉降影响范围小于规范计算值，坑底隆起量约为坑 外地表沉降量的3 倍，地表沉降量约为墙体位移值的2 倍。 2 ) 试验中降水对减少基坑的变形有一定作用，建议在施工中采用降水措施。 3 ) 考虑到圆形基坑的空间效应以及本工程周边环境没有重要建筑物和管线，可 以适当放松现规范对墙体水平位移和地表沉降的要求。试验结果表明当连续墙深为 4 8 m 且采取降水措施时，基坑整体处于稳定状态，但坑外的地表沉降和连续墙水平位 移大于现规范的规定，建议在施工中对墙体位移和地表沉降( 含分层沉降) 进行观测， 以便采取相应的工程措施，同时积累数据，为今后同类工程提供服务。 4 ) 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 3 0 m 的圆形基坑，连续墙入土系数可取o 4 5 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 4 参考文献 ( 1 上钢一厂旋流池：口里勘察报告，冶金工业部武汉勘察研究院，2 0 0 2 2 】包承刚，饶锡保，李玫岩土工程中离心模型试验的现状和若干技术问题土工基础，第4 卷 第1 期，1 9 9 06 【3 】相似理论与模型试验，语南交大教材，1 9 9 8 4 4 】徐挺，相似理论与模型试验，中国农业机械出版社，1 9 8 2 【5 】上海软土地层和地下结构的共同作用一土工离心模型试验研究( 国家自然科学基金资助项日) 上海铁道学院，1 9 9 5 3 1 6 c l o u g h 、d u n c a n ，f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s o f r e t a i n n i n g w a l l b h a v i o r ，a s c e ，s m l 2 ，1 9 7 1 7 1 杨顺杰，王锦成，大深度圆形地下连续墙的有限元分析，冶金总院硕士论文，】9 8 8 年 8 1 8d b j 0 8 6 1 。9 7 上海市标准基坑工程设计规程 【9 】侯学渊，夏明耀等，软土深基坑工程的稳定与隆起研究【a 】深基坑施工技术交流会论文集【c 】 上海市土木工程学会，1 9 9 1 1 2 【1 0 张师德、张惠甸等徐家汇地铁车站槽坑稳定性研究，上海铁道学院学报，1 9 9 3 ，1 4 ( 3 ) 1i 】孙均、侯学渊地下结构，科学出版社1 9 8 8 圆形基坑地下连续墙不同入土系数时基坑稳定性分析3 圆形基坑开挖的计算分析 3 圆形基坑开挖的计算分析 3 1 土体材料的力学模型 目前，已提出了大量的土体本构关系模型理论，有以下几类：一是弹性非线性理 论。以弹性理论为基础，在各假设的荷载增量范围内，把土看作是弹性材料，从 个荷载增量变化到另一个荷载增量，土体的弹性常数发生变化，以考虑非线性。二是 弹塑性理论。认为土体的变形包括弹性和塑性变形两部分，把弹性理论和塑性理论结 合起来，建立本构模型。根据材料单轴拉压试验的应力应变曲线形式之不n t 2 j ， 可以分成三类 3 1 ：( 1 ) 理想弹塑性；( 2 ) 应变硬化材料；( 3 ) 应变硬化软化材料， 其曲线见图3 1 。三是粘弹塑性理论 4 j 。体现材料的松弛和蠕动。目前应用较多的是 建立在唯象理论基础上的粘壶与弹簧或圣文南三元件的组合体，最为典型的是五单元 模型，见图3 2 ，其由三部分串联而成，第一部分为瞬时弹性体，第二部分为粘弹性 体，即初始应力粘壶玑承担，随着时间的推移，逐渐将粘壶上的力转移给与之并联 的弹性元件，第三部分为粘壶与圣文南体的并联，屈服之前粘壶不起作用，屈服以后 圣文南体开始滑移，粘壶产生粘滞效应。其它的粘性模型与之有相通之处。对粘性模 型来说，参数的确定是非常困难的。四是散体力学模型 开挖理论】。其模型是针对粒 性土而提出来的，事实上，以上三种理论都具有“连续”的特征，而真实 b j jj 7 。 1 c ( a ) 理想弹塑性材料 引 s i k 三上上 ( b ) 应变硬化材料( c ) 应变硬化软化材料 图3 1 应力应变曲线图 强叩2 e 2 6 ， 图3 - 2 五单元粘弹塑性模型 卜一 圆形基坑地下连续端小同入i 七系数时挂坑稳定性分析 3 圆形撼坑开挖的汁算分析 情况并非如此，至少砂土应是更按近于散体，粘土从某一尺度上衡量，也带有散体的 特征。散粒模型主要讨论粒间的摩擦接触，同时讨论单粒平衡、整体平衡、颗粒处于 非极限状态和颗粒处于极限状态等几个方面。本理论的研究尚处于起步阶段，就建立 模型的合理性问题、相应的实用参数的试验确定方法都还未涉及。 下面详细介绍弹性非线性模型和塑性模型。 3 1 1 弹性非线性模型 弹性非线性模型是根据广义虎克定律建立刚度矩阵p 。考虑到非线性，包含在 矩阵【d 中的弹性常数e ，矿不再视为常量，而是视为随应力状态改变的交量，当土 体处于某一应力状态p 】时，若施加微小的应力增量 盯 ，则可用该应力状态下的弹 性常数写成矩阵 d 】或其逆矩阵 c 】，来计算相应的应变增量 占 。这时广义虎克定律 写成下式： 盯 = 【d 拾占 ( 3 1 ) 这里刚度矩阵称弹性矩阵【5 1 ： ( d 】= 硐s o - y ) 。硐1 - 2 v 。 。 2 1 1 一矿l 0 0 0o o0 。丽1 - 2 v 。 o ( 3 1 ) 其中e ，p 是应力状态的函数。问题在于土体的e ，矿如何随应力变化，怎样建 立其关系式。目前广泛采用的为邓肯一一张双蓝线模型和以杜马斯霍克为代表的 k g 模型。 3 1 1 1 e 一2 模型 邓肯和张等人以常规压缩固结试验所得的p 一巳卜乞( 轴向应变) 一组 南击。 南：万：里h 圆形基坑地下连续墙不同入土系数时基坑稳定性分析 3 圆形摧坑开挖的计算分析 ( 盯，= 常数) 试验曲线( 加工硬化模型) 为依据，找出一个共同的数学表达公式， 以此推导出切线模量e ，。 同时结合试验所得的体积应变s 。与占。的关系曲线将泊桑比y ，的变化公式推导出来。 邓肯和张采用下列双曲线公式代表正常固结粘性土试验曲线，即当o 3 = 常数时，有 图3 - 3 应力应变双曲线函数 图3 - 4 双曲线函数坐标变换 h 咱) 2 去 其中：口、b 为试验常数。应力应变关系如图3 - 3 ，将上式改写为： ( 3 - 3 ) 鱼= a + b z o ( 3 _ 4 ) 吼一吧 视为一直线方程，形式如图3 - 4 ，直线截距为口，斜率为b 。 由公式( 3 3 ) 可知，当巳哼。o 时，偏差应力p 。一0 3 ) 趋向一极限值p 。- o - 3 ) 。，其 值为吉。 将土样破坏时的偏差应力记为( q 一吒) ，令毋为破坏比，记为r ，= 币o _ l - - 石0 瓦 3 ) 2 ： 对( 3 - 3 ) 式求导，切线模量： e = 掣= 晶 初始切线模量，即s 。= 0 时的切线模量； e = 去 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 3 5 圆形基坑地下连续墙不同八土系数时基坑稳定性分析 3 圆形撼坑开挖的计算分析 根据摩尔库仑破坏准则 0 - i - - 0 - 3 ) ，= 塑警 ( 3 7 ) 练台以上吾式，口j 得： 耻 ，一装蒜爿 2 e f p s ， 随着围压q 值的不同，试验曲线也将不同，e 值必然随之变动，e 采用下式计 算【l o ： 弘蛾引 。母 式中：p 。为大气压力，只是为了经验公式的量纲平衡而设的：k 、 试验常数，对于 n n 土n ，七值可能小于1 0 0 ，也可能大于3 5 0 0 ，行值一般在0 2 1 0 ；之- i n 。 从而： 耻1 r ：( 1 - s i n 口x 0 - 0 3 ) 2 圮 ( 3 _ t o ) 上式反映了弹性模量随固结压力增加而增加，随应力水平增加而降低。式中包含 了五个参数，c 和妒是强度指标，另外三个指标的确定如下，将每一条( 吼一盯，卜s 。曲 线转换为生毛坐标系中的一条直线，得出相应的口和b 值，口的倒数为e ， c r l 一0 3 不同的曲线对应不同的e ，在双对数纸上点绘每和关系号，得直线，确定i 和m 用破坏偏差