圆形基坑地下连续墙的稳定性分析

1、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. 02 ，设计方法 通常采用经验法、有

2、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 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 33m;采用地下连续墙作为围护结构，初步设计深度为53m, 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3、1

3、、2 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（2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

4、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

5、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

6、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46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 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，允许隆起量门可取为h （开挖深度）的1 % 3 。连续墙深

7、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5-8m的地方;地表沉降影响范围约20 m左右，为开挖深度的050. 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. 52, 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, 199