维普资讯 http://www.cqvip.com 工程科技 ２００６年第１期 ３１ 咬合桩围护结构基坑开挖变形性状的 离心模型试验分析 第五工程有限公司 何泽刚 【摘要】本文通过土工离心模型试验，研究压缩性高、孔隙比大、强度低等特点的全新世冲淤沉积层地 层中使用全套管咬合桩围护结构的技术可行性，基坑开挖时围护结构的位移、周围地层的变 形、基坑隆起等，综合评定基坑的稳定性。 【关键词】土工离心试验咬合桩围护结构基坑 １前言 南京某地铁车站采用明挖法施工，并将全套管钻孑Ｌ灌注桩（钢筋混凝土桩咬合素？昆凝土桩）作 为其围护结构。套管钻孑Ｌ咬合灌注桩在国内作为一种新型围护结构，其设计方法还只处于摸索阶 段，只能借用排桩或者连续墙的设计思路结合工程经验进行设计。所以，目前只能通过少量的实际 工程实测数据进行反馈分析研究。对一种新型围护结构的研究，一般采用三种方法进行分析：模型 试验、现场原位测试、数值计算。对模型试验而言，由于在岩土工程中，土自重引起的应力通常占支 配地位，土的力学特性随应力水平而变化，常规小比尺模型由于其自重产生的应力远低于原型，因 而不能再现原型的特性。解决这一问题的有效途径是提高模型的自重，使之与原型等效，将模型置 于特制的离心机中，使１／ｎ缩尺的模型在离心加速度的空间进行试验。由于惯性力与重力等效，高 加速度不会改变工程材料的性质，从而使模型与原型的应力应变相等、变形相似、破坏机理相同，能 再现原型特性，这方法就称为土工离心模型试验。本文通过离心模型试验分析咬合桩新型围护结 构基坑开挖的变形性状：围护结构的变形、基坑外侧地表沉降、坑底隆起等，进而对咬合桩围护方案 技术可行性进行分析论证。 ２工程地质概况 ２．１工程概况 南京某地铁车站为全地下二级车站，整个车站建筑物由主体、出入１２１及风道三部分组成。车站 主体为两端设端头厅的侧式站台车站，车站中部为地下单层双跨箱形框架结构，两端头厅为双层双 跨（或多跨）箱形框架结构，采用明挖法施工。本站同时为两条地铁线的换乘车站，换乘节点与本站 同时施工，并预留与远期地铁线车站的连接条件，车站主体全长约２４０ｍ，基坑开挖深度为１３．Ｏｍ （换乘节点区基坑开挖深度１９ｍ，其中换乘节点区段长约为２３ｍ）。采用全套管钻孑Ｌ咬合灌注桩（钢 筋混凝土桩咬合素混凝土桩）作为施工期间的基坑支护，素混凝土桩采用Ｃ２５超缓凝混凝土，钢筋 混凝土采用Ｃ３０水下灌注混凝土，咬合桩同时又是永久结构的一部分，桩与主体结构内衬墙之间 设柔性隔水层，咬合桩桩径为１．Ｏｍ，咬合量为２０ｃｍ；支撑采用＇ｂ６０９ｍｍ钢管，水平间距为３ｍ（见图 １）。 维普资讯 http://www.cqvip.com ３２ 咬合桩围护结构基坑开挖变形性状的离心模型试验分析 ２．２工程地质条件 本地铁车站所穿越的地层在 清代还是长江的漫滩，大部分区域 还处在水域之中，属全新世地层， 具有压缩性高、孔隙比大、强度低 等特点，埋深１８ｍ左右的砂层中， 具有承压水层，该承压水与长江联 通。根据勘察单位提供的工程勘 察报告，南京地铁沿线在勘察深度 范围内地层层次较多，土层厚度的 变化较大，局部含有透镜体。所穿 图１基坑横断面图及咬合桩平面布置 越土层的具体物理力学指标见表１。 表１ 试验一土体特性 序号 层号 土名 厚度 含水量 重度 孔隙比 塑性指数 液性指数 粘聚力Ｃ 内摩擦角中 压缩模量 ～２ （ｍ） （％） （ｋＮ／ｍ３） Ｉｐ ＩＬ （ｋＰａ） （。） （ＭＰａ） １ ①～１ 填土 １．１０ ２ ②～２ 粉质粘土 ｉｉ．９４ ４０．９ １７．７ １．１７５ １４．６ １．４２ １０．９ １９．８ ３．Ｏ３ ３ ②～４，：１３ 中砂 １．９ ２２ｌ８ １９．４ ０．７１７ １０．５ ３３．４ ｌ８．４９ ４ ②～５（Ｉ２—３ 粉细砂 ６．９ ２７．９ １８－８ ０．８３１ ７．８８ ３２．７ １５．２５ ５ ②～６ｄＩ一２ 粉细砂 ＞２Ｏ ２６．５ １９．Ｏ ０．８１２ ７．６８ ３２．６ １５．５Ｏ ３试验原理及设备 ３．１试验原理 本文试验采用等效能比进行方案设计（即土体采用原型材料），设离心模型的加速度为重力加 速度的Ｎ倍，则： ｃＬ＝ Ｌｍ＝ ；ｃｐ＝嚣＝１；ｃｅ＝ ｅｍ＝ｌ； ＝舞＝１；ｃｃ＝Ｃ印ｍ＝１；ｃＥ＝ ＝１ （１） 式中 ｃ＿模型与原型的比值； ｍ——模型： 卜＿原型： 』 卜电流集流环 …一、、、……、……、ｌ、＼、 Ｉ．一几何尺寸； ｒ密度； ．＼ 臂． 力 ¨ ＋ 建 ・ ： ｒ孔隙比； 卜内摩擦角； …、 箱 篮ｌＩ 詈量宣曩 粘聚力； 拖动系统 Ｌ 二｝＿液压滑环 Ｅ——压缩模量。 ３．２试验设备 图２离心模型试验设备 试验设备如图２所示，该离心机为Ｌ．＿ ３Ｏ型土工离心试验机，容量为２０ｇ＿－ｔ，在模型箱重为ｌＯＯｋｇ时最大加速度为２００×ｇ，模型箱的平面 尺寸为４１．５ｃｍ×４０ｃｍ，并配有一套完整的数据采集、高速摄影、闭路电视监控设施。离心机安装 在三层的地下室内，地下室一层为操作控制室，二层为模型室和主机室，三层为动力室。 维普资讯 http://www.cqvip.com 工程科技 ２００６年第１期 ３３ ４模拟工况及模型设计 ４．１模拟工况 试验工况为车站基坑标准段基坑断面：车站部分基坑采用直径１０００ｍｍ的全套管咬合桩围护 结构，桩长２１．０ｍ，分为Ａ型桩和Ｂ型桩，其中Ａ型桩设置有钢筋笼，Ｂ型桩为素混凝土桩，混凝土 设计强度为Ｃ２５，基坑的开挖和支护形式采用图１所示形式，室内模拟时建议采用一次性开挖支护 完成的方式，其中支撑的设计参数为：使用＇ｂ６０９ｍｍ的钢管（Ｑ２３５级钢、壁厚１４ｍｍ），支撑横向间 距为３．０ｍ，竖向采用三道支撑，支撑距离围檩顶面的距离分别为２．５ｍ，６．５ｍ及９．７ｍ。车站部分 基底未进行加固，但有抗拔桩，抗拔桩为直径８００ｍｍ的钻孔灌注桩，考虑到其作用主要是对车站基 坑起抗浮作用，故试验时可以不作考虑。 ４．２模型设计 ４．２．１模型率的选取 根据试验设计的目的，基坑的实际尺寸，并结合卜３０土工离心机的工作条件，试验工况一拟 模拟基坑断面，试验工况二拟模拟全断面，在确定试验模拟范围时主要考虑以下几个方面：①基坑 侧横向土体的影响范围，须保证基坑一侧有产生水平位移的足够土体；②考虑模型箱的净空尺寸 一和离心机运转条件。据以上因素，试验的模型率取为Ｎ＝１００。 ４．２．２模型设计 由于受到模型箱尺寸的限制，且考虑到基 坑和应力场的对称性，同时为观测槽坑施工对 坑周地面的影响范围，试验只模拟车站基坑半 断面开挖。土体为取自现场的原状土体（见表 １），经重塑后在模型箱内分层固结形成；围护结 构材料与原型一样，只是缩小为原型的１／１ｏ０； 咬合桩直径为１０ｍｍ，长２１０ｍｍ，钢筋选细铁 丝，咬合量为２ｍｍ；用外径５ｍｍ、壁厚ｌｍｍ的 紫铜管作支撑，两端装有可调节伸缩的螺丝，以 便施加预应力。 图３试验图片 ５试验结果及分析 由于试验模型比尺为１００，模型位移量测的 微小误差反映到原型中将放大１００倍，为了提 高位移量测的精度，在试验前对原有高速摄影 系统进行了改进。采用数码相机和外部控制设 备在离心机高速运转过程中拍摄不同加速度下 模型箱的照片，将试验高精度数码相片输入计 算机，采用图形处理软件进行分析，大大提高了 试验数据处理的精度。 在试验过程中，同步拍摄离心机加速度为５ 图４地表沉降曲线 说明：ｇ为重力加速度。 ×ｇ、２０×ｇ、６０×ｇ、１００×ｇ时模型的数码照片， 将照片输入计算机，分析土层和结构的变形情 况，试验照片如图３所示；试验结果曲线见图４～图６。 由图４可知，地表最大沉降值约６０．８ｃｍ，发生的位置离开基坑的距离为基坑开挖深度０．６倍 左右，沿离开基坑方向地表沉降曲线基本成抛物线。在图４中坑底平面土体垂向位移图中０点值 维普资讯 http://www.cqvip.com ３４ 咬合桩围护结构基坑开挖变形性状的离心模型试验分析 为模型箱最边侧，距离最大值为另一侧，此平面土体沉 降值从０到２０ｍ范围内呈递增趋势，而从２０ｍ到２５ｍ 迅速减小到接近０值，从２５ｍ到３８ｍ是在基坑开挖范 围内，图中２５ｍ￣３３ｍ位移曲线也呈抛物线性状，３３ｍ 处在０值附近，而从３３ｍ到３８ｍ开始有隆起。如图５ 所示，围护结构侧向位移基本变化趋势随开挖深度增 加而增加，最大值１４．５ｃｍ，且从图中可知开挖最后一 层土层时引起的变形值最大。可得出：基坑开挖引起 桩外侧土体下沉，围护结构也有少许沉降；随着基坑土 体开挖深度的加大，基坑内外土面高差不断加大而形 成的加载量不断增大，基坑外侧土体产生向基坑内移 动的趋势，促使基坑底土体的塑性隆起，通过对离心试 验资料的整理，发现在基坑开挖到１３ｍ时，基坑所产 生的隆起量不大，最大值仅为５ｃｍ左右。 图５围护结构侧向位移曲线 ６结语 说明：ｇ为重力加速度。 通过离心模型试验对车站基坑的咬合桩围护结构方 底平咖０ ５ 『ｏ 『 ２１）土体 方向鼎杜（ ｌ５ 距嘎＾ 案进行的模拟发现： （１）方案能保证车站基坑开挖期间的稳定； ｒ ｉ ／／ ＼ ｔ、 、 ．｜ｒ § ｆ Ｉ’＇ ｜／ 、 一、 ７广 、 ｜ ｌ－． ｊ 一２Ｏ ＋４ ＋６（Ｉ｜一 ．＿ＲＯｇ．－４ ｌｆＨ Ｈ４ｎ
