泵站深基坑支護結構的離心模型試驗研究

馮 志， 沈正龍， 孟慶亮， 盧慶根， 曹天興， 岳夏冰

(1.中電建路橋武漢投資發展有限公司， 湖北 武漢 430200； 2.長安大學 公路學院， 陜西 西安 710064)

1 研究背景

深基坑支護結構設計是一個較為復雜的巖土工程問題，因設計不當導致的工程事故時有發生，基坑變形的影響因素眾多，如地質條件和水文地質條件、支護方案、圍護結構的剛度與嵌入深度、內支撐的形式數量與位置、土方開挖方式等。但是這些因素對基坑變形的具體影響大小及作用機理卻仍不明確，很多設計仍然依賴工程經驗、缺乏理論支撐，因此有很多學者對此問題展開了相關研究。

李淑[1]對北京地區30多個基坑深入分析后，認為鉆孔灌注樁的水平變形基本為“中凸形”，水平位移變化范圍在5～25mm之間的鉆孔灌注樁占79.2%。于洋[2]利用ABAQUS有限元軟件和灰色關聯法研究了各基坑支護參數對變形的影響程度，其大小依次為地下連續墻嵌固比、地下連續墻墻體厚度、內支撐間距等。王龍[3]通過大型有限元軟件MIDAS/GTS分析支護結構受力機理，發現基坑內支撐的受力模式受控于內支撐軸力，支護樁內力和彎矩也與內支撐軸力相關聯。秦會來等[4]利用PLAXIS2D軟件，研究了各種支護形式的樁墻剛度與水平位移和地表沉降量之間的關系，該研究結果給深基坑支護的優化設計提供了依據。胡強[5]進行了基坑離心模型試驗，發現圍護墻的變形與監測數據規律一致，證明了離心模型試驗在研究基坑變形方面的有效性。李波等[6]通過基坑開挖離心模型試驗確定了圍護結構最大水平位移出現在基坑中下部，并且隨著基坑土體的開挖最大水平位移出現位置會向下移動。

雖已有諸多學者展開了研究，但尚未有定論，基坑變形規律與機理仍需深入研究。

2 工程概況

武漢市江南泵站占地面積共5.0 hm2，位于白沙洲大橋和楊泗港長江大橋之間，主要承擔武漢市內雨水抽排和尾水排放工作?；娱L115 m，右側寬21 m，左側寬68 m，開挖深度11.5～15.8 m。泵站基坑支護結構如圖1所示。

圖1 江南泵站支護結構示意圖

江南泵站原定圍護方案如下：泵房、前池和格柵間區域采用1 m厚32 m長的鋼筋混凝土地下連續墻，進水閘、進水間區域的圍護結構為直徑1 m、長度25 m的鉆孔灌注樁。內支撐支護方案如下：泵房和前池區域采用鋼筋混凝土角撐，其余部位采用鋼筋混凝土對撐。鋼筋混凝土內支撐在左側泵房、前池區域(開挖深度為15.8 m)布置3道，格柵間、進水間和進水閘區域(開挖深度為11.5 m)布置兩道。

江南泵站原定于2019年12月31日竣工。2016年夏天武漢市內雨后出現排水問題，2015年8月武漢市防汛抗旱指揮部一號令要求：江南泵站必須在2017年5月30日之前投入使用，工期被壓縮了四分之三。如果仍然采用原定地下連續墻+灌注樁+3道鋼筋混凝土內支撐的支護方案，工期無法滿足防汛抗旱指揮部一號令要求。因此必須優化原定支護形式以滿足工期要求。

依據諸多學者對基坑變形規律及其影響因素的研究，結合江南泵站具體情況與混凝土內支撐、地下連續墻等基坑施工經驗，同時充分發揮泵站外圍建筑較遠的優勢，將原定支護方案中的地下連續墻變更為大直徑鉆孔灌注樁以提高圍護結構的剛度，確?；幼冃闻c基坑外地表沉降滿足要求，將原定3道鋼筋混凝土內支撐減少為1道并提高斷面以達到減少工期的目的。

由于支護形式與原定方案有較大變動，因此借助長安大學土工離心試驗平臺，對江南泵站深基坑的支護開挖過程進行模擬，明確支護結構的變形規律，分析各個設計參數對基坑變形的影響大小，最終通過對比新老方案下基坑變形量與相關規范要求，評判新支護方案的可行性。

3 離心模型試驗

土工離心模型試驗是將研究對象縮小N倍，利用土工離心系統產生的離心加速度模擬重力，從而重現研究對象的應力應變過程[7-8]。土工離心模型試驗能夠得到與原型相同的應力場和應變場，可以較真實地再現研究對象的變形過程，是巖土工程領域重要的研究手段，應用非常廣泛[9-10]。

3.1 試驗模型設計

假定離心模型相似比為1∶N，則在試驗中應采用的離心加速度為N·g，此時：

(1)

可見離心模型試驗中任一點的應力與原型相同[11]。試驗采用與現場相同的土樣，具有相同的變形模量，滿足模型試驗的相似關系。

根據模型試驗相似率及相似法則確定的各參數相似比如表1。

試驗中所用土樣取自江南泵站現場，按照地勘報告中含水量與密度經晾曬、加水配置成與原型土性質接近的重塑土，供試驗所用[12-13]。試驗中土的物理指標見表2。

表1 離心模型試驗各參數相似比

表2 試驗土樣物理指標

原支護方案中圍護結構為1 m厚地下連續墻，新支護方案中圍護結構為直徑1.6 m的鉆孔灌注樁。按照模型試驗相似比，鉆孔灌注樁模型直徑為13 mm，顯然不具備可操作性。因研究重點是基坑變形，因此根據剛度等效原則將鉆孔灌注樁等效為1.267 m厚連續墻。根據相似比，地下連續墻模型厚1267/120=10.56 mm，無法采用鋼筋混凝土加工。根據相似比關系結合試驗經驗，使用鋁板做為模擬材料，根據抗彎剛度等效原則，鋁板材料的厚度如下[14]：

(2)

式中：E為鋼筋混凝土地下連續墻或者鋁板的彈性模量；δ為材料厚度；μ為材料的泊松比； 下標m1為原型材料，下標m2為模擬材料。

根據公式(2)，原支護方案中應采用6.23 mm厚鋁板模擬地下連續墻，因材料規格原因在試驗中實際選用的鋁板厚度為6.00 mm；新支護方案應采用7.69 mm厚鋁板模擬鉆孔灌注樁，因材料規格原因在試驗中實際選用的鋁板厚度為8.00 mm。

內支撐包括主梁和連系梁兩部分，與地下連續墻相同的原因無法采用原材料制作模型，因此應根據試驗目的簡化內支撐。連系梁的作用是提高主梁的整體性，因此在試驗中簡化連系梁只模擬主支撐。根據相似比選取鋁條為鋼筋混凝土模型材料并依據抗壓剛度相似原則計算得到內支撐模型橫截面大小如下[15]：

(EA)m1=(EA)m2

(3)

式中：E為彈性模量；A為橫截面面積；m1為原型材料即鋼筋混凝土；m2為鋁板。

根據公式(3)，原定支護方案中內支撐模型橫截面大小應為5.51 mm×5.51 mm，由于材料規格原因在實際試驗中使用的鋁條的橫截面為5.50 mm×5.50 mm，優化支護方案中內支撐模型橫截面應為5.60 mm×5.60 mm，實際試驗中選用的鋁條橫截面也為5.60 mm×5.60 mm。

由于基坑尺寸較大，受模型箱尺寸限制只能結合研究目的與研究重點，選取關鍵部位進行研究[11-12]。通過分析可知基坑泵房區域角撐相交位置(如圖1截面1處)支撐最為薄弱，因此選擇該區域為研究對象。為增大模擬區域、優化試驗效果，根據對稱原則，進一步選取泵房區域的一半為模擬對象，如圖1中虛線區域所示。試驗采用模型箱大小為：長700 mm，高500 mm，寬360 mm。根據試驗選取的模擬區域大小和模型箱大小，此次離心模型試驗相似比定為N=120。

試驗首先采用配置好的重塑土樣填筑地基，從上到下依次為22 mm厚黏土層(相當于實際厚度2.64 m)、42 mm厚粉質黏土層(相當于實際厚度5.04 m)、56 mm厚粉質黏土夾粉土層(相當于實際厚度6.72 m)、47 mm厚粉質黏土夾粉砂層(相當于實際厚度5.64 m)、84 mm厚粉土層(相當于實際厚度10.08 m)和150 mm厚黏土層(相當于實際厚度18 m)，共401 mm厚。為了實現基坑的支護與開挖模擬過程，將鋁板制成的地下連續墻模型和鉆孔灌注樁模型預先埋設到土體當中。地基土樣填筑后上機運行292 min模擬地基土在自重作用下的固結沉降。固結沉降完成后進行基坑模擬開挖過程。基坑土方開挖方案為分層分步開挖，分層開挖厚度為42 mm，相當于實際開挖厚度為5 m。

為了進行對比分析共進行兩組試驗：試驗1模擬原支護方案，圍護結構為1 m厚地下連續墻，沿深度布置3道鋼筋混凝土內支撐；試驗2模擬新支護方案，圍護結構為直徑1.6 m鉆孔灌注樁，在樁頂布置1道鋼筋混凝土內支撐。試驗1與試驗2選取相同的基坑部位，采用相同的地層構造。

試驗1的基坑支護與開挖模擬過程如下：地基固結結束停機后首先安裝第1道鋁板制成的鋼筋混凝土內支撐模型，開挖第1層土體42 mm厚(相當于實際厚度5 m)，然后上機運行、離心機轉速由0增加至120g后運行6 min，相當于實際開挖工期為60 d。之后依次設置第2層內支撐、開挖第2層土體、設置第3層內支撐、開挖第3層土體，其中第3層土體開挖結束后運行24 min(相當于實際240 d)，觀察基坑的變形以確定優化后支護形式的支護效果。試驗2的模擬過程與試驗1基本相同，但是只有1道內支撐，土層仍分為3層開挖，每層開挖厚度為5 m。制作完成的基坑模型如圖2所示。

圖2 基坑支護模型與開挖過程

3.2 測量系統的設計

監測系統采用分辨率為25 μm的NCDT1300型激光位移傳感器，能夠滿足離心模型試驗的測量精度要求。通過分析相關學者研究結果結合基坑具體情況，在基坑外沿長邊方向布設10個激光位移傳感器進行基坑外地表沉降的測量，如圖3中c1～c10所示。為了測量地下連續墻和鉆孔灌注樁的水平位移，在圍護墻內外兩側分別粘貼了兩排共20個應變片，粘貼位置如圖3中w1～w10所示。在試驗過程中測量地下連續墻和鉆孔灌注樁的應變變化，試驗結束后通過應變換算曲率半徑間接得到圍護結構的水平位移。

圖3 離心模型試驗測點布置(單位：mm)

4 試驗成果分析

4.1 圍護結構水平位移

圖4為截面1處原支護方案中的地下連續墻和新支護方案中的鉆孔灌注樁水平位移曲線對比圖，從圖4中可以看出，兩種圍護結構的水平位移曲線變化規律基本一致，沿墻身或樁深均表現出先增大再減小的規律，但是地下連續墻各處的水平位移值均比鉆孔灌注樁的水平位移值小。在樁頂部地下連續墻水平位移值為10 mm，鉆孔灌注樁水平位移值為13.5 mm，差值3.5 mm。地下連續墻與鉆孔灌注樁的最大水平位移值分別為17.0和25.5 mm，相差8.5 mm；最大值出現位置也不同：地下連續墻最大值出現位置距離樁頂7.5 m(0.5H，H為基坑開挖深度)，而鉆孔灌注樁最大值出現位置距離樁頂9 m(0.6H)，向下移動了0.1H。在最大值出現以后兩者的水平位移都逐漸降低，并且差值逐漸縮小，在基坑底部水平位移的差值僅有1.0 mm左右。通過對比分析可以確定即使采用了較大直徑的鉆孔灌注樁，對水平位移的限制作用仍然弱于地下連續墻，但是除了最大位移差值略大以外，其他各部位差值均未超過5 mm。按照《基坑工程技術規程》要求，江南基坑水平位移應在30 mm以內，所以雖然優化支護方案中的圍護樁變形比原定支護方案中的地下連續墻略大，但是基坑圍護結構變形仍然在規范允許范圍內，即基坑處于安全狀態。

4.2 基坑外地表沉降分析

圖5為原支護方案與新支護方案基坑外地表沉降曲線對比圖。從圖5中可看出，兩種支護方案具有基本相同的基坑外地表沉降變化規律，都顯示出隨著距離基坑邊距離的增加先增大后減小的變化趨勢，呈現為“內凹形”，其中沉降最大點均沒有出現在坑邊，而是距離坑邊5 m左右，即0.3H。采用不同的支護方案對地表沉降范圍基本沒有影響，大約為0～25 m左右，也就是0～1.7H范圍內。其中0～5 m(0～0.33H)范圍為沉降增加區域，5～25 m(0.33H～1.7H)范圍為沉降降低區域。

采用新的支護方案后，變化較大的是基坑外地表沉降的最大值。由圖5可知，原支護方案基坑周邊最大沉降為3.7 mm，新支護方案基坑周邊最大沉降為7.8 mm，增大了約一倍。原因是地下連續墻變更為鉆孔灌注樁并減少兩道內支撐后，灌注樁水平位移比地下連續墻水平位移大，基坑外圍土體相應產生了更大的沉降。按照規范要求(最大地表沉降小于21.45 mm)，地表沉降最大值仍然處在可控范圍內，因此新的支護結構設計仍然可以確?；拥陌踩€定。說明基坑支護結構的優化方案是合理的。

4.3 圍護結構彎矩分析

圖6為原支護方案中地下連續墻的彎矩變化圖，圖7為新支護方案中鉆孔灌注樁的彎矩變化圖。從圖6和7可以看出，地下連續墻和鉆孔灌注樁的彎矩沿深度均呈“S”型分布，且彎矩最大值均隨土體開挖而逐漸增大。從圖6可以看出，開挖第1層土體時樁身彎矩量值較小。在5米處，由于第2道內支撐的存在，彎矩有一定程度降低。隨著開挖的進行，彎矩極值逐漸增大同時極值位置逐漸下移，而反彎點處于開挖面附近?；娱_挖結束后彎矩極值達到最大，其中最大正彎矩約為2 800 kN·m、距離墻頂9.8 m，最大負彎矩約為3 100 kN·m、距離墻體19 m。通過圖7可以看出，鉆孔灌注樁的彎矩變化規律與地下連續墻基本相同，但是彎矩極值比地下連續墻極值要大。鉆孔灌注樁的最大正彎矩約為5 000 KN·m、距離樁頂10.5 m，最大負彎矩值約為4 200 kN·m、距離樁頂20 m。這是由于試驗2采用的是新支護方案，只在基坑頂部設置一道支撐。這說明內支撐對樁體彎矩影響較大，設計時應慎重考慮樁體彎矩值的變化。

通過以上分析可知，經過優化以后，支護結構水平位移和地表沉降均有一定程度的增加，但是仍然在規范要求以內，可以確?；拥陌踩€定。

5 支護效果分析

按照規范要求對基坑變形過程進行了監測，為了檢驗新支護方案的支護效果，對比分析了新支護方案水平位移及地表沉降的試驗結果與現場監測數據，如圖8和9所示。

從圖8可以看出，試驗結果和實測數據的水平位移變化規律基本相同：隨著深度的增加樁身水平位移先逐漸增加，到達極值后逐漸降低并趨于穩定。在試驗中最大值為25.4 mm，距離樁頂7.6 m，現場實測最大值為21.9 mm，距離樁頂10 m，極值相差3.5 mm。

從圖9可以看出，在離心模型試驗中基坑外地表沉降規律與實測數據基本一致，地表沉降隨著距基坑邊的距離先增大后減小，在距基坑邊5～6 m左右達到最大值。實測數據基坑外地表沉降最大值大于試驗結果，達到了11.6 mm。

圖4兩種支護方案圍護結構水平位移對比圖 圖5兩種支護方案基坑外地表沉降對比圖

圖6地下連續墻彎矩圖 圖7鉆孔灌注樁彎矩圖

圖8新支護方案水平位移試驗值與實測值對比圖 圖9新支護方案地表沉降試驗值與實測值對比圖

根據以上分析可知，優化后的江南泵站支護方案是合理的，可以確保泵站的安全，同時說明離心模型試驗在基坑變形研究方面的有效性。

6 結 論

借助長安大學土工離心試驗平臺，進行了江南泵站深基坑離心模型試驗，對兩種支護方案的支護效果進行了對比分析，得到以下結論：

(1)新支護方案中的鉆孔灌注樁水平位移和基坑外地表沉降相比原支護方案均有所增長，但是根據《基坑工程技術規程》要求可知，支護結構優化后基坑圍護結構的水平位移與基坑外地表沉降均符合規范要求，基坑是安全的。

(2)將地下連續墻+3道內支撐的支護方式優化為大直徑灌注樁+1道內支撐后，圍護結構的水平位移整體有一定量的增大，但是幅度較小，特別是在樁頂位置由于內支撐的存在水平位移基本未變。水平位移最大值有所增大且出現位置下移，顯示了內支撐對圍護結構水平位移的限制作用。

(3)將地下連續墻+3道內支撐的支護方式優化為大直徑灌注樁+1道內支撐后，基坑周邊地層沉降規律與沉降影響范圍保持不變，在0～1.7H范圍之間，但是沉降總體有增長，其中最大值增大約1倍，但是仍在安全值以內。

(4)試驗結果與現場實測數據基本一致，證實了江南泵站優化支護方案的合理性，同時也說明了離心模型試驗是研究基坑變形的有效手段。