Field measurement of time-space distribution behaviors of environmental settlement of an ultra-deep excavation in Shanghai soft ground
-
摘要: 基于工程现场实测数据，对深度为31.3 m的上海某超深基坑开挖引起的环境变形特性进行了研究分析。结果表明，与上海常规深度(12~20 m)的软土基坑工程相比，超深基坑的环境影响明显偏大，表现出显著的时空分布特性：①坑外地表沉降规律随墙体侧向变形的空间分布形态差异而变化，墙体侧向变形由中部向角部变化越平缓，坑外的地表沉降影响范围越大，由中部至坑角收敛越快，坑外地表沉降影响区域则越集中，影响范围也相对较小；②受坑角效应影响，平行于基坑围护结构的地表沉降由中心向坑角沉降迅速减小，并呈高斯分布规律，影响范围延伸至坑角后1.5He (He为基坑深度)；③建筑物变形表现出显著的三维特性，靠近基坑围护结构中部的建筑物沉降量显著大于基坑角部，同时均伴随较大的扭转变形；④当平行于基坑围护结构的建筑物横跨坑角区域时，最危险点均位于坑角附近0.5He范围内，其损伤程度与建筑物和基坑的位置关系和建筑物刚度有密切关系；⑤相对于常规深度基坑，本工程对地表沉降的主要影响范围偏大，达到3He左右，但最大地表沉降位置偏小，位于墙后0.5He附近；⑥地表沉降最大值δvm介于0.03%~0.50% He之间，且与墙体最大侧移值δhm之间的关系平均为δvm=0.6δhm。Abstract: Based on the extensive field observations, the environmental deformation characteristics of a 31.3 m-deep excavation in Shanghai soft ground are investigated. The results show that compared with the general excavations with a depth ranging from 12 to 20 m, the ultra-deep excavation presents significant environmental effects and time-space distribution behaviors: (1) The influence zone of settlement near the long side of the excavation is related to the wall deflection distribution on the plane. The more gently the lateral wall displacement changes from the middle area to the corner, the more extensive the influence zone is. The faster the lateral wall displacement transits from the middle to the corner of the excavation, the more concentrated the influential zone is. (2) Due to the corner effects, the ground surface settlement decreases rapidly from the center to the corner, and exhibits a Gaussian distribution law, with the influence range extending to 1.5He (depth of excavation) behind the excavation corner. (3) The deformation of buildings exhibits distinct three-dimensional characteristics. The buildings located near the excavation corner have less settlement than those near the center of the excavation, accompanied by a certain torsional deformation. (4) When the buildings paralleling to the retaining wall cross the corner of the excavation, the most dangerous point is located within 0.5He near the corner of the excavation, and its damage degree depends on the relative location between the buildings and the excavation and their stiffness. (5) Compared with the conventional deep excavations, the ultra-deep excavation leads to a larger primary influence zone for ground surface settlement, reaching about 3He, but the location of the maximum surface settlement is closer to the wall, nearly 0.5He behind the retaining wall. (6) The maximum ground surface settlement δvm is about 0.03%~0.50%He, and the relationship between the maximum ground surface settlement δvm and the maximum lateral wall displacement δhm can be expressed by δvm=0.6δhm averagely.
-
0. 引言
随着“西部大开发”战略的实施及“一带一路”倡议的推动,西北黄土地区将不断地快速发展[1],进行大量的工程建设,需要对工程建设中涉及的黄土进行深入的研究。黄土的成因[1]、基本物理力学性质[2, 3]、微结构特征[4-5]和结构性[6]等均作了较为深入的研究,但大多数试验研究中都是针对垂直层面取样的试样。对于主要受竖向荷载作用的黄土地基基础工程及类似工程来说,取垂直层面试样进行研究是合理的；而对于受力状态较为复杂的边坡和隧道及地下结构等主应力方向未必水平的工程[7]来说,有必要研究黄土力学性质的各向异性[8]。因此学者们对黄土的各向异性产生了浓厚的兴趣。
采取竖直向与水平向试样进行黄土各向异性研究的结论并非完全一致。有结果表明原状黄土变形模量竖直向大于水平向[7],抗剪强度竖直向明显高于水平向[9-11]；有结果表明水平向黏聚力大于竖直向黏聚力,内摩擦角变化不大[12]。不同层位的黄土结构参数与其抗剪强度表现出不同的各向异性特征[13]。有些学者增加了取样角度,有结果表明：竖直向剪切面的抗剪强度>水平向的剪切面抗剪强度>45°方向剪切面抗剪强度[14]；有研究认为偏差应力在竖直方向最大,在与竖直面呈45°或90°方向时最小[15]；也有研究结果表明黄土的无侧限抗压强度随试样的试验平面由水平面向竖直面变化而降低[16]。以上研究表明,不同土体的各向异性存在差异。
黄土力学性质的各向异性特点是其结构性的表现方式[7]。为研究黄土强度的各向异性规律,分析不同土体各向异性差异的原因,本文通过对与沉积面呈不同角度不同含水率的黄土试样进行无侧限抗压强度试验,得出原状、重塑黄土的无侧限抗压强度,计算不同角度不同含水率试样的初始结构性参数。通过对比分析其强度与结构性指标与取样角度的关系,得出了黄土强度及结构性的各向异性规律,并分析了其原因。
1. 试验方案
1.1 试验用土
本试验所用土样取自甘肃省兰州市兰州大学榆中校区附近某直立边坡,去除表层土,采用人工掏槽法取样,经室内试验得物性指标如表1所示。
表 1 黄土试样的物性指标Table 1. Physical properties of loess干密度/(g·cm-3) 天然含水率/% 土粒相对质量密度 塑限/% 液限/% 塑性指数 1.250 2.0 2.70 20.0 28.0 8.0 1.2 试验方案
本试验分别制作不同含水率(2%, 5%, 10%, 15%, 18%, 20%, 25%, 28%,饱和)与沉积面(压实面)成不同角度(θ=0°, 30°, 45°, 60°, 90°,如图1所示)的原状、重塑黄土共85个试样,进行无侧限抗压强度试验,试验采用南京自动化仪器厂生产的常规应变控制式三轴剪力仪,控制轴向变形速率为0.368 mm/min。试验采用圆柱形试样,其直径为39.1 mm,高为80 mm。
2. 黄土的强度各向异性分析
2.1 原状黄土的试验结果与分析
根据预定方案进行试验,得到不同含水率不同取样角度原状黄土的应力-应变曲线,见图2,其中q表示轴向应力(kPa), ε表示轴向应变(%)。
从图2（a）可以看出：当含水率w=2%时,取样方向与沉积面成90°时,原状黄土试样的无侧限抗压强度qu0最大；取样方向与沉积面成0°时原状黄土试样的无侧限抗压强度次之；取样方向与沉积面呈60°, 45°时依次减小,最小的为取样方向与沉积面呈30°时的无侧限抗压强度。图2（b）~（h）也表现出相同的规律。因此,可以得出：含水率相同时,取样方向与沉积面夹角不同时,试样强度不同,表现出各向异性,且具有相同的规律,即(qu0)90°>(qu0)0°>(qu0)60°>(qu0)45°>(qu0)30°。从图2还可以看出：随着含水率的增加,不同角度所取试样的无侧限抗压强度之间的差值越来越小,当试样达到饱和含水率时,不同取样方向试样的应力-应变曲线差异极小,说明随着含水率的增加原状黄土强度的各向异性在逐渐减弱。
根据库仑强度理论,破裂面与最大主应力面(水平方向)呈45°+φ/2, φ为试样的内摩擦角。因此可得出不同取样角度试样的破裂面与沉积面的夹角a,如图3所示。
![]()
图 3 破裂面与沉积面/压实面的关系Figure 3. Relationship between failure surface and sedimentary surface or compacted surface从图3可以看出：当取样角度θ=90°时,破裂面与沉积面之间的夹角α=45°+φ/2,最大；θ=30°时,α=15°-φ/2,最小。兰州黄土的内摩擦角φ一般在30°左右[17],因此,45°+φ/2>45°-φ/2>15°+φ/2>φ/2>15°-φ/2,即破裂面与沉积面之间的夹角α从大到小排列所对应的取样角度分别为90°, 0°, 60°, 45°, 30°。这个规律与前述不同取样角度试样的强度大小规律是一致的,可见强度的大小与破裂面和沉积面之间夹角α的大小密切相关。α的计算式如下：
(1) 试样破裂面与沉积面之间的夹角越大,无侧限抗压强度qu越大；反之越小。当α=|φ/2+θ-45°|=0时,即取样角度θ=45°-φ/2时,强度最小。在试验的几个取样角度中,θ=30°所取试样的破裂面方向最接近水平沉积的层面,而层面是天然的软弱面,故此时试样的无侧限抗压强度最小,证明了前述规律。
2.2 重塑黄土的试验结果与分析
根据预定方案进行试验,使取样方向与压实面呈不同角度,得到不同含水率不同取样角度重塑黄土的应力-应变曲线见图4。
从图4可以看出：重塑黄土与原状黄土具有相似的强度各向异性,即(qur)90°>(qur)0°>(qur)60°>(qur)45°>(qur)30°。其原因在于重塑黄土制样的分层压实过程中形成的压实层面类似于原状黄土的沉积面,因此,不同角度取样的重塑黄土强度与原状黄土强度具有相似的规律,表现为重塑黄土的剪切破裂面与压实面之间的夹角越大时,无侧限抗压强度越大,反之越小。重塑黄土不同角度取样后,试验所得的破裂面与压实面之间的关系见图3,同样表明θ=30°时,压实面与破裂面最接近,相应试样的无侧限抗压强度最小。同样地,重塑黄土的各向异性也是随着含水率的增加而逐渐减弱。
3. 黄土结构性的各向异性分析
谢定义、齐吉琳等总结了已有黄土结构性的研究成果,基于对原状黄土、重塑黄土、饱和原状黄土试样的压缩试验,从土力学的角度,提出了定量描述黄土结构性的指标——综合结构势[5]。之后,学者们在综合结构势的基础上提出了多种结构性参数,其中构度指标mu可反映土体的初始结构性[18],其表达式为
(2) 式中,quo、qur、qus分别为原状土、湿密状态相同的重塑土、饱和原状土的无侧限抗压强度。
根据试验所得的原状、重塑黄土的无侧限抗压强度,由式(2)计算得相应黄土的构度指标mu。图5给出了不同取样角度黄土的构度指标mu与含水率的关系,图6给出了构度指标mu与取样角度的关系。w>15%时减小的幅度较小。在含水率相同时,与无侧限抗压强度类似,构度指标mu也表现出在θ=30°时最小的规律,如图6所示。在含水率相同时,不同取样角度黄土的构度指标不同,说明黄土的结构性也具有各向异性。不过,随着含水率的增加,取样角度对黄土构度指标的影响越来越小,即黄土结构性的各向异性逐渐减弱,且含水率较小时各向异性减弱得较快；随着含水率的增加,构度指标mu越来越接近,说明随着含水率的增加,黄土原始结构逐渐破坏,黄土结构的各向异性在向着各向同性转化。
![]()
图 6 构度指标mu与取样角度的关系Figure 6. Relationship between structural index muand sampling angle4. 结论
从图5可以得出：构度指标mu随含水率的增大而减小,且在含水率w<15%时减小的幅度较大,含水率
本文通过对原状、重塑黄土进行无侧限抗压强度试验,分析了其强度及结构性与取样角度的关系,主要得出以下结论：
(1)当含水率较低时原状黄土、重塑黄土的无侧限抗压强度各向异性较明显,构度指标mu的各向异性也较明显。
(2)当含水率一定时,破裂面与沉积面所成角度越大,原状、重塑黄土的无侧限抗压强度越大,结构性参数越大。取样角度θ=45°-φ/2时,强度最小。
(3)随着含水率的增大,原状黄土、重塑黄土的无侧限抗压强度逐渐减小,各向异性逐渐减弱。
不同方向黄土的强度与结构参数存在明显的差异,即黄土具有明显的各向异性,黄土的这一性质在边坡、隧洞及地下构筑物中显得尤为重要,因此此类工程施工时应有效防止地下水或地表水对黄土强度及结构性的影响,同时采用适当的断面形式,充分利用不同方向土体自身的强度与结构性,保证围岩的稳定性。
-
![]()
图 5 地连墙最大侧移及墙后地表最大沉降分布
Figure 5. Distribution of maximum wall deflections and maximum settlements behind wall
![]()
图 7 地表沉降与开挖深度的关系
Figure 7. Relationship between surface settlement and excavation depth
![]()
图 9 垂直于围护结构方向的地表沉降分布
Figure 9. Distribution of ground surface settlement perpendicular to retaining wall
![]()
图 11 管线沉降沿基坑围护结构平行方向的分布
Figure 11. Distribution of pipeline settlement parallel to excavation
![]()
图 14 建筑物沉降曲线随工况发展变化
Figure 14. Building settlement profile developed during construction process
![]()
图 15 无量纲化的地表沉降最大值和墙体最大侧移之间的关系
Figure 15. Relationship between normalized maximum wall deflection and maximum ground surface settlement
表 1 土层基本物理力学参数
Table 1 Basic mechanical parameters of soil layers at site
土层
序号土层名 重度
γ /(kN·m-3)内摩擦角φ/(°) 黏聚力
c/kPa含水率
w/%压缩系数
as0.1-0.2 / MPa-1渗透系数
Kv/(cm·s-1)灵敏度
St① 填土 — — — — — — — ③t 黏质粉土夹淤泥质
粉质黏土18.5 26.0 9 32.0 0.20 6.16×10-5 — ③ 淤泥质粉质黏土 17.4 15.0 13 43.4 0.81 4.96×10-7 3.6 ④ 灰色淤泥质黏土 16.8 11.5 13 50.6 1.06 1.08×10-7 4.2 ⑤1 黏土 17.8 15.5 17 38.1 0.60 3.14×10-7 3.4 ⑤3-1 粉质黏土 18.1 21.0 17 34.1 0.43 1.35×10-6 3.1 ⑤3t 灰色黏质粉土
夹粉质黏土18.2 21.5 19 33.6 0.33 2.34×10-5 — ⑧1 粉质黏土 17.9 18.5 22 36.8 0.44 — — ⑧2t 粉砂夹粉质黏土 19.3 34.0 3 24.9 0.16 — — ⑧2 粉质黏土与粉砂互层 18.6 22.0 21 31.1 0.32 — — ⑨1 灰色粉砂 19.6 35.0 0 23.0 0.12 — — 
下载: 导出CSV
-
[1] BOSCARDIN M D, CORDING E J. Building response to excavation-induced settlement[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1989, 115(1): 1-21. doi: 10.1061/(ASCE)0733-9410(1989)115:1(1)
[2] LI H, TANG Y J, LIAO S M, et al. Structural response and preservation of historic buildings adjacent to oversized deep excavation[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2021, 35(6): 04021095. doi: 10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0001676
[3] PECK. Deep excavation and tunnelling in soft ground[C]// ICSMFE Proc 7th Int Conf SMFE State of the Art Volume. Mexico: Balkema, 1969: 225-290.
[4] MANA A I, CLOUGH G W. Prediction of movements for braced cuts in clay[J]. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 1981, 107(6): 759-777. doi: 10.1061/AJGEB6.0001150
[5] CLOUGH R W, O'ROURKE T D. Construction induced movements of in-situ walls[J]. Specialty Conference on Design and Performance of Earth Retaining Structures, 1990: 430-477.
[6] OU C Y, HSIEH P G, CHIOU D C. Characteristics of ground surface settlement during excavation[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1993, 30(5): 758-767. doi: 10.1139/t93-068
[7] KUNG G T, JUANG C H, HSIAO E C, et al. Simplified model for wall deflection and ground-surface settlement caused by braced excavation in clays[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2007, 133(6): 731-747. doi: 10.1061/(ASCE)1090-0241(2007)133:6(731)
[8] 王卫东, 徐中华, 王建华. 上海地区深基坑周边地表变形性状实测统计分析[J]. 岩土工程学报, 2011, 33(11): 1659-1666. http://www.cgejournal.com/cn/article/id/14412 WANG Weidong, XU Zhonghua, WANG Jianhua. Statistical analysis of characteristics of ground surface settlement caused by deep excavations in Shanghai soft soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(11): 1659-1666. (in Chinese) http://www.cgejournal.com/cn/article/id/14412
[9] TAN Y, WANG D L. Characteristics of a large-scale deep foundation pit excavated by the central-island technique in Shanghai soft clay Ⅰ: bottom-up construction of the central cylindrical shaft[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2013, 139(11): 1875-1893. doi: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0000928
[10] OU C Y, CHIOU D C, WU T S. Three-dimensional finite element analysis of deep excavations[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1996, 122(5): 337-345. doi: 10.1061/(ASCE)0733-9410(1996)122:5(337)
[11] LEE F H, YONG K Y, QUAN K C N, et al. Effect of corners in strutted excavations: field monitoring and case histories[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 1998, 124(4): 339-349. doi: 10.1061/(ASCE)1090-0241(1998)124:4(339)
[12] FINNO R J, BLACKBURN J T, ROBOSKI J F. Three-dimensional effects for supported excavations in clay[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2007, 133(1): 30-36. doi: 10.1061/(ASCE)1090-0241(2007)133:1(30)
[13] WANG Z W, NG C W, LIU G B. Characteristics of wall deflections and ground surface settlements in Shanghai[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2005, 42(5): 1243-1254. doi: 10.1139/t05-056
[14] LIU G B, JIANG R J, NG C W W, et al. Deformation characteristics of a 38 m deep excavation in soft clay[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2011, 48(12): 1817-1828. doi: 10.1139/t11-075
[15] TAN Y, WEI B, DIAO Y P, et al. Spatial corner effects of long and narrow multipropped deep excavations in Shanghai soft clay[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2014, 28(4): 04014015. doi: 10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0000475
[16] DG/TJ08—61—2018基坑工程技术标准[S]. 上海: 同济大学出版社, 2018. DG/TJ08—61—2018 Technical Code for Excavation Engineering[S]. Shanghai: Tongji University Press: 2018. (in Chinese)
[17] 徐中华. 上海地区支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形性状研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2007. XU Zhonghua. Deformation Behavior of Deep Excavations Supported by Permanent Structure in Shanghai Soft Deposit[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2007. (in Chinese)
[18] TAN Y, WEI B. Observed behaviors of a long and deep excavation constructed by cut-and-cover technique in Shanghai soft clay[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2012, 138(1): 69-88. doi: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0000553
[19] HSIEH P G, OU C Y. Shape of ground surface settlement profiles caused by excavation[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1998, 35(6): 1004-1017. doi: 10.1139/t98-056
[20] 上海市地基基础设计标准: DGJ08—11—2018[S]. 上海: 同济大学出版社, 2019. Foundation Design Code: DGJ08—11—2018[S]. Shanghai: Tongji University Press: 2019. (in Chinese)
[21] LIU G B, NG C W, WANG Z W. Observed performance of a deep multistrutted excavation in Shanghai soft clays[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2005, 131(8): 1004-1013. doi: 10.1061/(ASCE)1090-0241(2005)131:8(1004)
[22] TAN Y, WANG D L. Characteristics of a large-scale deep foundation pit excavated by the central-island technique in Shanghai soft clay Ⅱ: top-down construction of the peripheral rectangular pit[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2013, 139(11): 1894-1910. doi: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0000929
-
期刊类型引用(6)
1. 刘红，陈怡馨，刘汉龙，孙增春，肖杨. 土体热力学性质试验研究进展. 中国科学:技术科学. 2024(01): 1-14 . 
百度学术
2. 杨丰华，马艳霞，高英，李忠林. 冻融循环及各向异性对原状黄土动力特性的影响研究. 水利水电技术(中英文). 2024(02): 167-179 . 百度学术
3. 王弘起，邱明明，孙杰龙，李大卫，郑隆君，田宇轩. 物理性质对黄土抗剪强度指标的影响规律. 科技通报. 2023(04): 38-44+61 . 百度学术
4. 邱明明，郑隆君，田宇轩，周恒祎，李明泽. 延安新区原状黄土强度各向异性试验研究. 工程勘察. 2023(09): 14-20 . 百度学术
5. 邱明明，许丹，孙杰龙，李盛斌，张志远，李月文，兰旭峰. 增减湿效应对延安Q_3黄土抗压强度的影响规律. 延安大学学报(自然科学版). 2023(03): 115-120 . 百度学术
6. 刘中原，李徳武，张文博，张博文. 干密度和含水率对黄土各向异性差值的影响. 公路工程. 2023(06): 143-146+168 . 百度学术
其他类型引用(8)
-
其他相关附件
计量
- 文章访问数: 0
- HTML全文浏览量: 0
- PDF下载量: 0
- 被引次数: 14
