某井场基坑变形时空演化特征的底摩擦试验

辜 建 军

(中石化西南油气分公司工程监督中心，四川 德阳 618000)

某井场基坑变形时空演化特征的底摩擦试验

辜 建 军

(中石化西南油气分公司工程监督中心，四川 德阳 618000)

以相似理论为基础，通过建立基坑的地质结构模型，采用物理模拟研究中的底摩擦试验方法，研究了基坑在时间和空间上的变形特征，试验结果表明：基坑变形是一个持续的变形过程，在有附加荷载的情况下更快更明显，并且由变形所产生的裂缝的位置与附加荷载作用边界及其大小都有关系。

基坑，底摩擦试验，变形特征，演化特征

0 引言

随着社会经济的不断发展，在基础设施建设中会遇到大量基坑工程，基坑施工的高风险性迫使人们在理论和实践中展开深入研究，以规避其产生的危害，而时空演化特征是基坑的前沿课题，将推动基坑工程的发展[1]。国内许多专家对基坑的时空演化特征做了深入的研究，并取得了丰硕的成果。如刘建航等[1，2]提出的时空效应设计、施工理论及方法；樊凯[3]对隧道开挖引起地层变位的时空效应进行了探讨，分析了隧道开挖的影响范围及地层响应；贾坚[4]利用软土流变性的时空效应变形原理，在上海基坑的工程实践中取得了显著的效果。

底摩擦试验由于其自身简便、直观、经济等特点，近年来被广泛运用。如陈孝兵等[5]利用底摩擦试验研究了倾倒破裂岩体的变形趋势；许强等[6]通过底摩擦试验确定了锦屏水电站左岸边坡的破坏模式；刘鹏等[7]采用底摩擦试验探讨了隧道岩层的变形破坏机制；此外还有蔡国军等[8]、张登项等[9]分别探讨了反倾向边坡开挖和岩石高边坡的破裂响应过程。

本文以某天然气井场基坑为研究对象，通过相似理论，建立基坑的地质结构物理模型，通过底摩擦试验方法，展示基坑变形在时间上和空间上的特征，以期为基坑的安全施工提供参考。

1 底摩擦试验的基本原理

底摩擦试验的基础为相似理论，模型与原型之间满足一定的几何、应力和摩擦系数条件，即：

几何相似比：

(1)

受力条件相似比：

(2)

摩擦系数相似比：

(3)

其中，a为相似比；L为长度；σ为应力值；f为摩擦系数；下标h，m分别为原型和模型。上述相似常数之间由式(4)确定：

aσ=aγ·aL,af=1

(4)

底摩擦法是以摩擦力来模拟模型重力。其原理如下：将模型置于橡皮带上，当模型移动到皮带转动方向的固定框架时，受框架的阻挡作用，模型与橡皮带上的每点就产生了摩擦阻力F：

F=(p+γmd)·μ

(5)

其中，p为模型法向单位面积上的压力；γm为材料的容重；d为厚度；μ为模型与橡皮带的摩擦系数。底摩擦试验基本原理见图1。

2 底摩擦试验仪器

本次试验所用的设备采用的是成都理工大学地质灾害防治地质环境保护国家重点实验室的全自动底摩擦仪。主要技术指标：模型尺寸800 mm×800 mm;调速范围0 r/min～100 r/min;摩擦力0 N～1 000 N。

该仪器橡皮带转速可通过控制器随时调控，而且转动速度均匀，不会出现时快时慢的现象。模型的摩擦力可通过力传感器随时掌控，以便于随时控制皮带转速和稳定性，对试验整个过程进行实时监控。

3 工程研究实例

井场是西南油气分公司的一口污水回注井，地面高程(H)414 m。设计井深3 392 m。根据该钻机设施要求，除修建井场设施外，需修建污水池(净容积2 500 m3)1个、清水池(净容积500 m3)1个，放喷池(净容积≥300 m3)2个。井场占地面积(长)100 m×(宽)50 m，井场区域属于缓坡平台地带，西北方向为陡坡地带，东南与西南方向为平台至陡崖，井场拟布置方向为北偏东N22°E(长轴方向)；在井场基坑周边，水塘据施工红线只有3 m左右，部分建筑甚至紧邻基坑边界。同时基坑施工期间还须确保农村机耕道的正常，人员通行和车辆往来安全。因此，研究该基坑的变形特征对于周边构筑物及井场的安全运行具有重要意义。

根据基础资料，模拟的基坑剖面宽约10 m，开挖深度约为7 m。根据土层物理力学参数、重度等数据，同时适当概化基坑的主要地层，将地层划分为五层(见表1)。

4 实验过程及结果分析

4.1 模型尺寸及材料确定

根据该基坑的工程地质条件，选择剖面按1∶50的比例建立模型。由相似理论，ρ，γ，φ保持不变为1.8 g/cm3，18 kN/m3，35°。弹性模量E取5.3 MPa。采用碾压法成型。模型尺寸见图2。

表1 各层物理力学参数

制作该物理模型的备用相似材料主要有重晶石粉、石英砂、石膏、石蜡油、机油、沙子、小圆石等。根据该基坑剖面的工程地质条件，选择重晶石粉、石英砂、石蜡油作为相似材料来制作该物理模型，选择不同的配比经过反复的试验，确定该基坑剖面的相似材料配比为重晶石粉∶石英砂∶石蜡油=100∶273∶35。

4.2 模型制作

根据试验目标要求，选择重晶石粉，石英砂，石蜡油按质量比为100∶273∶35进行相似材料的配制，将相似材料放置于提高摩擦力的皮带上，在靠近皮带转动方向一侧均匀铺开相似材料，并用工具将材料碾压平整，将表面抹平光滑，模型厚度控制在1 cm以内；根据基坑的形状选取其中一剖面，按比例尺为1∶50尺寸切割模型材料，达到与模拟目标剖面相似的外形，在右边加一铅块作为附加荷载；在模型表面用墨线打5 cm×5 cm的网格，模型如图3所示，以便对其变形的观测。

4.3 试验过程

第一阶段：左边变形不明显；右边3 cm处出现裂隙。顶部发育两条裂隙，较短裂隙开口较大，长为4 cm；较长裂隙开口较小，在4 cm处出现分叉，然后发展成两条近平行的裂隙，长为17 cm(见图4)。靠基坑内侧6 cm处出现细小裂隙，长约3 cm。顶部首先开裂，逐渐向下延伸。

第二阶段：左边变形不明显；在附加应力的作用下，右边变形较快，出现明显的沉降差异，比左边沉降多约1 cm(见图5)。

第三阶段：左边变形不明显；右边在附加应力的作用下，靠基坑内侧裂隙向下延伸，在深17 cm处出现新的裂隙。裂隙进一步发展，长约3 cm，呈抛物线形。裂隙右边又出现新的裂隙，长约7 cm(见图6)。

第四阶段：左边在天然作用力持续的作用过程中，产生了两条细长裂隙，近似平行，长21 cm。右边裂隙进一步发展，呈抛物线形。图7中第三第四条裂隙已经形成，也呈抛物线形。此时认为基坑已经破坏，停止试验。

4.4 结果分析

通过实验可知：加有铅块(附加荷载)的最右边开始变形破坏，产生长而直的拉裂缝。模型在铅块边界形成了差异面，部分模型整体压缩沉降，其内部没有出现明显裂隙。大量的现场实际调查数据也反映了裂缝出现的位置与基坑壁到建筑物的距离有关：若建筑物与基坑壁距离较远，则裂缝出现在基坑壁与建筑物较近的轮廓线边界处；若建筑物与基坑壁的距离较近，则裂缝出现在基坑壁与建筑物较远的轮廓线边界处；一般不会出现在建筑物轮廓线内。

在应力保持不变的条件下，继续试验，无论是有附加荷载还是无附加荷载都出现不同程度的裂缝，说明变形并非瞬时完成，与时间有一定的关系，出现这种现象与岩土体的流变特性有关，变形的产生、发展是有一个过程的。在实验过程中，模型随着时间产生累进性破坏，与监测过程中变形累积增加相符；模型破坏位置与空间上荷载分布有关，体现了基坑变形的时空效应。

5 结论

通过底摩擦试验可以得出以下结论及建议：

1)在空间上，基坑在有附加荷载的作用下变形更快更明显。裂缝产生的位置与基坑壁到附加荷载(建筑物)作用边界及其大小都有关系。

2)在时间上，基坑的变形并非瞬时完成，在应力保持不变的条件下变形随时间持续增加，是一个持续产生的过程。

3)在实验过程中，模型随着时间产生累进性破坏，与监测过程中变形累积增加相符；模型破坏位置与空间上荷载分布有关，体现了基坑变形的时空效应。

4)在实际施工过程中应加强对基坑变形的监测，建议采取“及时发现，适时支护”的理念指导并完善基坑施工。

[1] 刘建航,刘国彬,范益群.软土基坑工程中时空效应理论与实践(上、下)[J].地下工程与隧道,1999(3,4)：45，49.

[2] 刘建航,侯学渊.基坑施工时空效应理论与实践[D].上海:同济大学,1997.

[3] 樊 凯.浅埋暗挖隧道开挖引起地层变位时空效应分析[D].武汉：华中科技大学硕士学位论文,2005.

[4] 贾 坚.软土时空效应原理在基坑工程中的应用[J].地下空间与工程,2005,4(1):491-493.

[5] 陈孝兵,李渝生,赵小平.底摩擦重力试验在倾倒变形岩体稳定性研究中的应用[J].地学前缘，2008，15(2)：300-304.

[6] 许 强,张登项,郑 光.锦屏级水电站左肩坝基边坡施工期破坏模式及稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2009，28(6)：1183-1192.

[7] 刘 鹏,张 俊,韩永昌,等.东兴场隧道水平岩层变性破坏机制的物理模拟研究[J].西南科技大学学报，2009，24(2)：32-36.

[8] 蔡国军,黄润秋,严 明,等.反倾向边坡开挖变形破裂响应的物理模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2008,27(4)：811-817.

[9] 张登项,许 强.基于底摩擦试验的锦屏一级水电站左岸岩石高边坡变形机制研究[J].地质灾害与环境保护,2008,19(1):71-75.

Bottomfrictiontestoftime-historyevolutioncharacteristicsofthewellsitefoundationdeformation

GUJian-jun

(EngineeringInspectionCenter,SinopecSouthwestOil-GasBranchCompany,Deyang618000,China)

On the basis of similarity theory, through establishing foundation geology structure model, applying bottom friction testing method used in physical simulation research, the paper studies the time and space deformation characteristics of foundation. Experimental results show that: foundation deformation is a continuous deformation process; foundation deformation will be faster and more obvious under additional load; deformation cracking location is related with additional load boundary.

foundation pit, bottom friction test, deformation feature, evolution characteristics

1009-6825(2014)14-0096-03

2014-03-02

辜建军(1970- )，男，工程师

TU463

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