建筑机械偏心荷载对开挖稳定性影响离心试验

房明，杨俊杰



建筑机械偏心荷载对开挖稳定性影响离心试验

房明1，杨俊杰2

(1. 广东财经大学 公共管理学院，广东 广州 510320；2. 中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100)

在建筑机械开挖市政管线的沟槽过程中，由于沟槽沟壁滑坡、塌方，挖掘机倾翻，造成经济损失和人员伤亡的工程事故日益增多。如何防御此类工程灾害是工程界普遍关注的前沿课题之一。通过模拟沟槽开挖过程的离心模型试验，讨论建筑机械在开挖沟槽过程中产生的偏心荷载的大小、与沟壁的距离以及偏心距等因素对沟槽沟壁的破坏形态、开挖深度及沟槽边坡滑动土体宽度等的影响。通过研究，可为沟槽等土方开挖安全施工及灾害防御提供重要支撑。

建筑机械；偏心荷载；开挖；稳定性；离心模型试验

土方开挖是工程中经常遇到的问题。近年来，在市政管线的沟槽开挖过程中，沟槽沟壁滑坡、塌方，挖掘机倾翻的事故时有发生，从而造成了一定的人员伤亡和经济损失。因此，研究开挖条件下地基的破坏规律和机理，对于土方开挖安全施工和灾害预警都具有重要的指导作用。一般来说，土方坍塌问题的实质是土方边坡的失稳[1]。即沟槽沟壁滑坡坍塌的根本原因是随着开挖的进行，边坡土体中的剪应力大于土的抗剪强度。究其原因，一方面必须考虑开挖行为导致坡体内部的应力应变场重分布，并降低岩土强度参数[2]；另一方面还须考虑挖掘机荷载的影响，即挖掘机动荷载的近距扰动可降低岩土强度参数以及挖掘机静荷载对沟槽沟壁稳定性的影响等因素[3]。其中挖掘机静荷载不仅包括挖掘机自重产生的中心荷载还应考虑挖掘机在不同的施工工况下产生的偏心荷载，包括挖掘机抓铲动臂循环往复的提升、下降、转动等开挖行为产生的偏心荷载。然而，在基坑等开挖工程分析计算建筑机械荷载时，往往将建筑机械荷载取为10~50 kPa的定值，这个取值对于挖掘机在正常行驶状态时是适用的，但是在施工工况下，由于挖掘机抓铲动臂循环往复的提升、下降、转动等开挖行为必然产生一定的偏心荷载，从而导致挖掘机荷载增大。因此，简单地将建筑机械荷载取定值的计算方法忽略了挖掘机偏心荷载对开挖稳定性的影响。离心模型试验由于具有再现原型特性并能保持模型与原型应力等效的优点，在土方开挖的稳定性和破坏机理研究等方面已经得到了广泛应用[4]。不过，土方开挖的离心模型试验研究主要集中在开挖行为导致的失稳破坏形态和规律等方面[5−8]，而从建筑机械荷载条件对于开挖稳定性影响的角度深入探讨开挖引起的失稳破坏形态及机理的相关研究报道较少。房明等[9]通过模拟沟槽开挖过程的离心模型试验，讨论了挖掘机自重产生的中心荷载对开挖稳定性的影响。本文进一步通过模拟沟槽开挖的离心模型试验，着重探讨挖掘机偏心荷载的大小和偏心距对开挖过程中沟槽沟壁的破坏形态、开挖深度及沟槽边坡滑动土体宽度的影响。

1 试验设备

图1为履带式挖掘机开挖沟槽示意图，其中为履带板宽，为履带全宽，为挖掘机与沟槽沟壁之间的距离(以距离沟槽沟壁最近的履带板 计算)。

本试验使用的土工离心机是日本产业安全研究所NIIS Mark-II土工离心机及在其上开挖的开挖模拟设备，如图2所示，其性能参数参见文献[10]。该开挖设备采用刀片将欲开挖土体从地基土上切下并推离，可较好实现离心机运转过程中的土方即时开挖和多次开挖。地基土体的变形和破坏形态采用离心场图像采集系统进行观察与记录。

图1 履带式挖掘机开挖沟槽示意图

单位：mm

2 模型制作

2.1 地基模型

制作模型地基的模型箱的内部尺寸为450 mm×100 mm×272 mm。为了减小开挖时模型箱侧壁摩擦对地基土变形的影响，在模型箱非观测面贴有2层塑胶膜并在2层膜之间刷上硅油。

地基土为砂土，制作地基时沿深度方向上每10 mm间隔铺设一层5 mm厚的黑色砂，以便于清晰观察沟壁的破坏形态。模型地基的物理力学指标，如表1所示。

表1 模型地基的物理力学指标

2.2 挖掘机偏心荷载模型

根据履带式挖掘机的相关参数，可将挖掘机等建筑机械自重产生的中心荷载近似视为2个相连的条形均布荷载，其中挖掘机模型的履带板宽=20 mm；履带全宽=5=100 mm。由此得到本试验的挖掘机等建筑机械中心荷载模型，如图3(a)所示，模型上半部分为铁块，下半部分为铝块，质量相同均为487.71 g，模型总质量=975.42 g。偏心荷载模型的总质量与中心荷载模型相同，均为975.42 g。偏心荷载模型，如图3(b)和3(c)所示，为了模拟挖掘机施工工况，将模型上半部分的铁块固定在靠近沟壁的条形荷载上，并通过改变铁块的形状，调整偏心距的大小。本试验的偏心距有2种，分别为=20 mm(/5)及25 mm(/4)，计算得到的挖掘机接触压力，如图3(b)和3(c)所示。

图3 挖掘机偏心荷载模型

3 试验方案与方法

试验方案如表2所示。其中，靠近沟壁的条形荷载的接触压力平均值=(max+1)/2=106.8 kPa和115.6 kPa，分别为模型地基极限承载力(700 kPa)的15.3%和16.5%。此外，试验方案也设计了无建筑机械荷载及建筑机械中心荷载作用时的沟槽开挖 试验。

试验方法如图4所示。首先，将模型箱放置于离心机吊斗，安装开挖设备，并将开挖刀位置调整好，将挖掘机等建筑机械荷载的模型放置于水平地基表面。最后，将离心机运转至预定的离心加速度30 G后进行开挖试验，开挖刀单向运行，挖除地基土层厚度每次约5 mm，开挖土层的宽度约等于模型箱的厚度(100 mm)，直至发生土方坍塌。

表2 开挖试验方案(离心加速度：30G)

图4 离心场中开挖试验模式图

4 离心模型试验结果

4.1 沟槽的开挖深度

偏心距对开挖深度的影响，见图5。当=16 mm时，无论偏心距的大小，开挖深度均为50 mm且与无建筑机械荷载时的开挖深度51 mm几乎相等，表明偏心距对开挖深度基本无影响。当=10 mm时，开挖深度受偏心距的影响较大，由图5可知，随着偏心距的增大，开挖深度减小。

在本试验条件下，当=16 mm时，即挖掘机与沟槽沟壁的距离较远时，偏心距对开挖深度几乎没有影响，表明挖掘机位于建筑机械荷载非影响区；当＝10 mm时，即挖掘机与沟槽沟壁的距离较近时，偏心距对开挖深度影响较大，开挖深度随着偏心距的增大而减小，表明挖掘机位于建筑机械荷载影响区。

图5 偏心距对开挖深度的影响

4.2 沟槽沟壁破坏形态

图6为各试验的沟壁破坏形态。图6(a)为无建筑机械荷载时的沟壁破坏形态，图6(b)和6(e)为建筑机械中心荷载(=71.8 kPa)作用时的沟壁破坏形态。如图6(c)和6(d)所示，当=10 mm即挖掘机位于建筑机械荷载影响区且有偏心时，首先是沟壁坍塌，随后挖掘机倾倒。当=16 mm即挖掘机位于建筑机械荷载非影响区时，见图6(f)和6(g)，挖掘机没有发生倾翻现象。

在建筑机械偏心荷载的作用下(接触压力为地基极限承载力的15.3%和16.5%；偏心距为=/5，=/4)，沟壁的破坏形态如图6(c)，6(d)，6(f)和6(g)所示，与无建筑机械荷载时(图6(a))相似，表明沟壁的破坏形态不受建筑机械荷载的大小及其与沟壁的距离和偏心距的影响，均属于开挖稳定性占支配地方的破坏形态[11−13]。

图6 沟槽沟壁的破坏形态

4.3 沟壁坍塌时滑动土体的宽度

如图7所示，无论挖掘机分别位于建筑机械荷载影响区和非影响区，滑动土体的宽度在11~13 mm之间，而无荷载时的=12 mm，两者基本相同。表明沟壁坍塌时滑动土体的宽度不受建筑机械荷载距沟壁的距离及偏心距大小的影响。

4.4 开挖过程中挖掘机偏心荷载模型的倾翻情况

开挖过程中挖掘机偏心荷载模型的倾翻情况，见图8。如图8(a)所示，当=10 mm即挖掘机位于建筑机械荷载影响区且有偏心时，在沟壁坍塌之前挖掘机产生微小的倾斜角度，沟壁坍塌瞬时挖掘机发生倾翻(对应图6(c)和6(d)照片)。如图8(b)所示，当=16 mm即挖掘机位于建筑机械荷载非影响区时，即使沟壁坍塌，挖掘机也未发生倾翻现象(对应图6(f)和6(g)照片)，挖掘机倾斜角度均小于1°，表明偏心距对挖掘机的倾斜不产生影响。

图7 偏心距与沟壁滑动土体的宽度的关系

图8 开挖过程中挖掘机偏心荷载模型的倾翻情况

5 结论

1) 当挖掘机距离开挖沟槽沟壁较近，即位于建筑机械荷载影响区时，偏心距对开挖深度影响较大，开挖深度随着偏心距的增大而减小；当挖掘机距离开挖沟槽沟壁较远，即位于建筑机械荷载非影响区时，偏心距对开挖深度的影响可忽略。

2) 挖掘机偏心荷载作用下的沟槽沟壁破坏形态与中心荷载作用时相同，均属于由开挖稳定性决定的破坏形态。并且沟槽沟壁的破坏形态及沟壁坍塌时滑动土体的宽度均不受建筑机械偏心荷载的大小、偏心距及其与沟壁距离的影响。

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Influence of construction machinery eccentric load on stability of excavation by centrifugal model test

FANG Ming1, YANG Junjie2

(1. College of Public Administration, Guangdong University of Finance & Economics, Guangzhou 510320, China; 2. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

In the process of excavating municipal pipelines by construction machinery, trench wall slumping and excavating machine leaning make engineering accidents that lead to economic and casualties losses increase. How to avoid slumping accidents due to excavation is a project which desiderates researching. The influence of construction machinery eccentric load on trench stability by centrifuge model tests which simulate the process of trench excavation is discussed. This study will also provide important support to the safe construction and disaster prevention of trench excavation.

construction machinery; eccentric load; excavation; stability; centrifuge model test

TU443

A

1672 − 7029(2018)01 − 0213 − 07

2016−12−29

广州市科技计划资助项目(201607010264)；广东财经大学校级课题资助项目(14ZXRW56001)

房明(1981−)，女，山东淄博人，讲师，博士，从事岩土工程与地下工程开挖安全预警方面的研究工作；E−mail：paopao8179pao@163.com