SMP準(zhǔn)則修正的土壓力在上海中心大廈 基坑的應(yīng)用研究

姚正源

(上?？辈煸O(shè)計(jì)研究院〈集團(tuán)〉有限公司，上海 200093)

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

上海中心大廈工程位于上海浦東新區(qū)陸家嘴中心區(qū)Z3-1、Z3-2地塊(銀城中路501號(hào))，即原陸家嘴高爾夫球場(chǎng)。場(chǎng)地東臨東泰路，西靠銀城中路，南接陸家嘴環(huán)路，北望花園石橋路。

上海中心大廈由1幢121層主樓(結(jié)構(gòu)高度580 m、建筑頂高度632 m)和1幢5層商業(yè)裙房(高度38 m)組成，整個(gè)場(chǎng)地下設(shè)5層地下室，基礎(chǔ)形式均采用樁筏基礎(chǔ)，主樓基礎(chǔ)埋深為31.1 m，裙房基礎(chǔ)埋深約為26.3 m[1]。主樓樁基采用后注漿鉆孔灌注樁，樁徑1000 mm,核心筒區(qū)有效樁長(zhǎng)56.0 m，擴(kuò)展區(qū)有效樁長(zhǎng)52.0 m。裙房樁基采用鉆孔灌注樁，立柱樁使用樁端后注漿工藝，樁徑1000 mm,有效樁長(zhǎng)為35.7 m，抗拔樁樁徑700 mm,有效樁長(zhǎng)35.7 m。主樓基坑先施工，待主樓地下室施工出±0后再施工裙房基坑。主樓區(qū)域地下結(jié)構(gòu)采用明挖順作法施工，裙房區(qū)域地下結(jié)構(gòu)采用逆作法施工。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司提供的勘察報(bào)告(編號(hào)2008-A-002)，擬建場(chǎng)地屬正常地層分布區(qū)，淺部土層分布較穩(wěn)定，中下部土層除局部區(qū)域有夾層或透鏡體分布外，一般分布較穩(wěn)定。塔樓中心實(shí)施的17號(hào)勘探孔在289.57 m深度范圍內(nèi)揭示，本場(chǎng)地第四系覆蓋層厚度為274.80 m，屬第四系下更新統(tǒng)Q1至全新統(tǒng)Q4沉積物，主要由粘性土、粉土、砂土組成，一般具有成層分布特點(diǎn)；深度274.80 m以深為花崗巖層(燕山期侵入巖)。根據(jù)土的成因、結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)差異，第四系土層可劃分為14個(gè)主要層次(上海市統(tǒng)編地層第⑧層粘性土層缺失)。其中第⑤、⑦、⑨層根據(jù)土的成因、土性特征分為若干亞層和次亞層及透鏡體(第⑤1a、⑤1b層；第⑦1、⑦2、⑦3層；第⑨1、⑨2-1、⑨2t、⑨2-2、⑨3、⑨3t層)。地層剖面示意圖見圖1?；釉O(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖1上海中心大廈地層剖面示意
Fig.1Stratigraphic profile at Shanghai Center Tower

表1 上海中心大廈基坑設(shè)計(jì)參數(shù)Tbale 1 Foundation pit containment parameters of Shanghai Center Tower

第①層雜填土，松散，表層0.5～1.5 m深度范圍內(nèi)夾大量碎磚、碎石等雜物，局部區(qū)域?yàn)榛炷恋仄海虏慷嘁哉承酝翞橹?，夾植物根莖、石子等。

第②層褐黃-灰黃色粉質(zhì)粘土，可塑-軟塑，層面埋深約2.3 m，含氧化鐵斑點(diǎn)和鐵錳質(zhì)結(jié)核，局部以粘土為主。雜填土較厚區(qū)域該層缺失。

第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾砂質(zhì)粉土，流塑，層面埋深約3.5 m，在 5.0～7.0 m深度范圍夾層狀粉性土較多，土質(zhì)不均勻。

第④層灰色淤泥質(zhì)粘土，流塑，層面埋深8.0～10.0 m，分布較為穩(wěn)定，土質(zhì)較均勻，屬軟弱粘性土。

第⑤層根據(jù)土性不同可分為2個(gè)亞層：第⑤1a層灰色粘土，軟塑，層面埋深16.0～18.0 m，在擬建場(chǎng)地內(nèi)分布穩(wěn)定，土質(zhì)較均勻；第⑤1b層灰色粉質(zhì)粘土，軟塑-可塑，層面埋深19.5～21.5 m，該層底部夾多量粉性土。

第⑥層暗綠色粉質(zhì)粘土，硬塑，含氧化鐵斑點(diǎn)和鐵錳質(zhì)結(jié)核，該層在擬建場(chǎng)地大部分區(qū)域分布穩(wěn)定，層面起伏平緩，層面埋深一般在24.0 m左右，僅在場(chǎng)地東北側(cè)層面埋深略偏深(層面埋深27.2～28.5 m)，厚度較薄。

第⑦層據(jù)土性不同可分為3個(gè)亞層：第⑦1層草黃色砂質(zhì)粉土夾粉砂，中密-密實(shí)，在擬建場(chǎng)地分布穩(wěn)定；第⑦2層草黃-灰黃色粉砂，密實(shí)，土質(zhì)均勻，在擬建場(chǎng)地內(nèi)分布穩(wěn)定；第⑦3層灰色粉砂，密實(shí)，夾砂質(zhì)粉土及薄層粘性土，土質(zhì)不均勻。

第⑨層根據(jù)土性不同可分為⑨1、⑨2、⑨3層3個(gè)亞層，其中第⑨2、⑨3層中局部分布有透鏡體：第⑨1層灰色砂質(zhì)粉土，密實(shí)；第⑨2-1層灰色粉砂，密實(shí)；第⑨2t層灰色粉質(zhì)粘土夾粘質(zhì)粉土，可塑-硬塑，夾層狀粉砂，土質(zhì)不均；第⑨2-2層灰色粉砂，密實(shí)；第⑨3層灰色細(xì)砂，密實(shí)，土質(zhì)均勻；第⑨3t層灰色粉質(zhì)粘土，可塑-硬塑。

1.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司提供的勘察報(bào)告(編號(hào)2008-A-002)，場(chǎng)區(qū)地下水根據(jù)埋藏條件可劃分為淺層潛水及承壓水。

1.3.1 潛水

本場(chǎng)地淺部地下水屬潛水類型，主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水、地表逕流。勘探期間由鉆孔中測(cè)得的地下水埋深一般為0.75～3.90 m，相應(yīng)絕對(duì)標(biāo)高為3.36～0.40 m。上海地區(qū)地下水年平均水位埋深為0.5～0.7 m，低水位埋深為1.5 m。

1.3.2 承壓水

擬建場(chǎng)地深部第⑦層屬上海地區(qū)第一承壓含水層，其層頂埋深為28～30 m,其承壓水位埋深一般在3～11 m，承壓水位一般呈周期性變化，隨季節(jié)、氣候、潮汐等因素變化。正常情況下承壓水水位埋深為8.50～10.20 m。本場(chǎng)區(qū)由于缺失第⑧層粘性土，第Ⅰ、第Ⅱ承壓含水層(即第⑦層、第⑨層)相互連通,總厚達(dá)97 m，含水量極其豐富。開挖過(guò)程中持續(xù)穩(wěn)定按需降低承壓水，是本區(qū)基坑安全及施工順利實(shí)施的關(guān)鍵之一。

1.4 基坑圍護(hù)形式

采用地下連續(xù)墻(墻厚1.2 m、墻深50 m)作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)[2]。主樓區(qū)基坑內(nèi)設(shè)置6道環(huán)形支撐，頂面設(shè)置4個(gè)挖土平臺(tái)。各道環(huán)撐及棧橋范圍內(nèi)支撐實(shí)景圖見圖2，支撐情況見表2。

2 SMP土壓力計(jì)算原理

就材料的破壞準(zhǔn)則而言,以金屬材料為對(duì)象,有著名的二維應(yīng)力狀態(tài)下的特萊斯卡(Tesca)準(zhǔn)則和三維應(yīng)力狀態(tài)下的米澤斯(Mises)準(zhǔn)則。而對(duì)于土這樣的粒狀材料,有著名的二維應(yīng)力狀態(tài)下的莫爾-庫(kù)侖(Mohr-Coulomb)準(zhǔn)則,和由莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則推廣而得到的SMP(松崗-中井)準(zhǔn)則[3-5]?；赟MP理論，結(jié)合土的抗剪強(qiáng)度與內(nèi)摩擦角[6]，將三維情況下的土體破壞情況進(jìn)行分析，SMP土壓力計(jì)算原理分述如下[7-8]。

圖2 上海中心大廈支撐實(shí)景Fig.2 Support system of Shanghai Center Tower

支撐層數(shù)截面尺寸/mm支撐中心相對(duì)標(biāo)高/m第一道3700×1500-1.75第二道2800×1500-9.30第三道2800×1600-15.30第四道3000×1600-20.30第五道3000×1800-24.90第六道3000×1800-28.90

2.1 地下水位以上或水土合算的土層[9-10]

pak=(1/RPS)〔σak+(1-RPS)ccotφ〕

(1)

ppk=RPSσpk+(RPS-1)ccotφ

(2)

2.2 水土分算的土層

pak=(1/RPS)〔σak-ua+(1-RPS)ccotφ〕+ua

(3)

ppk=RPS(σpk-up)+(RPS-1)ccotφ+up

(4)

2.3 作用在擋土構(gòu)件上的分布土反力[11]：

ps=ksv+ps0

(5)

ks=ηm(z-H)

(6)

2.3.1 被動(dòng)區(qū)初始土壓力-主動(dòng)

合算：

ps0=(1/RPS)σpk

(7)

分算：

ps0=(1/RPS)(σpk-up)+up

(8)

2.3.2 被動(dòng)區(qū)初始土壓力-被動(dòng)

合算：

ps0=RPSσpk

(9)

分算：

ps0=RPS(σpk-up)+up

(10)

3 算例與分析

3.1 主動(dòng)土壓力算例

圖3給出了上海中心大廈基坑主動(dòng)土壓力隨開挖深度的曲線。

圖3 SMP修正土壓力與朗肯土壓力在主動(dòng)土壓力情況下的對(duì)比Fig.3 Comparison of SMP failure criteria and Rankine’s earth pressure in the active zone

兩種理論方式的計(jì)算與實(shí)測(cè)曲線的對(duì)比表明：

(1)基于SMP修正的土壓力在坑底以上小于朗肯土壓力，約為朗肯土壓力的85%；

(2)基于SMP修正的土壓力在坑底以下略小于朗肯土壓力，約為朗肯土壓力的95%；

(3)基于SMP修正的土壓力在按照土性分合算的情況下與坑底以上監(jiān)測(cè)值更為吻合。

這說(shuō)明基于SMP修正的土壓力相對(duì)于朗肯土壓力而言，更接近實(shí)測(cè)值。采用基于SMP修正的土壓力計(jì)算，能夠解決朗肯土壓力計(jì)算值過(guò)大的問(wèn)題，并且對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)仍留有一定的安全儲(chǔ)備，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中有廣泛的應(yīng)用前景。

3.2 被動(dòng)土壓力算例

圖4給出了上海中心大廈基坑被動(dòng)土壓力隨開挖深度的曲線。

兩種理論方式的計(jì)算與實(shí)測(cè)曲線的對(duì)比表明：

(1)基于SMP修正的土壓力與朗肯土壓力計(jì)算值在被動(dòng)區(qū)趨勢(shì)相反；

(2)基于SMP修正的土壓力更符合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)；

圖4 SMP修正土壓力與朗肯土壓力在被動(dòng)土壓力情況下的對(duì)比Fig.4 Comparison of SMP failure criteria and Rankine’s earth pressure in the passive zone

(3)朗肯土壓力在被動(dòng)區(qū)出現(xiàn)了小于實(shí)測(cè)值的情況，偏不安全。

這說(shuō)明基于SMP修正的土壓力相對(duì)于朗肯土壓力而言，SMP修正的土壓力與實(shí)測(cè)值最為接近，且仍留有一定的安全儲(chǔ)備。

4 結(jié)論

(1)本文給出了SMP土壓力計(jì)算原理在水土分算、水土合算以及被動(dòng)區(qū)土壓力的計(jì)算公式，有利于工程師今后在實(shí)際工程中對(duì)SMP修正土壓力的運(yùn)用。

(2)對(duì)比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由朗肯土壓力公式所得主動(dòng)土壓力值通常都較實(shí)測(cè)值偏大，過(guò)于保守。SMP修正土壓力比傳統(tǒng)的朗肯土壓力理論更接近實(shí)測(cè)值，能夠更好地發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度潛力，采用SMP修正土壓力進(jìn)行圍護(hù)設(shè)計(jì)可產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)在被動(dòng)區(qū)，基于SMP修正的土壓力相對(duì)于朗肯土壓力而言，更接近實(shí)測(cè)值，且更符合實(shí)測(cè)值的趨勢(shì)，并有一定的安全儲(chǔ)備，故基于SMP修正的土壓力更接近被動(dòng)土壓力。