新填海場(chǎng)地深基坑設(shè)計(jì)淤泥強(qiáng)度的取值

馮永乾，馬 馳，郭亞磊

(1.深圳市建筑工務(wù)署，廣東 深圳 518000；2.鐵科院(深圳)研究設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 深圳 518034)

1 工程概況

深圳機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建項(xiàng)目場(chǎng)地原來(lái)為海域，后改造成魚(yú)塘。場(chǎng)地海積淤泥層厚6.0～12.0 m，采用排水固結(jié)堆載預(yù)壓法處理。滿載60 d后進(jìn)行基坑支護(hù)，基坑深13～17 m，采用咬合樁+錨索支護(hù)。

自開(kāi)始填海至基坑開(kāi)挖，共進(jìn)行了4次勘察：①初步勘察，在填海工程開(kāi)工前進(jìn)行。②基坑勘察，此時(shí)基坑場(chǎng)地剛滿載，固結(jié)度52.3%。③基坑開(kāi)挖前勘察，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)完工基坑開(kāi)挖之前進(jìn)行。此時(shí)場(chǎng)地滿載預(yù)壓約60 d，固結(jié)度82.5%。④軟基處理效果檢測(cè)。基坑開(kāi)挖到底，周邊場(chǎng)地達(dá)到卸載標(biāo)準(zhǔn)，固結(jié)度98.2%。堆載預(yù)壓實(shí)測(cè)沉降時(shí)程曲線見(jiàn)圖1。

圖1 堆載預(yù)壓實(shí)測(cè)沉降時(shí)程曲線

2 室內(nèi)試驗(yàn)存在的問(wèn)題

2.1 不固結(jié)不排水強(qiáng)度

淤泥屬于高靈敏度黏土，在取樣和室內(nèi)試驗(yàn)過(guò)程中受卸荷、機(jī)械擾動(dòng)的影響導(dǎo)致其不固結(jié)不排水強(qiáng)度降低。文獻(xiàn)[1-2]研究了擾動(dòng)對(duì)軟黏土不固結(jié)不排水強(qiáng)度的影響，卸荷引起的強(qiáng)度降低幅度一般在10%以內(nèi)，而機(jī)械擾動(dòng)引起的強(qiáng)度降低幅度較大，幾乎達(dá)到90%以上。

深圳機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建項(xiàng)目場(chǎng)地海積淤泥靈敏度大于3.5，平均深度8.0 m。以埋深4.0 m處的海積淤泥強(qiáng)度為例，比較各階段不固結(jié)不排水強(qiáng)度、十字板抗剪強(qiáng)度。場(chǎng)地插板排水堆載預(yù)壓，上部填土(砂)厚6.0 m，滿載后該處淤泥埋深10.0 m。

各階段淤泥不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度與十字板抗剪強(qiáng)度對(duì)比見(jiàn)表1?？梢钥闯觯孩贁_動(dòng)越嚴(yán)重的土樣強(qiáng)度越低；②不固結(jié)不排水強(qiáng)度約為十字板抗剪強(qiáng)度的1/4，基本上等于重塑土的十字板抗剪強(qiáng)度，擾動(dòng)使土體的強(qiáng)度降低了75%左右。

表1 各階段海積淤泥三軸不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度與十字板抗剪強(qiáng)度對(duì)比

不固結(jié)不排水試驗(yàn)不能很好反映土的真實(shí)強(qiáng)度，而十字板剪切試驗(yàn)不僅能夠減少擾動(dòng)，同時(shí)能夠真實(shí)反映原位強(qiáng)度，是一種合理的試驗(yàn)方法。

2.2 固結(jié)不排水強(qiáng)度

土樣擾動(dòng)對(duì)軟黏土固結(jié)不排水強(qiáng)度的影響也不容忽視。擾動(dòng)使得土樣在室內(nèi)測(cè)定的固結(jié)不排水強(qiáng)度高于原位強(qiáng)度[3]。土樣在固結(jié)不排水試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生的體積壓縮，也往往會(huì)導(dǎo)致測(cè)定的強(qiáng)度高于原位強(qiáng)度。

3 采用十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果推算抗剪強(qiáng)度

對(duì)于軟黏土等靈敏度高的軟土，采用十字板剪切試驗(yàn)等原位試驗(yàn)方法可以確定基坑設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。采用TB 10018—2018《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》推薦的方法，根據(jù)十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果推算海積淤泥固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度。

為了避免不同鉆孔強(qiáng)度的誤差，選取各個(gè)階段鉆孔的十字板平均強(qiáng)度作為統(tǒng)計(jì)依據(jù)。各施工階段十字板抗剪強(qiáng)度與深度關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 各施工階段海積淤泥的十字板抗剪強(qiáng)度與深度的關(guān)系曲線

深圳機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建項(xiàng)目各施工階段十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果推算的海積淤泥抗剪強(qiáng)度和室內(nèi)試驗(yàn)(三軸固結(jié)不排水試驗(yàn))抗剪強(qiáng)度對(duì)比見(jiàn)表2?？梢钥闯觯孩偃S固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度在4個(gè)施工階段基本沒(méi)有變化,與實(shí)際不符;采用十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果推算的抗剪強(qiáng)度能夠反映出實(shí)際強(qiáng)度。②隨著海積淤泥固結(jié)度的增加，內(nèi)摩擦角增加，黏聚力基本不變。

表2 采用各施工階段十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果推算的淤泥抗剪強(qiáng)度和三軸固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度對(duì)比

4 由軟基處理沉降曲線推算抗剪強(qiáng)度

1967年Terzaghi和Peck提出了不排水抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)量公式，之后國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了飽和軟黏土固結(jié)強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律的研究。國(guó)內(nèi)的研究以曾國(guó)熙等提出的有效應(yīng)力法[4]和沈珠江提出的有效固結(jié)應(yīng)力法[5]為代表，我國(guó)現(xiàn)行的規(guī)范基本上都是采用這2種方法計(jì)算土的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)量。

沈珠江認(rèn)為土體破壞過(guò)程歷時(shí)短暫,剪縮引起的孔隙水壓力來(lái)不及消散,因此土體破壞時(shí)強(qiáng)度接近于不排水強(qiáng)度，淤泥的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)量取決于破壞前潛在破壞面上有效應(yīng)力的增加量。文獻(xiàn)[6]在一個(gè)邊坡工程中應(yīng)用了有效固結(jié)應(yīng)力法，證明其計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際。

4.1 采用改進(jìn)的有效固結(jié)應(yīng)力法推算抗剪強(qiáng)度

根據(jù)沈珠江提出的有效固結(jié)應(yīng)力法，十字板增長(zhǎng)量強(qiáng)度的增長(zhǎng)量和固結(jié)度的關(guān)系為

Δτf=ΔσzUttgφcu

(1)

式中：Δτf為t時(shí)刻十字板抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)量；Δσz為t時(shí)刻土層豎向應(yīng)力的增長(zhǎng)量；Ut為t時(shí)刻淤泥的固結(jié)度；φcu為三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)求得的淤泥內(nèi)摩擦角。

軟基排水固結(jié)過(guò)程中，土的平均固結(jié)度可用應(yīng)變來(lái)表征，t時(shí)刻淤泥的固結(jié)度為

Ut=St/Sc

(2)

式中：St為t時(shí)刻淤泥層固結(jié)沉降量;Sc為淤泥層最終固結(jié)沉降量。

固結(jié)度亦可以表達(dá)為含水率的關(guān)系，即

Ut=(w0-wt)/(w0-wc)

(3)

式中：w0為初始狀態(tài)淤泥的含水率；wt為t時(shí)刻淤泥的含水率；wc為固結(jié)度100%時(shí)淤泥的含水率。

t時(shí)刻淤泥的強(qiáng)度計(jì)算公式為

τf=σztgφt+c

(4)

τf=τf0+Δτf

(5)

式中：τf為t時(shí)刻淤泥十字板抗剪強(qiáng)度；τf0為淤泥十字板初始抗剪強(qiáng)度，τf0=σz0tgφ0+c,σz0為土層的初始豎向應(yīng)力，φ0為淤泥初始內(nèi)摩擦角，可由十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果推算,c為淤泥黏聚力;σz為t時(shí)刻土層的豎向壓力，σz=σz0+Δσ,Δσ為土層豎向應(yīng)力的增長(zhǎng)量；φt為t時(shí)刻淤泥內(nèi)摩擦角。

由式(1)、式(4)、式(5)可得

深圳機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建項(xiàng)目淤泥平均深度取8.0 m，計(jì)算可得

由式(7)可知，在附加荷載一定的條件下排水固結(jié)處理的軟基強(qiáng)度增長(zhǎng)量和孔隙比、含水率成正比。

將基坑各施工階段勘察結(jié)果的平均值與推算值進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表3。可以看出:勘察值與推算值較接近，本文改進(jìn)的有效固結(jié)應(yīng)力法能較好反映淤泥強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律。

表3 基坑各階段勘察結(jié)果的平均值與推算值對(duì)比

4.2 采用實(shí)測(cè)沉降曲線推算抗剪強(qiáng)度

基坑范圍內(nèi)排水固結(jié)軟基處理沉降時(shí)程曲線見(jiàn)圖3。排水固結(jié)處理過(guò)程中隨著超靜孔壓的消散，場(chǎng)地強(qiáng)度提高，發(fā)生沉降。

圖3 基坑范圍內(nèi)排水固結(jié)軟基處理沉降時(shí)程曲線

排水固結(jié)處理過(guò)程中單向壓縮時(shí)沉降量St與孔隙比的關(guān)系式為

(9)

式中：H為淤泥厚度；e0為淤泥初始孔隙比；Δe為孔隙比的變化量；et為t時(shí)刻淤泥孔隙比。

由式(9)可得

(10)

wt的計(jì)算公式為

(11)

式中：Sr為飽和度；Gs為土粒相對(duì)密度。

由式(2)、式(7)、式(8)、式(11)可得

采用實(shí)測(cè)沉降曲線推算的孔隙比、含水率、抗剪強(qiáng)度與勘察值對(duì)比見(jiàn)表4。可知,推算值與勘察值基本一致。這說(shuō)明排水固結(jié)軟基處理時(shí)采用實(shí)測(cè)沉降曲線推算淤泥強(qiáng)度可行。

表4 各階段推算值和勘察值對(duì)比

5 基坑設(shè)計(jì)淤泥強(qiáng)度取值方法

進(jìn)場(chǎng)施工時(shí)剛剛完成堆載，預(yù)計(jì)咬合樁施工時(shí)間為60 d。開(kāi)挖基坑時(shí)淤泥固結(jié)度為80%。利用軟基處理沉降曲線推算的淤泥層含水率為63.5%，不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：c=6.0 kPa,φt=10.7°。設(shè)計(jì)取值：c=6.0 kPa,φt=10.0°。

開(kāi)挖基坑前，沿基坑外側(cè)每60 m 布置1個(gè)鉆孔，共布置36 個(gè)鉆孔，其中原位測(cè)試孔和室內(nèi)試驗(yàn)孔各占1/2。室內(nèi)試驗(yàn)淤泥處理后含水率為62%；十字板剪切試驗(yàn)所得的淤泥層平均強(qiáng)度為22.8 kPa，由十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果推算的不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：c=6.0 kPa,φt=10.5°?？梢?jiàn)依據(jù)軟基處理沉降曲線推算的抗剪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)取值與十字板剪切試驗(yàn)所得的抗剪強(qiáng)度基本一致。

基坑開(kāi)挖到底時(shí)采用設(shè)計(jì)取值計(jì)算的位移與實(shí)測(cè)位移對(duì)比見(jiàn)圖4?？梢?jiàn):計(jì)算位移與實(shí)測(cè)位移基本一致，表明利用軟基處理沉降曲線推算淤泥強(qiáng)度是合理的。

圖4 基坑開(kāi)挖到底時(shí)采用設(shè)計(jì)取值計(jì)算的位移與實(shí)測(cè)位移對(duì)比

6 結(jié)論

1)由于取樣和試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)淤泥有擾動(dòng)，室內(nèi)試驗(yàn)得出的淤泥不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度與十字板剪切試驗(yàn)所得的不排水抗剪強(qiáng)度相差較大。深圳機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建項(xiàng)目4次勘察結(jié)果顯示，淤泥不固結(jié)不排水強(qiáng)度僅有十字板抗剪強(qiáng)度的1/4，接近重塑土的十字板抗剪強(qiáng)度。

2)十字板剪切試驗(yàn)不僅能夠減少擾動(dòng)的影響，而且能夠真實(shí)反映實(shí)際強(qiáng)度，是一種合理的試驗(yàn)方法。在進(jìn)行基坑設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，采用十字板抗剪強(qiáng)度推算實(shí)際強(qiáng)度比較合理。

3)排水固結(jié)處理的淤泥處于欠固結(jié)狀態(tài)，附加荷載一定時(shí)其強(qiáng)度增長(zhǎng)量和孔隙比、含水率成正比。

4)利用場(chǎng)地排水固結(jié)軟基處理實(shí)測(cè)沉降曲線推算的孔隙比、含水率、抗剪強(qiáng)度與勘察值相符。采用設(shè)計(jì)取值計(jì)算的位移與實(shí)測(cè)位移基本一致，說(shuō)明利用實(shí)測(cè)沉降曲線推算淤泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)可行。