反壓土在某軟土懸臂支護(hù)基坑中的應(yīng)用

朱禮鵬

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

為滿足深圳地區(qū)航空業(yè)務(wù)量的增長(zhǎng)，深圳寶安國(guó)際機(jī)場(chǎng)開展了三跑道擴(kuò)建工程。作為三跑道擴(kuò)建的重要保障工程，4#調(diào)蓄池泵閘站新建工程在機(jī)場(chǎng)4#調(diào)蓄池南側(cè)新建一座抽排流量為72.0m3/s、抽排揚(yáng)程為2.7m的排澇泵站。工程基坑位置占用調(diào)蓄池及海堤，需要對(duì)現(xiàn)狀調(diào)蓄池進(jìn)行場(chǎng)平后開挖施工，施工過程中需破除海堤，同時(shí)要保障城市防潮安全，邊界極其復(fù)雜。因此基坑需分兩期實(shí)施，一期實(shí)施海堤內(nèi)側(cè)調(diào)蓄池部分，二期實(shí)施海堤及臨海側(cè)部分。

一期基坑寬70m、長(zhǎng)90m，呈七邊形，面積為6553m2。為匹配三跑道施工進(jìn)度，縮短施工工期，減少城市防潮風(fēng)險(xiǎn)，基坑采用懸臂式支護(hù)。海堤側(cè)基坑深12.65m，海堤外五年一遇高潮位為2.74m，普通懸臂式支護(hù)無法滿足安全要求，因此需要結(jié)合泵站主體分縫，利用海堤子堤填石對(duì)該段基坑進(jìn)行反壓。

除《巖土工程治理手冊(cè)》[1]中將反壓土簡(jiǎn)化為被動(dòng)區(qū)土地的豎向應(yīng)力及對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向應(yīng)力外，目前國(guó)內(nèi)尚無其他規(guī)范或手冊(cè)明確反壓土的計(jì)算方法。在工程應(yīng)用方面，竇華港等人[2- 3]結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)與施工中的反壓土對(duì)該工藝應(yīng)用進(jìn)行了分析。王寧等人[4- 5]對(duì)水利工程中的基坑設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)進(jìn)行了分析。

金亞兵等人[6- 8]開展了反壓土對(duì)基坑支護(hù)的作用及簡(jiǎn)化計(jì)算方法研究，提出了附加荷載法、Boussinesq附加應(yīng)力法、彈性地基梁法等反壓土分析計(jì)算方法；李順群等人[9- 11]通過數(shù)值計(jì)算、室內(nèi)模型試驗(yàn)及有限元方法分析了反壓土效果的影響因素，給出了經(jīng)濟(jì)效益較大的反壓土截面特性；蔣邵軒[12]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)及有限元分析驗(yàn)證了反壓土的效果，給出了較經(jīng)濟(jì)的反壓土尺寸；劉暢等人[13- 14]通過有限元計(jì)算分析了軟黏土蠕變特性對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及基坑穩(wěn)定變形的影響。目前常用的深基坑設(shè)計(jì)軟件無法考慮反壓土的作用，文章針對(duì)海堤側(cè)基坑懸臂咬合樁并利用現(xiàn)狀子堤填石回填作為反壓土的工法，通過彈性地基梁法計(jì)算反壓土水平反力系數(shù)的比例系數(shù)后代入深基坑設(shè)計(jì)軟件計(jì)算基坑穩(wěn)定、變形參數(shù)及樁身內(nèi)力，結(jié)合基坑監(jiān)測(cè)資料，驗(yàn)證反壓土的實(shí)際效果。

1 反壓土工作機(jī)理及計(jì)算方法

反壓土對(duì)基坑的作用主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①以基底超載的形式作用于基坑底，增大基坑內(nèi)被動(dòng)土壓力，同時(shí)通過增大被動(dòng)土壓力相對(duì)于樁底的作用力臂的方式實(shí)現(xiàn)力矩增加以減小嵌固深度，增強(qiáng)整體穩(wěn)定性；②反壓土提供對(duì)支護(hù)樁的水平向彈簧剛度，有效增加基坑側(cè)的作用力，減小支護(hù)樁的水平位移，減小基坑外地面沉降。

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查，反壓土的計(jì)算方法主要有以下四種：附加荷載法[6]、Boussinesq附加應(yīng)力法[9]、彈性地基梁法[7]、有限元法。其中附加荷載法及Boussinesq附加應(yīng)力法均只能應(yīng)用于基坑抗滑移計(jì)算、抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算及嵌固深度計(jì)算；彈性地基梁法及有限元法可用于支護(hù)樁的內(nèi)力及位移計(jì)算，因此更適用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)中。彈性地基梁法需要對(duì)被動(dòng)區(qū)及反壓土體的彈簧剛度系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，且不同深度的彈簧剛度系數(shù)并非呈線性分布，因此采用手動(dòng)計(jì)算難度較大，文章采用GEO5及MADIS GTS NX軟件進(jìn)行計(jì)算。

2 工程計(jì)算分析

2.1 工程背景

場(chǎng)地原始地貌為濱海灘涂地，現(xiàn)狀為原4#調(diào)蓄水池以及海堤路。工程區(qū)域地層自上而下依次為素填土、填石、淤泥、黏土、中砂、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖。土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

場(chǎng)地地表水主要為海水，海水水位高程為-0.8～2.0m。水位波動(dòng)受潮汐影響較大，變化幅度為2～3m。場(chǎng)地混合穩(wěn)定水位埋深為1.00～6.70m，混合穩(wěn)定水位高程為-3.37～1.65m，地下水位變化受季節(jié)性大氣降水的下滲及潮汐影響較大，變化幅度為2～3m。地下水主要由海水、大氣降水補(bǔ)給，排泄方向大致由東北向西南，最終匯入大海。地下水與海水關(guān)系密切，漲潮時(shí)，地下水受海水補(bǔ)給；退潮時(shí)，地下水排入海中。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

一期基坑位于現(xiàn)狀4#調(diào)蓄池水域內(nèi)，現(xiàn)狀地面高程為-1.0～-4.5m，無法開展基坑開挖及主體結(jié)構(gòu)施工作業(yè)，因此采用先填后挖施工工藝。首先采用進(jìn)占法填筑填石圍堰，再采用進(jìn)占法往場(chǎng)平范圍內(nèi)填筑黏土至設(shè)計(jì)場(chǎng)平高程1.5～2.5m。待沉降完成后，鋪設(shè)臨時(shí)施工道路，道路頂高程為2.5m。

文章研究的海堤側(cè)支護(hù)段位于基坑?xùn)|南側(cè)，為方便基坑支護(hù)樁施工，將一、二期基坑支護(hù)樁設(shè)置于主海堤與子海堤之間的黏土位置。主堤堤頂高程為5.65m，逐級(jí)放坡至施工平臺(tái)1.5m，基坑底高程為-7.00m，基坑深12.65m。樁頂以上通過主、子堤間黏土防滲，樁頂以下通過咬合樁防滲。根據(jù)鉆孔資料，主、子堤間并非全為黏土，且填石未落底，被動(dòng)區(qū)存在1～3m厚的淤泥，采用φ1200@2000沖孔灌注樁支護(hù)，樁長(zhǎng)29m，嵌固深度為20.5m，如圖1所示。

圖1 海堤側(cè)基坑支護(hù)斷面圖(水位單位：m;尺寸單位：mm)

2.3 計(jì)算與分析

海堤側(cè)基坑開挖深度為12.65m，長(zhǎng)70m，樁頂放坡4.15m，樁基豎直支護(hù)段為8.50m。采用灌注樁支護(hù)，素砼咬合樁止水(只考慮其止水作用)。根據(jù)文獻(xiàn)[12]分析，當(dāng)反壓土高度h=0.5H(基坑深度)、寬度bl=0.75h時(shí)，反壓土的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益最明顯；根據(jù)泵站主體結(jié)構(gòu)分縫，一期施工泵站主體離基坑邊緣7.0m，為不影響泵站主體施工，設(shè)置反壓土頂部寬2.6m，底部寬7.0m，高3.5m，支護(hù)樁入土深20.5m，支護(hù)樁樁長(zhǎng)29.0m。

采用南京庫(kù)侖GEO5軟件對(duì)海堤側(cè)反壓土基坑進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，并通過MIDAS GTS NX有限元軟件對(duì)海堤側(cè)基坑模型分別按無反壓土及有反壓土兩種工況進(jìn)行模擬。

對(duì)于反壓土的模擬，其豎向作用根據(jù)土體自重可以直接在軟件中考慮，因此最關(guān)鍵的是如何確定反壓土的水平反力系數(shù)。當(dāng)采用彈性地基梁算法時(shí)，反壓土的土彈簧剛度見下式：

(1)

α(z)=SAFGC/SACI

(2)

β=b/λH

(3)

式中，z—從反壓土頂面到計(jì)算點(diǎn)的深度,m；zB、zC、zD、zE—反壓土頂至反壓土水平系數(shù)上限分界點(diǎn)B、基坑底C、下限分界點(diǎn)D、樁底E處的距離；m—地基基床系數(shù)隨深度變化的比例系數(shù)；α(z)—反壓土體的形狀系數(shù)；β—由于反壓土左側(cè)存在臨空面而引入的松弛修正系數(shù)，可根據(jù)土質(zhì)條件、反壓土頂寬、坡度、高度、降水效果、工期，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)綜合確定，本工程中為了達(dá)到更好的效果，采用抽條法施工，并將開挖出的子堤填石回填至坑底，因此開挖對(duì)原土有一定的擾動(dòng)，土臺(tái)發(fā)生應(yīng)力松弛，β取0.8；λH—基坑開挖影響范圍，λ一般取3～5。

圖2 海堤側(cè)基坑反壓土作用分析簡(jiǎn)圖(單位：m)

如圖2所示，由于軟件只能對(duì)反壓土體設(shè)置一個(gè)m值，因此需要計(jì)算反壓土的綜合m值代入軟件計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，AB段長(zhǎng)1.82m，α(z)=1；BC段長(zhǎng)1.68m，α(z)=0.77～1.0；CD段長(zhǎng)3.64m，α(z)=0.61～0.77。由于軟件中按AF作為基坑底邊線，已考慮反壓土對(duì)CD段的土彈簧剛度增大作用，因此不再按式(1)單獨(dú)計(jì)算。

對(duì)于AC段，通過簡(jiǎn)單加權(quán)平均可得其綜合α(z)=0.95。同時(shí)，反壓土部分土彈簧剛度與其有效寬度有關(guān)，對(duì)于任意K點(diǎn)的土彈簧剛度可表達(dá)為

k=k0(KM/KN)

(4)

k與m值成線性關(guān)系，因此可直接在軟件輸入m值時(shí)考慮KM/KN的比例系數(shù)，對(duì)于反壓土AFHC，比例系數(shù)為0.1～0.21，取均值0.155，因此反壓土的m值可以簡(jiǎn)化為0.147m0。

m簡(jiǎn)化=α(z)·(KM/KN)·m0=0.147m0

(5)

土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m按下式計(jì)算：

(6)

式中，vb—支護(hù)樁在坑底處的水平位移量，可經(jīng)試算獲得，為11mm。此時(shí)，各層土體的m值見表2。

表2 水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m值 單位：MN/m3

計(jì)算模型如圖3所示。設(shè)置反壓土?xí)r樁基內(nèi)力、位移、土壓力等計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。從計(jì)算結(jié)果可知，樁頂最大位移為84.4mm，樁身最大彎矩為1796.15kN·m，最大剪力為576.76kN，反壓土的水平反力系數(shù)為0～82.95MN/m3。

設(shè)置反壓土與不設(shè)置反壓土工況計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表3、表4。由結(jié)果對(duì)比可知：增設(shè)反壓土可以顯著降低樁頂位移及樁基內(nèi)力，促使基坑滿足規(guī)范及安全要求。當(dāng)不設(shè)置反壓土?xí)r，樁頂位移為335.3mm，樁身最大彎矩為4923.17kN·m，最大剪力為872.78kN，樁基內(nèi)力過大，懸臂支護(hù)無法滿足安全要求，需要另設(shè)支撐、錨索附加措施。

圖3 計(jì)算模型

表3 支護(hù)樁內(nèi)力及位移計(jì)算結(jié)果

表4 支護(hù)樁內(nèi)力及位移計(jì)算比較

圖4 土的水平反力系數(shù)、土壓力及位移

圖5 樁基內(nèi)力

3 監(jiān)測(cè)資料分析

為了解設(shè)置反壓土后的基坑實(shí)際運(yùn)行情況，取海堤側(cè)支護(hù)樁頂水平位移及海堤沉降的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析。共布設(shè)樁頂水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)4個(gè)，如圖6所示。由結(jié)果可知，邊緣測(cè)點(diǎn)WY22、WY23樁頂水平位移較小，開挖后穩(wěn)定在24.5mm與7.2mm左右；中部測(cè)點(diǎn)WY20穩(wěn)定在51mm，測(cè)點(diǎn)WY21在基坑開挖后持續(xù)增大，特別在10月初由于抽條反壓土施工及坑外水位變化從60mm增至80mm，開挖施工結(jié)束后基本穩(wěn)定在90mm。可見樁頂水平位移與計(jì)算結(jié)果基本一致，樁頂位移與施工中對(duì)反壓土的擾動(dòng)較為敏感。

圖6 海堤側(cè)基坑樁頂水平位移時(shí)程曲線

基坑后側(cè)海堤布設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)2個(gè)，如圖7所示。測(cè)點(diǎn)CJ7變化較均勻，并與2021年10月后趨于穩(wěn)定，CJ6沉降較大，并在6月中旬至8月初開挖期間沉降較劇烈。開挖至底板施工時(shí)，CJ6沉降量為21.1mm，CJ7最終沉降量為10.4mm?？傮w而言，樁后海堤沉降較為穩(wěn)定。

圖7 海堤沉降時(shí)程曲線

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過彈性地基梁法計(jì)算反壓土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)后簡(jiǎn)化代入設(shè)計(jì)軟件計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確地模擬反壓土水平作用，為反壓土基坑的設(shè)計(jì)分析提供了新的思路。

(2)采用反壓土工藝，能顯著減小懸臂支護(hù)樁的樁頂位移及樁身內(nèi)力，縮短施工工期，減小基坑造價(jià)。

(3)由于反壓土的m值為隨深度變化的曲線，直接手算后難以應(yīng)用，文章通過加權(quán)簡(jiǎn)化后代入軟件使用，計(jì)算精度有限，建議開展m值與現(xiàn)有設(shè)計(jì)軟件的銜接程序設(shè)計(jì)，為反壓土基坑設(shè)計(jì)提供程序化工具。

(4)文章未對(duì)反壓土體失效機(jī)制及破壞時(shí)程效應(yīng)進(jìn)行分析，建議通過開展破壞模型試驗(yàn)及更多的工程案例進(jìn)行研究。