香港科技大學(xué)(廣州)深厚淤泥基坑設(shè)計(jì)與實(shí)踐

周漢香, 周越洲, 方小丹

(華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510641)

0 前言

淤泥在我國沿海沿江地區(qū)廣泛分布,具有含水率、壓縮性、靈敏度高,密度、強(qiáng)度、滲透性低,結(jié)構(gòu)性強(qiáng)流變明顯的不良工程特性。深厚淤泥基坑工程的影響因素多,造價(jià)高,不同支護(hù)方案安全度相差迥異,總體風(fēng)險(xiǎn)大。

針對深厚淤泥基坑工程出現(xiàn)的強(qiáng)度、變形、穩(wěn)定問題,韓建強(qiáng)等[1]對廣州地區(qū)、丁勇等[2]對杭州地區(qū)、唐傳政[3]對武漢地區(qū)的典型案例,進(jìn)行了原因分析,并探討了設(shè)計(jì)施工注意事項(xiàng)。張玉成等[4]對珠三角深厚軟土地區(qū)淺基坑常用的支護(hù)形式、破壞模式進(jìn)行了分類比較,并對被動(dòng)區(qū)加固作用進(jìn)行了分析。鄭剛[5]從軟土基坑施工全過程控制出發(fā),研討了支護(hù)體系變形控制和保護(hù)對象變形控制的策略。

珠江三角洲地區(qū),如廣州市南沙區(qū)和珠海市橫琴區(qū),淤泥普遍深厚且軟弱:含水量大于60%,常存在欠固結(jié),抗剪強(qiáng)度很低等問題,厚度在10～30m以上。支擋深度4～7m的基坑,僅支護(hù)材料造價(jià)已高達(dá)每延米2～6萬元不等。在基坑的施工過程中出現(xiàn)工程樁移位、傾斜、斷樁,導(dǎo)致基坑大變形甚至失穩(wěn)等問題屢見不鮮。此種條件下,如何根據(jù)實(shí)際工程需要,優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工,以兼顧安全與經(jīng)濟(jì)適用,具有顯著的意義,也是巖土工程界面臨的難題與挑戰(zhàn)之一[6]。針對深厚淤泥基坑工程,目前較缺乏設(shè)計(jì)施工全過程“定性-定量-反演-總結(jié)”的系統(tǒng)性控制方法與優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。如在定性分析基礎(chǔ)上進(jìn)行定量計(jì)算,再根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反演校正,則可趨于正確認(rèn)識并真正推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步[7]。

本文針對香港科技大學(xué)(廣州)深厚淤泥基坑工程,結(jié)合設(shè)計(jì)施工與現(xiàn)場實(shí)測,進(jìn)行了較系統(tǒng)研究,研究成果可為同類型工程提供參考與借鑒。

1 工程概況

項(xiàng)目位于廣州市南沙區(qū),分為三個(gè)基坑。核心建筑基坑面積3萬m2,周長1300m;配套南基坑面積3.7萬m2,周長1800m。二者在場區(qū)的南側(cè)中部連通,平面極不規(guī)則,總體大致呈L形,水平總長約550m,豎向總長約450m,內(nèi)部最寬約90m。配套北基坑面積2.2萬m2,周長700m;平面大致呈長條形,豎向長約100m,水平長約250m。配套北基坑距離核心建筑基坑最近點(diǎn)約200m。各基坑開挖深度5.8～7.2m,平均6.5m?；影踩燃?、周邊環(huán)境等級均為二級?；优c軟土地基處理范圍如圖1所示,圖中虛線為基坑支護(hù)地下室邊線,實(shí)線為場區(qū)軟土地基處理范圍邊線。場區(qū)原為農(nóng)田、魚塘和村民民房,場平后場地整體平坦空曠,無重要建構(gòu)筑物和地下管線。

圖1 基坑與軟土地基處理范圍平面圖

2 工程地質(zhì)條件

2.1 巖土層

新近填土、深厚淤泥、圓礫層在場區(qū)廣泛連續(xù)分布;其他巖土層大部缺失,呈不連續(xù)夾層分布。場區(qū)主要巖土層為:

①人工填土:濕,松散,黏性土為主;平均層厚3.5m,新近堆填,時(shí)間僅1～3個(gè)月。

②1淤泥:灰黑色飽和流塑。層厚6.5～21.8m,平均15.0m,欠固結(jié),平均含水量77.4%,有機(jī)質(zhì)含量7.45%～9.36%。三軸固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo):黏聚力CCU為10.8kPa,內(nèi)摩擦角φCU為13.9°。靈敏度St為3.8。

②3粉砂:局部分布,統(tǒng)計(jì)層厚1.20～8.00m,平均2.70m。

②4淤泥質(zhì)土:局部分布,灰黑色飽和,流塑～軟塑。統(tǒng)計(jì)層厚1.5～13.0m,平均5.0m,已固結(jié),平均含水量48.5%,有機(jī)質(zhì)含量5.24%～7.25%。三軸固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo):黏聚力CCU為16.1kPa,內(nèi)摩擦角φCU為14.1°。靈敏度St為3.0。

②6粉砂:局部分布,統(tǒng)計(jì)層厚1.20～13.2m,平均6.30m。

②7礫砂:局部分布,統(tǒng)計(jì)層厚3.10～8.10m,平均5.30m。

②8圓礫:層厚1.60～11.70m,平均7.30m。下伏基巖為白堊系泥質(zhì)粉砂巖。

淤泥及淤泥質(zhì)土十字板剪切試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度峰值為6.5～50.0kPa,平均值22kPa;抗剪強(qiáng)度殘余值為1.3～23.0kPa,平均值7kPa;可見離散性極大。

從各基坑中各選一典型鉆孔,鉆孔巖土層組成見表1?；又ёo(hù)設(shè)計(jì)采用的主要參數(shù)見表2。

表1 各基坑典型鉆孔巖土層厚度/m

表2 巖土層主要設(shè)計(jì)參數(shù)取值

2.2 水文條件

配套北基坑的東北側(cè)50m外為寬20m、深4m的河涌,約500m外為珠江沙灣水道?？辈炱陂g場區(qū)穩(wěn)定水位埋深0.4～1.2m,地下水主要賦存在沖積砂層、圓礫及基巖裂隙中。上部粉砂為弱承壓水,壓力水頭1～2m。下部礫砂、圓礫層壓力水頭較大,地下水豐富。淤泥和淤泥質(zhì)土為相對隔水層。地下水位年變化幅度1.0～1.5m。

3 工程難點(diǎn)

(1)地質(zhì)條件極差,要求確?；影踩?。

(2)工程量大、工期緊,要求確保時(shí)間節(jié)點(diǎn)。基坑土方開挖量約80萬m3,基坑支護(hù)及開挖施工總工期僅3個(gè)月。

(3)基坑平面復(fù)雜,要求確保工程樁安全?；觾?nèi)外有主體工程管樁1.5萬余根。應(yīng)避免因主體結(jié)構(gòu)沉樁、基坑支護(hù)和土方開挖導(dǎo)致工程樁出現(xiàn)傾斜、偏移、斷樁等質(zhì)量事故。

(4)有嚴(yán)格的限價(jià)要求。要求造價(jià)可控,施工快捷。

4 支護(hù)方案選型

為保護(hù)基坑內(nèi)外工程樁的安全,應(yīng)按變形控制設(shè)計(jì)。經(jīng)綜合比選,格柵重力式攪拌樁、SMW工法樁、鋼板樁或鉆孔灌注樁均不適合?？紤]到少用內(nèi)支撐,若采用錨索則應(yīng)只設(shè)置一道的要求,支護(hù)方案為:設(shè)置8m寬卸載平臺,平臺以上按1∶2放坡卸載3m;平臺以下直立開挖支擋高度3.5m,采用PRCⅠ600(130) B/C型管樁(直徑600mm、間距900mm)進(jìn)行支護(hù);在樁頂設(shè)置一道φ500預(yù)應(yīng)力旋噴錨索,錨索傾角30°,自由段長10m,錨固段長25m;兩樁一錨,錨索間水平間距1.8m,錨索全長主要位于淤泥層中。配套南基坑的南側(cè)局部,受紅線限制,少量采用了穿透軟土入硬土錨固的錨索,此部分錨索非本工程重點(diǎn)?？傮w上支護(hù)樁長24m,按12m+12m兩節(jié)配樁設(shè)計(jì)且樁底進(jìn)入②7礫砂或②8圓礫等硬土層。設(shè)置一排φ850@600三軸攪拌樁進(jìn)行止水止淤,總樁長8m,進(jìn)入基坑底以下4.5m?；拥湫椭ёo(hù)剖面見圖2。配套南基坑的東側(cè)及東北側(cè),即圖1中的凸出窄條部位,采用φ1 000@1 200灌注樁和一道5m寬0.3m厚的坑外混凝土板撐進(jìn)行支護(hù),支護(hù)范圍約占該基坑的1/3。

圖2 基坑支護(hù)典型剖面圖

5 關(guān)鍵技術(shù)措施

5.1 流變影響控制

5.1.1 流變影響因素及措施

淤泥具有顯著的流變特性,其蠕變、流動(dòng)、應(yīng)力松弛和強(qiáng)度隨受荷時(shí)間而改變。當(dāng)淤泥剪應(yīng)力低于其長期強(qiáng)度時(shí),則其剪應(yīng)變隨時(shí)間衰減,反之則加速增大直至破壞。淤泥剪應(yīng)力越大,其應(yīng)變速率越大,則其蠕變越強(qiáng)?；娱_挖產(chǎn)生剪應(yīng)力,隨坑內(nèi)外高差增大,剪應(yīng)力增大,淤泥蠕變增強(qiáng)。淤泥抗剪強(qiáng)度極低,其應(yīng)力狀態(tài)易達(dá)到摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則產(chǎn)生破壞,且因淤泥呈流態(tài),故極易導(dǎo)致大范圍塑流貫通而產(chǎn)生大變形與深層滑動(dòng)。

對深厚淤泥基坑,需結(jié)合流變影響及特點(diǎn),采取針對性的控制措施。具體如下:因淤泥的含水量-密度-強(qiáng)度相關(guān),有條件時(shí)可優(yōu)先采取措施降低含水量;當(dāng)基坑開挖需變形控制時(shí),可設(shè)置強(qiáng)支擋,即采取承載力和剛度大的支護(hù)體系;豎向支護(hù)構(gòu)件應(yīng)穿透淤泥截?cái)嗫觾?nèi)外深層塑流通道;可通過控制支護(hù)體系的變形,以補(bǔ)償并限制淤泥剪應(yīng)力在衰減型流變范圍內(nèi);對設(shè)置于淤泥中的支護(hù)構(gòu)件,應(yīng)充分考慮流變影響,確保具有穩(wěn)定承載力。

本工程采用以下措施考慮淤泥流變的不利影響:設(shè)置卸載平臺,采用密排高強(qiáng)PRC管樁支護(hù),且管樁穿過淤泥進(jìn)入下部硬土層。根據(jù)淤泥特點(diǎn),采用大直徑旋噴錨索支護(hù)。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),合理取用旋噴錨索穩(wěn)定承載力,并按平衡主動(dòng)土壓力的原則對其施加預(yù)應(yīng)力進(jìn)行主動(dòng)控制。

5.1.2 流變簡化處理

淤泥基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),對淤泥流變影響進(jìn)行量化計(jì)算非常困難。當(dāng)前仍需采用簡化方法,如彈性支點(diǎn)法(m法)來近似模擬。此時(shí)淤泥流變影響主要體現(xiàn)在抗剪強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)c、φ的選擇及m取值上。對淤泥質(zhì)黏土,上海地區(qū)曾采用固結(jié)快剪峰值強(qiáng)度指標(biāo),并對m值折減50%計(jì)算,以考慮其流變效應(yīng),實(shí)測結(jié)果較符合實(shí)際[8]。有研究認(rèn)為對淤泥類軟土,在高質(zhì)量采樣條件下,采用直剪快剪強(qiáng)度指標(biāo)更合適[9]。在珠江三角洲地區(qū),淤泥含水量常大于60%,常存在欠固結(jié),與上海地區(qū)有明顯不同。本工程先采取真空預(yù)壓排水,后進(jìn)行大規(guī)模的基坑內(nèi)外沉樁及抽排降水,因此選用直剪快剪強(qiáng)度指標(biāo)更符合實(shí)際。

針對本工程淤泥流變影響,基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)采取如下簡化處理:計(jì)算參數(shù)采用直剪快剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo);m值采用行標(biāo)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式m=(0.2φ2-φ+c)/10計(jì)算,且不對m值進(jìn)行修正。

5.2 真空預(yù)壓作用

按甲方要求,本工程先進(jìn)行真空預(yù)壓軟土地基處理,以消除場區(qū)深厚淤泥的主要固結(jié)沉降量?；又ёo(hù)設(shè)計(jì)時(shí),適當(dāng)考慮了真空預(yù)壓作用:計(jì)算時(shí),考慮基坑兩次排水后巖土含水量的降低,對表2中的②1淤泥抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力和內(nèi)摩擦角)及m值調(diào)整為按②4淤泥質(zhì)土取用。對真空預(yù)壓區(qū)域,不再設(shè)置常規(guī)坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)攪拌樁加固。除坑中坑外,不再對工程樁承臺采取攪拌樁預(yù)加固等常規(guī)施工保護(hù)措施[1]。

5.3 施工應(yīng)力控制

大規(guī)模管樁群在沉樁過程中產(chǎn)生擠壓應(yīng)力與超靜孔壓,對淤泥產(chǎn)生極強(qiáng)擾動(dòng),導(dǎo)致淤泥結(jié)構(gòu)破壞,強(qiáng)度顯著降低,并產(chǎn)生側(cè)向位移和豎向隆起。直接量化計(jì)算施工應(yīng)力非常困難。為減少施工應(yīng)力的不利影響,本工程間接從兩方面采取控制措施:一是設(shè)置密排支護(hù)管樁,形成基坑內(nèi)外的減震隔離屏障,減少坑內(nèi)外沉樁時(shí)的相互影響;二是利用軟土地基處理后留在淤泥中的密集塑料排水板,形成排水泄壓通道兼土體豎向加筋。因工期限制,本工程采用常規(guī)敞開式開挖,一次性直接開挖到底。基坑開挖后揭示,坑內(nèi)外樁群基本無偏位、大變形和斷樁現(xiàn)象發(fā)生?？梢姴扇∩鲜龃胧┖罂捎行p少施工應(yīng)力的不利影響。

5.4 深層淤泥滑動(dòng)控制

本工程從三方面進(jìn)行深層淤泥滑動(dòng)控制:第一,支護(hù)樁穿透淤泥進(jìn)入下部硬土層的最小深度,需滿足整體穩(wěn)定和抗傾覆要求。第二,適當(dāng)加密支護(hù)樁距,確保樁間凈距不大于0.3m,防止深層淤泥從樁間流動(dòng)擠出。第三,設(shè)置三軸攪拌樁止水止淤帷幕,并按整體穩(wěn)定確定其最小樁長。對應(yīng)于圖2,在無支護(hù)無超載情況下搜索整體穩(wěn)定最小安全系數(shù)及對應(yīng)滑弧,根據(jù)此滑弧確定帷幕的設(shè)計(jì)深度。

5.5 旋噴錨索設(shè)計(jì)

近年來,大直徑旋噴錨索在非軟土及淤泥質(zhì)黏土基坑中得到應(yīng)用[10-12],在淤泥基坑中,也有應(yīng)用實(shí)例。對在軟土中如何較為可靠地進(jìn)行旋噴錨索設(shè)計(jì),特別是在旋噴錨索無法有效錨固入深部硬土層的情況下,目前尚缺乏較完備可行的理論分析、方法介紹與實(shí)例驗(yàn)證。本工程設(shè)置于淤泥層的旋噴錨索,總數(shù)量近2 000根。旋噴錨索是本工程關(guān)鍵構(gòu)件,其受力變形機(jī)理至關(guān)重要。本節(jié)筆者對此問題,在工程設(shè)計(jì)、實(shí)測、反演、類比基礎(chǔ)上進(jìn)行分析研究。

5.5.1 錨索穩(wěn)定承載力

流變軟土中,錨索應(yīng)按土層能提供的穩(wěn)定承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)錨索全長設(shè)置于軟土層時(shí),應(yīng)注意軟土流變影響,控制剪應(yīng)力水平,確保軟土產(chǎn)生衰減型流變以提供穩(wěn)定承載力。本文將旋噴錨索視為斜向大直徑錨拉長樁,按廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DBJ 15-31—2016)中的樁摩阻力經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行計(jì)算。以本工程錨固段25m、φ500的旋噴錨索為例,其平均摩阻力取5～6kPa(淤泥中樁摩阻力特征值一般取4～8kPa),抗拔系數(shù)取0.8。經(jīng)計(jì)算可得,旋噴錨索的穩(wěn)定承載力為150～180kN,此時(shí)樁頂設(shè)置一道旋噴錨索已可滿足圖2所示總支擋6.5m時(shí)的變形控制需要。

5.5.2 錨索基本試驗(yàn)

選取連續(xù)3根錨索進(jìn)行旋噴工藝成錨及拉拔試驗(yàn)。以多循環(huán)加卸載模擬施工擾動(dòng),以3根錨索同時(shí)受力模擬群錨效應(yīng)。按經(jīng)驗(yàn)預(yù)估的錨索短期承載力為300kN,故加載至最大拉力600kN,實(shí)測滿足要求。旋噴錨索試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 旋噴錨索基本試驗(yàn)結(jié)果

表4 彈性支點(diǎn)法(m法)計(jì)算結(jié)果

將基本試驗(yàn)循環(huán)加卸載所得軸力-變形外包曲線進(jìn)行直線擬合,得到錨索總變形與軸力關(guān)系式為:

δ=0.148×(N-60)

(1)

式中:δ為錨索總變形,mm;N為軸力,kN。

根據(jù)式(1),可求得當(dāng)錨索軸力在200～600kN時(shí),軸向拉伸的平均剛度為8.6MN/m。按行標(biāo)《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 406—2017),支護(hù)樁需滿足樁身最大變形值不超過30mm。取δ=30mm代入式(1)可得錨索軸力為260kN。故按照基本試驗(yàn)時(shí)錨索的工藝參數(shù)進(jìn)行施工,錨索有足夠安全儲(chǔ)備。

在軟土中,基本試驗(yàn)的錨索承載力為短期承載力,其值高,無法真實(shí)體現(xiàn)施工期間軟土流變及群錨效應(yīng)影響。如設(shè)計(jì)時(shí)錨索承載力取用不當(dāng)則有極大風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)第三方監(jiān)測數(shù)據(jù),本工程錨索穩(wěn)定承載力僅為預(yù)估值300kN的50%～60%。

5.5.3 錨索剪切位移法計(jì)算

采用剪切位移法計(jì)算深厚淤泥地層中旋噴錨索在穩(wěn)定受力階段的變形。使用該法進(jìn)行軟土基坑樁錨支護(hù)中旋噴錨索設(shè)計(jì)計(jì)算的有關(guān)假定、使用方法、計(jì)算過程及案例驗(yàn)證詳見文獻(xiàn)[13]。

按文獻(xiàn)[13]以鉆孔BK36為例,取旋噴錨索的穩(wěn)定承載力為150～180kN,按剪切位移法,求得淤泥沿錨索的斜向剪切位移為20.6～24.8mm。按錨索傾角30°分解,則水平分量為17.8～21.5mm(即支護(hù)樁頂水平位移),豎向分量(上拔)為10.3～12.4mm。按剪切位移法求得因旋噴錨索豎向分力引起的沿支護(hù)樁側(cè)的淤泥豎向剪切位移為35～42mm(下拉)。將淤泥沿錨索斜向與沿支護(hù)樁側(cè)豎向兩種剪切位移疊加,可得支護(hù)樁頂?shù)呢Q向總沉降值為25～30mm。

5.6 支護(hù)管樁設(shè)計(jì)

行標(biāo)《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 406—2017)建議,采用延性好的混合配筋PRC管樁用于基坑工程;對有深厚淤泥等軟土及支護(hù)結(jié)構(gòu)撓曲變形計(jì)算值大于30mm的基坑工程,則不建議采用;接樁時(shí)要求接頭處彎矩標(biāo)準(zhǔn)值≤管樁開裂彎矩值,非接頭處彎矩設(shè)計(jì)值≤管樁抗彎承載力設(shè)計(jì)值。

為保護(hù)基坑內(nèi)外工程樁,本工程執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)的變形控制要求。根據(jù)剪切位移法、彈性支點(diǎn)法(m法)和有限元法計(jì)算結(jié)果,綜合判定本工程支護(hù)樁身變形值可控制在30mm內(nèi),可采用PRC管樁支護(hù)。

考慮深厚淤泥基坑特點(diǎn),本工程按照樁身彎矩標(biāo)準(zhǔn)值≤管樁開裂彎矩值的原則[14]進(jìn)行設(shè)計(jì)控制。采用此原則的原因,除考慮流變影響外,還考慮了工程中的其他實(shí)際情況,包括:巖土分布的離散性,特別是硬夾層的影響、基坑外周承臺超挖的影響、實(shí)際施工荷載變動(dòng)的影響。另外,支護(hù)管樁應(yīng)盡可能采用分區(qū)定長設(shè)計(jì),減少管樁截面類型,以便于采購、生產(chǎn)與施工。綜合以上因素,本工程支護(hù)管樁以PRCⅠ600(130) B/C型為主,其混凝土強(qiáng)度等級為C80。

本工程支護(hù)管樁接樁均采用端板對端板焊接,不采用專用鋼板套管接頭以降低綜合造價(jià)。沉樁后經(jīng)低應(yīng)變檢測表明樁身完整性滿足要求。

6 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

以鉆孔BK36為例進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)時(shí),按基坑坡頂活荷載10kPa計(jì)算復(fù)核支護(hù)樁變形及錨索拉力;按20kPa計(jì)算復(fù)核支護(hù)樁接頭部位開裂承載力及支護(hù)樁承載力設(shè)計(jì)值;按40kPa計(jì)算復(fù)核支護(hù)樁承載力極限值。高強(qiáng)混凝土C80的 PRCⅠ600(130)支護(hù)管樁抗彎剛度與混凝土C30等直徑實(shí)心灌注樁接近,可近似等效。錨索有效預(yù)應(yīng)力取150kN,按錨索基本試驗(yàn)軸拉剛度取8.6MN/m。

6.1 彈性支點(diǎn)法(m法)計(jì)算

采用理正基坑支護(hù)軟件V7.0版本計(jì)算,對于淤泥的流變按5.1.2節(jié)進(jìn)行簡化處理考慮,淤泥層m取值為0.53MN/m4,計(jì)算結(jié)果表見4。坡頂活荷載為10kPa(即設(shè)計(jì)荷載)時(shí)的樁身位移、內(nèi)力分布包絡(luò)圖見圖3。

圖3 樁身位移、內(nèi)力分布包絡(luò)圖

6.2 有限元法計(jì)算

采用PLAXIS軟件進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。以等效板單元模擬支護(hù)樁,以土工格柵單元模擬錨索。巖土采用HS硬化雙曲線本構(gòu)模型,該本構(gòu)模型可考慮加卸載、剛度硬化、應(yīng)力路徑及小應(yīng)變效應(yīng)。因地勘僅給出淤泥和淤泥質(zhì)土的三軸固結(jié)不排水剪切指標(biāo),故對淤泥類土按小應(yīng)變HSS結(jié)合三軸剪切指標(biāo)計(jì)算;對其他土按HS結(jié)合直剪快剪指標(biāo)計(jì)算。模型按不排水考慮。本工程巖土硬化雙曲線本構(gòu)模型主要參數(shù)取值見表5,HS模型其他參數(shù)取默認(rèn)值,即卸載-重加載泊松比μ=0.2,剛度參考基準(zhǔn)應(yīng)力pref=100kPa。

表5 HS硬化雙曲線本構(gòu)模型主要參數(shù)取值

HSS模型在HS基礎(chǔ)上增加兩個(gè)小應(yīng)變參數(shù)γ0.7=0.0001及Gref=45MPa即可,其中γ0.7為割線剪切模量衰減為初始剪切模量70%時(shí)對應(yīng)的剪應(yīng)變;Gref為參考初始剪切模量。本工程考慮兩次排水導(dǎo)致淤泥含水量降低的有利作用,淤泥按淤泥質(zhì)土采用HSS本構(gòu)模型模擬,即取三軸固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力CCU=16.1kPa、內(nèi)摩擦角φCU=14.1°計(jì)算。

坡頂活荷載為10kPa(即設(shè)計(jì)荷載)時(shí)的樁身位移、內(nèi)力分布包絡(luò)圖見圖4。不同坡頂活荷載下的計(jì)算結(jié)果見表6。

圖4 有限元法計(jì)算的支護(hù)樁位移、內(nèi)力分布包絡(luò)圖

6.3 不同方法計(jì)算結(jié)果比較

(1)對有限元法而言,在設(shè)計(jì)荷載下,所得錨索軸力、樁頂水平位移值與剪切位移法計(jì)算值均接近。但因模擬卸載回彈的局限,樁身出現(xiàn)沿豎向全長的剛體回彈變形,按疊加原理雖不影響支護(hù)樁水平彎矩剪力計(jì)算,但顯然與剪切位移法和實(shí)際不符。另外,有限元法得到在樁頂處水平位移最大。

(2)對彈性支點(diǎn)法(m法)而言,在設(shè)計(jì)荷載下,則高估錨索約束作用,所得錨索軸力較有限元法和剪切位移法偏大,樁頂水平位移則偏小。其樁身位移則為典型的鼓肚形分布,臨近坑底處最大。

(3)從內(nèi)力包絡(luò)圖分布曲線看,彈性支點(diǎn)法(m法)與有限元法總體接近,在深部軟硬土交界處則有不同。兩種計(jì)算方法的樁身最大位移值接近,彈性支點(diǎn)法(m法)樁身內(nèi)力大于有限元法。

顯然彈性支點(diǎn)法(m法)偏于安全,故本工程設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),以彈性支點(diǎn)法(m法)為主,以有限元法為輔,并結(jié)合剪切位移法共同使用。

7 基坑監(jiān)測

7.1 總體監(jiān)測數(shù)據(jù)

施工期間,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和坑內(nèi)外主體工程樁均處于安全狀態(tài)。主要監(jiān)測指標(biāo)的累積值[15]如下:

(1)核心建筑基坑

樁頂水平位移為10.3～22.3mm,平均值為15.3mm。樁頂豎向沉降為13.29～21.05mm,平均值為18.75mm。地表沉降為21.52～20.93mm,平均值為21.55mm。錨索軸力為163.6～179.3kN?；邮┕と^程監(jiān)測到的32根錨索MS1～MS32軸力見圖5,可見錨索軸力收斂較為明顯,趨于穩(wěn)定值。

圖5 核心區(qū)錨索全過程監(jiān)測圖

(2)配套南基坑

樁頂水平位移為9.4～23.5mm,平均值為17.27mm。樁頂豎向沉降為4.62～16.84mm,平均值為12.31mm。地表沉降為9.46～25.78mm,平均值18.45mm。錨索軸力為138.4～160.6kN。

(3)配套北基坑

樁頂水平位移為12.9～23.2mm,平均值為19.7mm。樁頂豎向沉降為14.10～29.14mm,平均值為22.30mm。地表沉降為30.20～33.25mm,平均值為31.87mm。錨索軸力為127.3～140.5kN。

因條件限制,施工現(xiàn)場緊貼支護(hù)樁僅對樁后土體進(jìn)行了10m深度范圍測斜,未能真實(shí)反映樁身全長側(cè)移情況。但各測斜曲線的總體趨勢均為樁頂區(qū)域水平位移最大,而非典型的鼓肚形即在基坑底附近水平位移最大。配套南基坑1/3的支護(hù)范圍為樁撐支護(hù),無錨索作用,故導(dǎo)致該基坑的樁頂豎向沉降要小于其他兩基坑。配套北基坑因淤泥最厚地質(zhì)條件最差,監(jiān)測極值出現(xiàn)在該基坑。

7.2 局部監(jiān)測數(shù)據(jù)

將配套北基坑西北側(cè)局部區(qū)段的監(jiān)測數(shù)據(jù)[15]列于表7,測點(diǎn)間距約25m,其中2021-02-19為基坑開始開挖并進(jìn)行監(jiān)測的日期;2021-04-05為開挖至底板底的日期;2021-04-29為基坑內(nèi)承臺開挖完成,開始底板澆筑的日期;2021-07-06為地下室施工出地面,側(cè)壁回填完成的日期。錨索初始張拉鎖定值為200kN。

表7 配套北基坑局部區(qū)段監(jiān)測數(shù)據(jù)

7.3 監(jiān)測值與計(jì)算值比較

施工期間支護(hù)體系處于動(dòng)態(tài)平衡中,總體上支護(hù)構(gòu)件的位移與沉降隨時(shí)間增加,錨索軸力則隨時(shí)間減小。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)可知:支護(hù)樁頂水平位移最大值為23.5mm,平均值為17.5mm;樁頂豎向沉降最大值為29.1mm,平均值為17.8mm;錨索軸力為127～179kN,平均為155kN。采用剪切位移法計(jì)算得到的支護(hù)樁頂水平位移為17.8～21.5mm,樁頂豎向沉降為25.0～30.0mm,錨索軸力為150～180kN。可見,采用剪切位移法計(jì)算的樁頂水平位移、豎向沉降及錨索軸力,與監(jiān)測值基本接近,總體吻合良好。

8 結(jié)語

本文對香港科技大學(xué)(廣州)深厚淤泥基坑,采用PRC管樁加旋噴錨索進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)與計(jì)算方法進(jìn)行了梳理總結(jié)。針對淤泥流變影響,建議可采用基于彈性支點(diǎn)法(m法)結(jié)合直剪快剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行簡化處理計(jì)算。對深厚軟土中的旋噴錨索,建議應(yīng)取用其穩(wěn)定承載力,采用剪切位移法計(jì)算。本工程錨索軸力、支護(hù)樁樁頂水平位移及豎向沉降計(jì)算值與實(shí)測值總體吻合,表明采用剪切位移法的較好適用性。對類似工程,建議可采用彈性支點(diǎn)法(m法)與剪切位移法、有限元法相結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算以策安全。