潘必勝

(中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司,上海 200070)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大中型城市用地日益緊張，愈益要求開發(fā)三維城市空間，市政工程中上跨立交和下穿隧道越來越多，各類用途的地下空間已在世界各大城市中得到開發(fā)。為保證地面向下開挖形成的地下空間在地下結(jié)構(gòu)施工期間的安全穩(wěn)定，基坑工程應(yīng)運(yùn)而生。基坑工程具有較大風(fēng)險性和明顯的區(qū)域特征，設(shè)計者一般根據(jù)項目特征、周邊環(huán)境和地質(zhì)條件，選擇合適的基坑支護(hù)方案。

水泥土攪拌樁[1-2]，是在原狀土內(nèi)攪拌并噴射水泥漿，水泥漿凝結(jié)后的復(fù)合體，復(fù)合體凝結(jié)后具有比原狀土更高的強(qiáng)度、剛度，能夠提高地基土承載力(fspk)和增大其壓縮變形模量(Es)[3]，因而應(yīng)用于地基處理和基坑支護(hù)中[4-7]，并對水泥土樁的性能展開了研究[8-11]。重力式水泥土墻是由水泥土樁相互搭接成格柵或?qū)嶓w的重力式支擋結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于開挖深度不大的深厚軟土基坑中。

結(jié)合連云港市中華西路西延工程中新建框架橋的頂進(jìn)工作坑的基坑支護(hù)實(shí)例，分析重力式水泥土墻在連云港地區(qū)海相沉積土基坑支護(hù)中的應(yīng)用，并重點(diǎn)研究坑內(nèi)地基處理和土層力學(xué)指標(biāo)選取對基坑穩(wěn)定性的影響，在此基礎(chǔ)上提出重力式水泥土墻在連云港地區(qū)海相沉積土基坑支護(hù)中的設(shè)計建議，以期為本地區(qū)或同類型地區(qū)的同類工程提供經(jīng)驗。

1 項目概況

中華西路位于連云區(qū)老城區(qū)，由東向西依次下穿平山客整所、隴海鐵路、連霍高速公路，全長約0.85 km。采用結(jié)構(gòu)類型多樣，由東向西依次為：U形槽、下穿平山客整所現(xiàn)澆框架橋、下穿隴海鐵路頂進(jìn)框架橋、U形槽、新建高速公路分離式立交橋。

連云港軟土是中國東南沿海第四紀(jì)沉積海相軟土的代表，三軸試驗前后軟土的孔徑均主要集中在1～20 μm，經(jīng)三軸剪切試驗后軟土的平均孔隙半徑減小，孔隙率降低，含水率減少[12]；黏滯系數(shù)不僅與時間有關(guān)，還與土所受到的偏壓和圍壓有關(guān)[13]；為堿性環(huán)境下沉積的非均質(zhì)海積軟土，快剪試驗中，剪切面為固定的水平面，軟土強(qiáng)度反應(yīng)土體天然沉積面的強(qiáng)度，三軸UU試驗測得的黏聚強(qiáng)度大于快剪測得的黏聚強(qiáng)度，水平剪切面強(qiáng)度最低，豎直面抗剪強(qiáng)度最高[14]。

連云港地區(qū)海相軟土淺層含水量高，原位十字板剪切強(qiáng)度/有效上覆應(yīng)力之比為0.2～0.4[15]，含水量、液限高，密度、強(qiáng)度低，壓縮性、靈敏度高，壓縮沉降量大，排水固結(jié)緩慢，地基穩(wěn)定性差。隨著指標(biāo)類型不同，各類指標(biāo)的變異系數(shù)有差異，較大變異系數(shù)對指標(biāo)的取值有一定影響，但各個指標(biāo)的變異系數(shù)都不隨統(tǒng)計單元的變化而變化[16]。

本工程下穿隴海鐵路，頂進(jìn)框架橋工作坑(基坑)范圍從上至下主要由素填土、黏土(厚3.2～5.4 m)、淤泥(厚6.3～7.3 m)、淤泥質(zhì)黏土(厚1.3～1.7 m)組成，物理力學(xué)指標(biāo)如表1、表2所示。

由表1可以看出，該項目的軟土具有含水量大、液限高，密度小、強(qiáng)度低，壓縮性大、靈敏度高等特點(diǎn)[16]。含水量(w=50%～73.9%)、孔隙比(e=1.371～2.038)、液限(wL=41.1～56.5)、壓縮系數(shù)(α1-2=0.85～2.16mPa-1)都比大部分沿海軟土高，因而具有沉降量大、排水固結(jié)緩慢、地基穩(wěn)定性差的特點(diǎn)。

表1 頂進(jìn)工作坑(基坑)范圍主要土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

表2 頂進(jìn)工作坑(基坑)范圍主要土層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

注：1.Ccq1、φcq1為直接快剪強(qiáng)度指標(biāo)統(tǒng)計值；2.Ccq2、φcq2為考慮淺部離散性直接快剪強(qiáng)度指標(biāo)統(tǒng)計值；3.Ccq3、φcq3為直接快剪強(qiáng)度指標(biāo)經(jīng)驗值；4.Cuu、φuu為三軸不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值。

連云港海相軟土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)在淺部(h<3 m)比較離散，大于3 m后指標(biāo)變化規(guī)律性明顯[16-17]，本項目的勘察資料也表明了這一規(guī)律?；佑嬎銜r需考慮淤泥土層頂層15%h范圍內(nèi)或淤泥質(zhì)黏土層頂層30%h范圍內(nèi)c、φ、w、Es、e0的波動影響。

2 基坑支護(hù)方案

頂進(jìn)框架橋工作坑(基坑)長84.8 m、寬77.4 m，場地整平高程為4.00 m，工作坑滑板頂高程-3.50 m，基坑深度8.50 m。由于基坑底為較厚淤泥和淤泥質(zhì)土，若采用單排懸臂灌注樁支護(hù)，支護(hù)樁由于無法嵌固，支護(hù)結(jié)構(gòu)抗傾覆和水平位移難以滿足規(guī)范要求；若采用支護(hù)樁+支撐方案，由于支撐的存在給基坑開挖和框架橋的頂進(jìn)施工帶來很大不便；若采用雙排灌注樁，工程造價較高，經(jīng)濟(jì)性較差。本工程結(jié)合工程特點(diǎn)和總投資預(yù)算，綜合考慮采用的最終支護(hù)方案為：鐵路路堤坡腳側(cè)由于場地條件受限，采用雙排灌注樁支護(hù)，支護(hù)樁懸臂5 m，樁后設(shè)2 m寬平臺，平臺后坡高3.5 m；其余三側(cè)采用重力式水泥土墻支護(hù)，墻寬9.2 m，墻后坡高3.5 m。同時基坑底為U形槽結(jié)構(gòu)持力層，且承載力較差，采用深攪樁加固處理。基坑平面、支護(hù)結(jié)構(gòu)及深攪樁布置如圖1所示。

圖1 基坑平面及深攪樁布置(單位：mm)

3 坑內(nèi)地基處理對基坑穩(wěn)定性的影響分析

坑內(nèi)地基加固處理對坑內(nèi)被動土的力學(xué)強(qiáng)度有所提高，基坑底若采用滿堂加固處理，連云港地區(qū)海相軟土考慮深攪樁地基處理對坑內(nèi)被動土的力學(xué)強(qiáng)度的提高，可采用[c=3.2qu0.6][7]計算水泥土的內(nèi)聚力c，計算內(nèi)摩擦角取φ=25°。在P=0時對基坑支護(hù)進(jìn)行計算分析，分別按坑內(nèi)加固土和原狀土兩種工況，根據(jù)等值梁法[18]計算理論，采用不同的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計算兩種工況下的安全系數(shù)，變化曲線如圖2所示。由圖2可知，考慮坑底土加固效果安全系數(shù)計算值明顯大于不計加固效果的計算值，因此設(shè)計中宜考慮坑內(nèi)地基處理的有利影響。

注：橫坐標(biāo)參數(shù)如下：1—快剪強(qiáng)度指標(biāo)；2—快剪強(qiáng)度指標(biāo)(考慮淺部離散性)；3—快剪強(qiáng)度指標(biāo)經(jīng)驗值；4—三軸不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。圖2 安全系數(shù)隨土層指標(biāo)變化曲線

然而坑底采用滿堂加固處理，地基加固成本較高，為了考慮經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，當(dāng)基坑較大時一般采用坑內(nèi)三角形布置或者矩形布置深攪樁對地基進(jìn)行加固處理，此情況下，坑內(nèi)被動土力學(xué)強(qiáng)度亦有所提高，但提高幅度遠(yuǎn)不及滿堂加固的處理效果，根據(jù)經(jīng)驗內(nèi)聚力和內(nèi)黏聚力可在原狀土的基礎(chǔ)上提高30%。故筆者建議，當(dāng)坑內(nèi)地基加固處理的成本相對總造價而言不高時，可采用滿堂加固或格柵狀加固處理坑內(nèi)淤泥及淤泥質(zhì)土，基坑分析計算時充分考慮坑內(nèi)被動土加固對基坑的有利影響；當(dāng)坑內(nèi)地基加固處理的成本相對總造價而言較高時，采用三角形或矩形布置深攪樁對坑內(nèi)地基土進(jìn)行加固處理，基坑分析計算時亦可考慮坑內(nèi)被動土加固對基坑的有利影響，且緊鄰支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置一些暗墩，作為控制基坑水平位移的安全儲備。

4 不同土層力學(xué)指標(biāo)選取對基坑位移、穩(wěn)定性的影響分析

為了反映不同力學(xué)指標(biāo)對基坑穩(wěn)定性的影響，本文采用Cuu、φuu，Ccq1、φcq1，Ccq2、φcq2，Ccq3、φcq3四種指標(biāo)對基坑的頂部位移、抗傾覆系數(shù)、抗滑移系數(shù)和整體穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行分析。

通過計算分析，格柵式水泥土墻頂水平位移與基坑坡頂分級加載集度變化關(guān)系如圖3所示。由圖3可知：①不管何種力學(xué)指標(biāo)，墻頂水平位移均隨著荷載集度的增加而增加，P與u基本呈線性遞增關(guān)系；②力學(xué)指標(biāo)值選取的不同，Δu/ΔP變化幅度較小，位于0.97～1.01，即不同力學(xué)指標(biāo)的選取對墻頂水平位移的影響不明顯。

圖3 水平位移u隨荷載集度變化曲線

基坑抗傾覆系數(shù)與基坑坡頂分級加載集度變化關(guān)系如圖4所示。由圖4可知：①不管何種力學(xué)指標(biāo)，Kov均隨著荷載集度的增加而減小，P與Kov基本呈非線性遞減關(guān)系；②抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值選取的不同，Δu/ΔKov基本相等，位于1.02～1.05，在P相同的情況下，選用三軸指標(biāo)時Kov最小，表明不同力學(xué)指標(biāo)的選取對基坑抗傾覆系數(shù)的影響不大，而設(shè)計時選用三軸力學(xué)指標(biāo)是偏于安全的。

圖4 基坑抗傾覆系數(shù)隨荷載集度變化曲線

基坑抗滑移系數(shù)與基坑坡頂分級加載集度變化關(guān)系如圖5所示。由圖5可知：①不管何種力學(xué)指標(biāo)，Ksl均隨著荷載集度的增加而減小，P與Ksl基本呈非線性遞減關(guān)系；②抗剪指標(biāo)的選取對Ksl影響較大，相同荷載集度下，三軸指標(biāo)計算的基坑抗滑移穩(wěn)定系數(shù)最小，為考慮淺部離散性直接快剪強(qiáng)度指標(biāo)計算結(jié)果的0.67倍。

圖5 基坑抗滑移系數(shù)隨荷載集度變化曲線

基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)與基坑坡頂分級加載集度變化關(guān)系如圖6所示。由圖6可知：①不管何種力學(xué)指標(biāo)，Ks均隨著荷載集度的增加而減小，P與Ks基本呈非線性遞減關(guān)系；②抗剪指標(biāo)的選取對Ks影響較大，相同荷載集度下，三軸指標(biāo)計算的基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)最小，為考慮淺部離散性直接快剪強(qiáng)度指標(biāo)計算結(jié)果的67%。

圖6 基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)隨荷載集度變化曲線

5 結(jié)論及設(shè)計建議

(1)本項目支護(hù)經(jīng)驗表明，重力式水泥土墻應(yīng)用在連云港地區(qū)海相軟土(淤泥及淤泥質(zhì)黏土)基坑支護(hù)中是可行的，且經(jīng)濟(jì)性方面有明顯優(yōu)勢。

(2)根據(jù)本文研究分析結(jié)果，基坑穩(wěn)定性分析計算時可考慮坑內(nèi)地基處理對基坑穩(wěn)定性的有利影響，當(dāng)基坑內(nèi)采用滿堂加固處理時，對提高基坑穩(wěn)定性的效果尤為突出。

(3)根據(jù)本文研究分析結(jié)果，不同力學(xué)指標(biāo)的選取對基坑位移和基坑抗傾覆穩(wěn)定影響不大，而對基坑抗滑移穩(wěn)定和基坑整體穩(wěn)定影響較大，選用三軸指標(biāo)進(jìn)行計算是偏安全的[19]，若選用直接剪切強(qiáng)度指標(biāo)，需對基坑抗滑移系數(shù)、整體穩(wěn)定安全系數(shù)容許值進(jìn)行修正，否則存在安全隱患，修正后建議值[Ksl]*=1.5×[Ksl]=1.80，[Ks]*=1.5×[Ks]=1.95[20]。

(4)水泥土樁樁身強(qiáng)度直接影響重力式水泥土墻正截面驗算，因此水泥土墻體28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的設(shè)計取值至關(guān)重要，根據(jù)該項目后期施工實(shí)際情況，建議在連云港地區(qū)海相沉積土基坑支護(hù)中，宜取0.8～1.0 MPa。

(5)為降低成本和工期，重力式水泥土墻常設(shè)計成格柵式，但為保證重力式水泥土墻的整體性，建議加強(qiáng)對格柵面積置換率是否滿足規(guī)范要求的驗算，以防格柵式重力式水泥土墻在土壓力作用下“各個擊破”而發(fā)生整體破壞。