莫若瑜， 柳卓民， 黃向平

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 上海 200032)

0 引言

臨海地區(qū)港口碼頭的工程建設(shè)常采用拋石擠淤工藝，對(duì)拋石地層場(chǎng)區(qū)內(nèi)的開發(fā)建設(shè)進(jìn)行可行性措施研究很有必要。李學(xué)勁等[1]在海濱人工填石層場(chǎng)地的建設(shè)工程實(shí)例中，采用塑性混凝土沖孔灌注樁支護(hù)和止水措施，驗(yàn)證了其可行性。程瑤等[2]通過不同配合比的塑性混凝土試驗(yàn)，得到了滿足工程要求的施工配合比，且在長(zhǎng)江堤防工程中驗(yàn)證了塑性混凝土的強(qiáng)度、滲透系數(shù)等各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。業(yè)界還有許多學(xué)者[3-6]通過工程案例與計(jì)算分析的多重比對(duì)，逐步論證了臨海地區(qū)眾多支護(hù)方法的可行性。

深圳蛇口郵輪中心工程處于較厚拋石層場(chǎng)區(qū)，其施工期碼頭結(jié)構(gòu)的水平位移對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)要求較為嚴(yán)格，支護(hù)安全和止水效果是整個(gè)基坑工程的兩大難點(diǎn)。本工程采用鋼筋混凝土排樁+沖孔灌注混凝土樁的咬合方案，通過現(xiàn)場(chǎng)施工期實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)相比常用的鋼板樁、高壓旋噴樁與灌注排樁相結(jié)合等常用方案，此類剛-塑性混凝土咬合樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工工藝、材料成本、結(jié)構(gòu)受力及支護(hù)效果等各方面都有突出優(yōu)勢(shì)。

1 項(xiàng)目背景

深圳蛇口郵輪中心工程位于招商局蛇口工業(yè)區(qū)中的太子灣片區(qū)。其地下室結(jié)構(gòu)呈不規(guī)則多邊形，基坑支護(hù)底面積約3.82萬m2，基坑支護(hù)全線長(zhǎng)約894 m，地下室外墻結(jié)構(gòu)長(zhǎng)約837 m?；拥讟?biāo)高為-4.3 m，基坑頂周圍場(chǎng)地標(biāo)高約2.2～3.0 m，坑外的設(shè)計(jì)水位按2.69 m考慮，基坑深度6.5～6.99 m，其平面布置見圖1。

圖1 基坑支護(hù)平面圖(單位： m)

結(jié)合勘察及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量資料，臨碼頭的兩側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位于較厚的(15 m以上)拋石料中，塊石設(shè)計(jì)重量為10～100 kg。往下土層為含砂粘土、粘土砂礫、砂土、砂礫等(見圖2)。

圖2 典型基坑支護(hù)斷面圖(單位： mm)

基坑邊緣與碼頭之間最小距離為12.9 m，基坑的拋石地基與海水相通，海水漲落對(duì)基坑形成動(dòng)水影響。設(shè)計(jì)高水位為1.59 m，高潮累積頻率為10%，設(shè)計(jì)低水位為-0.91 m，低潮累積頻率為90%。要求基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工期間，碼頭結(jié)構(gòu)物的水平位移不得超過10 mm，且在樁基施工時(shí)不得使其被震裂。

2 基坑設(shè)計(jì)分析及監(jiān)測(cè)成果

2.1 基坑設(shè)計(jì)

本工程基坑位于緊鄰碼頭的人工拋石擠淤所形成的填海區(qū)域，所以其人工填土層支護(hù)設(shè)計(jì)及地下水防滲設(shè)計(jì)尤為重要。根據(jù)場(chǎng)區(qū)勘察報(bào)告，得到基坑支護(hù)巖土設(shè)計(jì)參數(shù)(見表1)。

本工程處在地下水極為豐富的人工填石區(qū)域，存在成槽困難、澆筑或噴灌混凝土隨水流失、止水墻接口困難等問題，因此使用地下連續(xù)墻和水泥注漿墻等常用止水帷幕施工不太可行。

表1 基坑支護(hù)巖土設(shè)計(jì)參數(shù)表地層名稱承載力特征值fak/kPa壓縮模量Es/MPa變形模量E0/MPa抗剪強(qiáng)度內(nèi)摩擦角Ф(°)凝聚力c/kPa填石①1*80——*35—人工填土①砂夾碎石層①2*70——*30—粗砂①370——25—第四系海相地層②粘土②1802.83.02.520中粗砂②2120—15.025—含砂粘土③12006.518.01528粘土質(zhì)礫砂③220020.025 5第四系海陸交互相沉積層③粘土③31003.05.03.020礫砂③4220—20.030—粘土③51805.516.01025殘積層砂質(zhì)粘性土④ 2006.018.02525強(qiáng)風(fēng)化花崗巖⑤2 500—100.03540

結(jié)合場(chǎng)區(qū)地質(zhì)情況，綜合基坑支護(hù)安全及防滲要求，采用剛塑性混凝土咬合樁的基坑支護(hù)方案。剛性樁即為鋼筋混凝土樁，對(duì)于塑性混凝土樁的引用則是本工程技術(shù)性要點(diǎn)。塑性混凝土作為一種新型防滲材料，它在普通混凝土中加入膨潤土和黏土等配比材料，使水泥摻量大幅降低。該類材料的彈性模量低、極限變形大，在荷載作用下形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變都很低，從而提高了抗?jié)B能力。就本工程而言，塑性混凝土樁相比剛性混凝土支護(hù)樁其力學(xué)特性較好，同時(shí)能節(jié)省水泥，施工較為方便，降低了工程成本。本工程在臨水側(cè)設(shè)計(jì)直徑1.2 m鋼筋混凝土和塑性混凝土咬合樁，在內(nèi)側(cè)放坡段采用塑性混凝土咬合樁作為止水帷幕，塑性混凝土實(shí)際配合比如表2所示。

表2 實(shí)際攪拌站的塑性混凝土配合比水泥水摻合料泥粉石子砂子外加劑1503201101007087084.32

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)二維計(jì)算分析

采用二維計(jì)算分析論證支護(hù)方案的可行性。本工程地質(zhì)條件為拋石層，地質(zhì)力學(xué)條件較好，結(jié)構(gòu)為咬合排樁結(jié)構(gòu)，受力采用啟明星軟件進(jìn)行分析，咬合樁中的塑性樁不考慮受力，作為一定的安全富余系數(shù)考慮。

對(duì)結(jié)構(gòu)起決定性作用的主要為拋石層，拋石層的m值選取對(duì)結(jié)果影響很大，拋石層采取水土分算。嚴(yán)格來講，水平地基抗力比例系數(shù)m應(yīng)根據(jù)單樁的水平荷載試驗(yàn)結(jié)果來確定，沒有單樁水平試驗(yàn)時(shí)，《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 120—2012)提供以下經(jīng)驗(yàn)公式:

(1)

計(jì)算可得，m為21 MN/m4。

由于拋石不同于級(jí)配密實(shí)的碎石土，因此對(duì)m值取低值為13 MN/m4。支護(hù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 m=13 MN/m4時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果圖

從計(jì)算結(jié)果可看出，控制性指標(biāo)樁頂水平位移最大值為30 mm，滿足小于基坑深度3‰的規(guī)范要求，但拋石層的巖土參數(shù)選取合理性有待與實(shí)際情況驗(yàn)證。

續(xù)圖3 m=13 MN/m4時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果圖

2.3 監(jiān)測(cè)成果對(duì)比及反分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)樁頂水平位移監(jiān)測(cè)布點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，反向驗(yàn)證二維計(jì)算模型中的拋石層巖土參數(shù)計(jì)算合理性，其樁頂水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 樁頂水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，最大水平位移為13.1 mm，與首次二維計(jì)算模型中位移30 mm的差距較大。推測(cè)造成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位移比計(jì)算位移小的原因有： ①計(jì)算土壓力為極限狀態(tài)，實(shí)際土壓力未達(dá)到極限狀態(tài)，或者水壓力計(jì)算偏大；②拋石的m取值可能偏小；③塑性混凝土雖然在計(jì)算上不考慮，實(shí)際上還是會(huì)產(chǎn)生作用，對(duì)支護(hù)墻的整體剛度有一定貢獻(xiàn)。

針對(duì)以上3種可能造成誤差的情況，分別進(jìn)行試算。試算1將拋石層的m值放大到21 MN/m4，計(jì)算結(jié)果如圖5，計(jì)算結(jié)果中位移仍為24.4 mm，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)仍存在較大差異性。

圖5 試算1計(jì)算結(jié)果圖

因規(guī)范規(guī)定，粘性土采用水土合算，砂性土粉質(zhì)土采用水土分算的方法，故首次計(jì)算中采用水土分算的方法。為比較水土分算和水土合算的異同，試算2采取水土合算方式，計(jì)算結(jié)果如圖6，計(jì)算結(jié)果中位移為11.3 mm，最為接近實(shí)測(cè)位移?？梢钥闯霾捎盟梁纤愕玫降奈灰聘咏咏^測(cè)結(jié)果。

圖6 試算2計(jì)算結(jié)果圖

剛-塑性混凝土咬合樁中，在最初的計(jì)算模型中未考慮塑混凝土樁的支護(hù)剛度，留有一定安全富余，因此試算3將塑性樁的作用考慮進(jìn)去，將樁間距由1.8 m調(diào)整為1.2 m密排，具體的樁間分析模擬后續(xù)由三維模擬分析進(jìn)一步復(fù)核。計(jì)算結(jié)果如圖7，圖7可看出樁頂水平位移為9.2 mm，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)比較接近。

圖7 試算3計(jì)算結(jié)果圖

通過二維計(jì)算分析和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，實(shí)測(cè)位移比理論計(jì)算值大，其原因?yàn)椋孩偎苄詷段撮_裂，仍起參與作用，排樁剛度大，從而位移變??；②基礎(chǔ)拋石區(qū)，樁基的超灌可能導(dǎo)致樁徑比設(shè)計(jì)大，導(dǎo)致樁剛度變大；③土壓力未達(dá)到極限狀態(tài)，理論的土壓力偏大；④拋石摩擦角偏大；⑤回填層有一定含泥量，完全按照水土分算，計(jì)算水壓力可能偏大。

3 三維反分析

3.1 分析目的

對(duì)實(shí)測(cè)和二維計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較，無論基坑實(shí)測(cè)位移還是碼頭實(shí)測(cè)位移都比二維結(jié)果小。二維計(jì)算中，偏安全地把無配筋的塑性混凝土樁基忽略，僅考慮將受力加入配筋的鋼筋混凝土樁。實(shí)際上，塑性混凝土由于其彈性模量較低，且塑性極限應(yīng)變較大，有一定的抵抗共同變形能力。為了更加真實(shí)地模擬出鋼筋混凝土樁和塑性混凝土的受力情況，采用三維實(shí)體模型進(jìn)行分析。

3.2 計(jì)算模型及參數(shù)

計(jì)算軟件采用巖土三維有限元軟件Plaxis，分析如下3種工況。工況1：天然地面；工況2：回填圍堤和陸域；工況3：打樁基，開挖基坑。

由于基坑邊線長(zhǎng)度較長(zhǎng)，因此采用1個(gè)分段進(jìn)行分析，分段含3根直徑1 200 mm鋼筋混凝土樁和2根直徑1 200 mm塑性混凝土樁，咬合長(zhǎng)度為300 mm。工況3模型見圖8。

圖8 工況3模型圖

計(jì)算參數(shù)按照地質(zhì)報(bào)告進(jìn)行選取。塑性混凝土參數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果提供。拋石的彈性模量地質(zhì)報(bào)告未提供，實(shí)際測(cè)試具有難度。樁基主要位于拋石層中，對(duì)拋石彈性模量參數(shù)非常敏感。本次反分析采用了幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行試算，最后選取50 MPa作為拋石層的彈性模量。基坑支護(hù)巖土設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

基坑開挖前后的水平位移見圖9～11。

圖9 挖基坑前水平位移圖(單位： m)

從圖10可看出，由于基坑開挖前場(chǎng)地不是天然水平，而是帶有圍堤的斜坡，整個(gè)場(chǎng)地位移場(chǎng)有向碼頭方向位移的趨勢(shì)。經(jīng)過多年時(shí)間，變形可能已大部分完成。

表2 基坑支護(hù)巖土設(shè)計(jì)參數(shù)表參數(shù)模型排水類型彈性模量E/MPa泊松比μ凝聚力C/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)拋石摩爾庫倫排水500.2528153-1含砂粘土摩爾庫倫排水180.2215203-2粘土質(zhì)礫砂摩爾庫倫排水200.2220203-3粘土摩爾庫倫不排水80.2 0304礫砂摩爾庫倫排水400.2222 24粘土摩爾庫倫不排水400.2——鋼筋混凝土樁基彈性不排水3.3 e 70.167——塑性混凝土樁基彈性不排水10 0000.22815

圖10 開挖基坑后水平位移圖(豎向切面，單位： m)

從圖11可看出，基坑開挖后樁基位移往基坑方向，樁頂位移約13 mm，與實(shí)測(cè)位移接近，且各樁位移相同。說明塑性混凝土樁基和鋼筋混凝土樁基一樣參與受力，共同變形。圖10與圖11第一級(jí)臺(tái)階為碼頭樁基位置，其向右最大位移差值0.037m-0.030 m=0.007m，說明由基坑開挖產(chǎn)生的碼頭樁基位置土體位移為7mm。碼頭結(jié)構(gòu)自身有一定的抗水平位移能力，因此基坑開挖對(duì)碼頭影響較小。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，由基坑開挖產(chǎn)生的碼頭最大位移為1.9 mm。

圖11 開挖基坑后水平位移圖(水平向切面，單位： m)

4 結(jié)語

1) 塑性混凝土樁不僅能起到止水作用，還與剛性混凝土樁早期共同受力，減少了基坑支護(hù)的變形?；釉O(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算中，忽略塑性混凝土樁是偏安全的；分析基坑支護(hù)變形時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮塑性混凝土樁。

2) 根據(jù)三維計(jì)算結(jié)果，塑性混凝土與剛性混凝土樁共同受力，在基坑支護(hù)變形計(jì)算中，采用二維進(jìn)行模擬已足夠滿足計(jì)算要求。

3) 由于基坑開挖產(chǎn)生的碼頭樁基位置土體位移為7 mm，而碼頭結(jié)構(gòu)自身有一定的抗水平位移能力，因此基坑開挖對(duì)碼頭影響較小。

4) 通過支護(hù)結(jié)構(gòu)三維反分析，驗(yàn)證了二維設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)的參數(shù)選擇正確可行，同時(shí)所得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合，表明此類剛-塑性混凝土咬合樁支護(hù)結(jié)構(gòu)可以在往后相類似工程中進(jìn)行應(yīng)用。