重力式水泥土墻在連云港地區(qū)海相沉積土基坑支護中的應(yīng)用

潘必勝

(中鐵上海設(shè)計院集團有限公司,上海 200070)

隨著國民經(jīng)濟的發(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)運而生?；庸こ叹哂休^大風險性和明顯的區(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工作坑的基坑支護實例，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中的應(yīng)用，并重點研究坑內(nèi)地基處理和土層力學(xué)指標選取對基坑穩(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，軟土強度反應(yīng)土體天然沉積面的強度，三軸UU試驗測得的黏聚強度大于快剪測得的黏聚強度，水平剪切面強度最低，豎直面抗剪強度最高[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。隨著指標類型不同，各類指標的變異系數(shù)有差異，較大變異系數(shù)對指標的取值有一定影響，但各個指標的變異系數(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、強度低，壓縮性大、靈敏度高等特點[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。

表1 頂進工作坑(基坑)范圍主要土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標

表2 頂進工作坑(基坑)范圍主要土層的抗剪強度指標

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

連云港海相軟土的抗剪強度指標在淺部(h<3 m)比較離散，大于3 m后指標變化規(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 基坑支護方案

頂進框架橋工作坑(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，支護樁由于無法嵌固，支護結(jié)構(gòu)抗傾覆和水平位移難以滿足規(guī)范要求；若采用支護樁+支撐方案，由于支撐的存在給基坑開挖和框架橋的頂進施工帶來很大不便；若采用雙排灌注樁，工程造價較高，經(jīng)濟性較差。本工程結(jié)合工程特點和總投資預(yù)算，綜合考慮采用的最終支護方案為：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，支護樁懸臂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，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時對基坑支護進行計算分析，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，采用不同的抗剪強度指標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：橫坐標參數(shù)如下：1—快剪強度指標；2—快剪強度指標(考慮淺部離散性)；3—快剪強度指標經(jīng)驗值；4—三軸不固結(jié)不排水抗剪強度指標。圖2 安全系數(shù)隨土層指標變化曲線

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)濟性指標，當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行加固處理，此情況下，坑內(nèi)被動土力學(xué)強度亦有所提高，但提高幅度遠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，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，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抗剪強度指標值選取的不同，Δu/ΔKov基本相等，位于1.02～1.05，在P相同的情況下，選用三軸指標時Kov最小，表明不同力學(xué)指標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，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抗剪指標的選取對Ksl影響較大，相同荷載集度下，三軸指標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度指標計算結(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，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抗剪指標的選取對Ks影響較大，相同荷載集度下，三軸指標計算的基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)最小，為考慮淺部離散性直接快剪強度指標計算結(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)基坑支護中是可行的，且經(jīng)濟性方面有明顯優(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，選用三軸指標進行計算是偏安全的[19]，若選用直接剪切強度指標，需對基坑抗滑移系數(shù)、整體穩(wěn)定安全系數(shù)容許值進行修正，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)限抗壓強度的設(shè)計取值至關(guān)重要，根據(jù)該項目后期施工實際情況，建議在連云港地區(qū)海相沉積土基坑支護中，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。