SMP准则修正的土压力在上海中心大厦 基坑的应用研究
2019-07-08姚正源
姚正源
(上海勘察设计研究院〈集团〉有限公司，上海 200093)
1 工程概况及地质条件
1.1 工程概况
上海中心大厦工程位于上海浦东新区陆家嘴中心区Z3-1、Z3-2地块(银城中路501号)，即原陆家嘴高尔夫球场。场地东临东泰路，西靠银城中路，南接陆家嘴环路，北望花园石桥路。
上海中心大厦由1幢121层主楼(结构高度580 m、建筑顶高度632 m)和1幢5层商业裙房(高度38 m)组成，整个场地下设5层地下室，基础形式均采用桩筏基础，主楼基础埋深为31.1 m，裙房基础埋深约为26.3 m[1]。主楼桩基采用后注浆钻孔灌注桩，桩径1000 mm,核心筒区有效桩长56.0 m，扩展区有效桩长52.0 m。裙房桩基采用钻孔灌注桩，立柱桩使用桩端后注浆工艺，桩径1000 mm,有效桩长为35.7 m，抗拔桩桩径700 mm,有效桩长35.7 m。主楼基坑先施工，待主楼地下室施工出±0后再施工裙房基坑。主楼区域地下结构采用明挖顺作法施工，裙房区域地下结构采用逆作法施工。
1.2 工程地质条件
根据上海岩土工程勘察设计研究院有限公司提供的勘察报告(编号2008-A-002)，拟建场地属正常地层分布区，浅部土层分布较稳定，中下部土层除局部区域有夹层或透镜体分布外，一般分布较稳定。塔楼中心实施的17号勘探孔在289.57 m深度范围内揭示，本场地第四系覆盖层厚度为274.80 m，属第四系下更新统Q1至全新统Q4沉积物，主要由粘性土、粉土、砂土组成，一般具有成层分布特点；深度274.80 m以深为花岗岩层(燕山期侵入岩)。根据土的成因、结构及物理力学性质差异，第四系土层可划分为14个主要层次(上海市统编地层第⑧层粘性土层缺失)。其中第⑤、⑦、⑨层根据土的成因、土性特征分为若干亚层和次亚层及透镜体(第⑤1a、⑤1b层；第⑦1、⑦2、⑦3层；第⑨1、⑨2-1、⑨2t、⑨2-2、⑨3、⑨3t层)。地层剖面示意图见图1。基坑设计参数见表1。
图1上海中心大厦地层剖面示意
Fig.1Stratigraphic profile at Shanghai Center Tower
表1 上海中心大厦基坑设计参数Tbale 1 Foundation pit containment parameters of Shanghai Center Tower
第①层杂填土，松散，表层0.5～1.5 m深度范围内夹大量碎砖、碎石等杂物，局部区域为混凝土地坪，下部多以粘性土为主，夹植物根茎、石子等。
第②层褐黄-灰黄色粉质粘土，可塑-软塑，层面埋深约2.3 m，含氧化铁斑点和铁锰质结核，局部以粘土为主。杂填土较厚区域该层缺失。
第③层灰色淤泥质粉质粘土夹砂质粉土，流塑，层面埋深约3.5 m，在 5.0～7.0 m深度范围夹层状粉性土较多，土质不均匀。
第④层灰色淤泥质粘土，流塑，层面埋深8.0～10.0 m，分布较为稳定，土质较均匀，属软弱粘性土。
第⑤层根据土性不同可分为2个亚层：第⑤1a层灰色粘土，软塑，层面埋深16.0～18.0 m，在拟建场地内分布稳定，土质较均匀；第⑤1b层灰色粉质粘土，软塑-可塑，层面埋深19.5～21.5 m，该层底部夹多量粉性土。
第⑥层暗绿色粉质粘土，硬塑，含氧化铁斑点和铁锰质结核，该层在拟建场地大部分区域分布稳定，层面起伏平缓，层面埋深一般在24.0 m左右，仅在场地东北侧层面埋深略偏深(层面埋深27.2～28.5 m)，厚度较薄。
第⑦层据土性不同可分为3个亚层：第⑦1层草黄色砂质粉土夹粉砂，中密-密实，在拟建场地分布稳定；第⑦2层草黄-灰黄色粉砂，密实，土质均匀，在拟建场地内分布稳定；第⑦3层灰色粉砂，密实，夹砂质粉土及薄层粘性土，土质不均匀。
第⑨层根据土性不同可分为⑨1、⑨2、⑨3层3个亚层，其中第⑨2、⑨3层中局部分布有透镜体：第⑨1层灰色砂质粉土，密实；第⑨2-1层灰色粉砂，密实；第⑨2t层灰色粉质粘土夹粘质粉土，可塑-硬塑，夹层状粉砂，土质不均；第⑨2-2层灰色粉砂，密实；第⑨3层灰色细砂，密实，土质均匀；第⑨3t层灰色粉质粘土，可塑-硬塑。
1.3 水文地质条件
根据上海岩土工程勘察设计研究院有限公司提供的勘察报告(编号2008-A-002)，场区地下水根据埋藏条件可划分为浅层潜水及承压水。
1.3.1 潜水
本场地浅部地下水属潜水类型，主要补给来源为大气降水、地表迳流。勘探期间由钻孔中测得的地下水埋深一般为0.75～3.90 m，相应绝对标高为3.36～0.40 m。上海地区地下水年平均水位埋深为0.5～0.7 m，低水位埋深为1.5 m。
1.3.2 承压水
拟建场地深部第⑦层属上海地区第一承压含水层，其层顶埋深为28～30 m,其承压水位埋深一般在3～11 m，承压水位一般呈周期性变化，随季节、气候、潮汐等因素变化。正常情况下承压水水位埋深为8.50～10.20 m。本场区由于缺失第⑧层粘性土，第Ⅰ、第Ⅱ承压含水层(即第⑦层、第⑨层)相互连通,总厚达97 m，含水量极其丰富。开挖过程中持续稳定按需降低承压水，是本区基坑安全及施工顺利实施的关键之一。
1.4 基坑围护形式
采用地下连续墙(墙厚1.2 m、墙深50 m)作为围护结构[2]。主楼区基坑内设置6道环形支撑，顶面设置4个挖土平台。各道环撑及栈桥范围内支撑实景图见图2，支撑情况见表2。
2 SMP土压力计算原理
就材料的破坏准则而言,以金属材料为对象,有著名的二维应力状态下的特莱斯卡(Tesca)准则和三维应力状态下的米泽斯(Mises)准则。而对于土这样的粒状材料,有著名的二维应力状态下的莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)准则,和由莫尔-库仑准则推广而得到的SMP(松岗-中井)准则[3-5]。基于SMP理论，结合土的抗剪强度与内摩擦角[6]，将三维情况下的土体破坏情况进行分析，SMP土压力计算原理分述如下[7-8]。
图2 上海中心大厦支撑实景Fig.2 Support system of Shanghai Center Tower
支撑层数截面尺寸/mm支撑中心相对标高/m第一道3700×1500-1.75第二道2800×1500-9.30第三道2800×1600-15.30第四道3000×1600-20.30第五道3000×1800-24.90第六道3000×1800-28.90
2.1 地下水位以上或水土合算的土层[9-10]
pak=(1/RPS)〔σak+(1-RPS)ccotφ〕
(1)
ppk=RPSσpk+(RPS-1)ccotφ
(2)
2.2 水土分算的土层
pak=(1/RPS)〔σak-ua+(1-RPS)ccotφ〕+ua
(3)
ppk=RPS(σpk-up)+(RPS-1)ccotφ+up
(4)
2.3 作用在挡土构件上的分布土反力[11]：
ps=ksv+ps0
(5)
ks=ηm(z-H)
(6)
2.3.1 被动区初始土压力-主动
合算：
ps0=(1/RPS)σpk
(7)
分算：
ps0=(1/RPS)(σpk-up)+up
(8)
2.3.2 被动区初始土压力-被动
合算：
ps0=RPSσpk
(9)
分算：
ps0=RPS(σpk-up)+up
(10)
3 算例与分析
3.1 主动土压力算例
图3给出了上海中心大厦基坑主动土压力随开挖深度的曲线。
图3 SMP修正土压力与朗肯土压力在主动土压力情况下的对比Fig.3 Comparison of SMP failure criteria and Rankine’s earth pressure in the active zone
两种理论方式的计算与实测曲线的对比表明：
(1)基于SMP修正的土压力在坑底以上小于朗肯土压力，约为朗肯土压力的85%；
(2)基于SMP修正的土压力在坑底以下略小于朗肯土压力，约为朗肯土压力的95%；
(3)基于SMP修正的土压力在按照土性分合算的情况下与坑底以上监测值更为吻合。
这说明基于SMP修正的土压力相对于朗肯土压力而言，更接近实测值。采用基于SMP修正的土压力计算，能够解决朗肯土压力计算值过大的问题，并且对于支护结构仍留有一定的安全储备，在实际工程设计中有广泛的应用前景。
3.2 被动土压力算例
图4给出了上海中心大厦基坑被动土压力随开挖深度的曲线。
两种理论方式的计算与实测曲线的对比表明：
(1)基于SMP修正的土压力与朗肯土压力计算值在被动区趋势相反；
(2)基于SMP修正的土压力更符合实测数据的趋势；
图4 SMP修正土压力与朗肯土压力在被动土压力情况下的对比Fig.4 Comparison of SMP failure criteria and Rankine’s earth pressure in the passive zone
(3)朗肯土压力在被动区出现了小于实测值的情况，偏不安全。
这说明基于SMP修正的土压力相对于朗肯土压力而言，SMP修正的土压力与实测值最为接近，且仍留有一定的安全储备。
4 结论
(1)本文给出了SMP土压力计算原理在水土分算、水土合算以及被动区土压力的计算公式，有利于工程师今后在实际工程中对SMP修正土压力的运用。
(2)对比监测数据，由朗肯土压力公式所得主动土压力值通常都较实测值偏大，过于保守。SMP修正土压力比传统的朗肯土压力理论更接近实测值，能够更好地发挥支护结构的强度潜力，采用SMP修正土压力进行围护设计可产生良好的经济效益。
(3)在被动区，基于SMP修正的土压力相对于朗肯土压力而言，更接近实测值，且更符合实测值的趋势，并有一定的安全储备，故基于SMP修正的土压力更接近被动土压力。
