珠海深厚淤泥地层中大直径桩插入比对基坑变形特性的影响

2020-10-31陈晓庆1丁文其1曲红波乔亚飞1逯兴邦1赖颂英

中南大学学报（自然科学版） 2020年9期

陈晓庆1,2，丁文其1,2，曲红波，乔亚飞1,2，逯兴邦1,2，赖颂英

(1.同济大学土木学院，地下建筑与工程系，上海，200092；2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海，200092；3.中国建筑第二工程局有限公司华南分公司，广东深圳，650021)

软土具有天然含水率高、触变性大、压缩性强、承载力低、渗透性差等特点，其大面积分布在我国的东部沿海地区。在软土地区进行基坑开挖时，风险与事故频发，经常会造成围护结构侧移过大、地表不均匀沉降等变形问题以及基坑坍塌等稳定性问题，因此，对软土地区基坑的变形特性进行研究尤为重要，并且随着城市地下空间的快速发展，基坑工程已经进入由变形控制设计的新时代[1]。目前，国内外众多学者对世界范围内的基坑变形特性进行了研究： LONG[2]和MOORMANN[3]分别调研了世界范围内300 多个深基坑开挖以及530多个软土地区深基坑开挖的工程实例，得到了基坑侧移和地表沉降的规律，后者认为地质条件及开挖深度是影响基坑变形的最主要因素；WANG 等[4]分析了上海6 个软土基坑的实测数据，并将其与台北和新加坡等地类似工程进行对比，揭示了上海基坑的变形特性；李淑等[5]对北京37 个基坑案例进行了统计分析，指出钻孔灌注桩深基坑开挖引起的墙体侧移模式表现为“中凸性”形，并得到了围护结构最大侧移随插入比、支护体系刚度的增大而减小的普遍规律；廖少明等[6]和冯虎等[7]分别统计分析了苏州和上海软土地区大尺度深基坑的变形特性。然而，既有大多数关于基坑变形特性的研究均基于某一地区大量工程项目的统计分析，结果往往具有较大的离散性。另外，基坑的变形特性存在明显的地域差异和特征。对于本文研究的珠海横琴地区，淤泥分布范围广，含水率高，厚度变化大，处于20～50 m范围之间[8]，且具有较强的欠固结特性。为此，基坑采用超长大直径灌注桩作为围护结构，针对其变形特性的研究尚少见报道。此外，在深厚淤泥地层，基坑围护结构的侧移模式、不同淤泥层厚度分布情况下基坑的变形特性、基坑的变形特性随着插入比增大的变化规律、围护结构最优的插入比等这些问题在珠海欠固结淤泥地层的基坑工程设计和施工中均需进一步解决。本文作者以珠海横琴口岸基坑群为依托，通过对基坑围护结构变形监测数据的统计分析，总结采用超长大直径灌注桩作为围护结构的基坑侧移变形模式，并研究淤泥层厚度、围护结构插入比对围护结构变形及地表沉降的影响规律。最后，对比分析珠海深厚淤泥地层与其他软土分布地层的基坑变形特性，进一步明确深厚淤泥地层的影响，以便为珠海地区的深基坑设计提供参考和依据。

1 工程概况

珠海横琴口岸基坑群开挖面积超过13 万m2，为横琴新区乃至整个珠海市规模最大的基坑工程之一，时空效应显著。整个基坑工程采用分区的方式进行实施，共分为A、B、C 和D 这4 个区域(图1)，其中A 区和B 区的开挖深度为9.2～13.3 m，C和D区的开挖深度均约为13.3 m。

地勘报告表明横琴基坑群所在场地的地层分布主要为人工填土层①、海相沉积层②、海陆交互相沉积层③和燕山三期花岗岩④。其中，淤泥层厚度达10.0～26.4 m，平均含水率达61.3%。基坑采用直径为1 500 mm或1 600 mm、插入比为2.50～3.70的超长大直径旋挖灌注桩作为围护结构，并对坑内被动区土体采用Φ850@600格栅式水泥土搅拌桩进行裙边加固，加固深度为6～8 m。典型围护结构断面型式如图2所示。

为确保横琴口岸基坑群的安全，并实时掌控基坑的安全状态，在基坑开挖过程中共布设78 个桩身深层水平位移测点，对围护桩的水平侧移进行监测，图1中列出了本文所涉及的部分测点位置。

图1 基坑分区及测斜孔布设方案Fig.1 Division of foundation pit and layout of inclinometer monitoring points

图2 典型围护结构示意图Fig.2 Typical diagram of retaining structure

2 深厚淤泥地层围护桩的变形模式

为分析珠海深厚淤泥地层基坑围护桩的变形模式，并探究围护桩在不同变形模式下的变形特性，对基坑各分区的测斜孔数据进行分析。根据测点的空间埋设分布和监测数据记录的有效性，选取其中10 个典型剖面进行围护桩侧移模式的统计分析。横琴口岸基坑采用超长大直径桩作为围护结构，支护强度大，插入深度大，结合有限元分析可知围护桩桩底的水平位移非常小，同时考虑桩顶水平位移测量结果受周边环境开发和欠固结地层的影响，本文分析仍采用由桩底向上计算侧移的方法确定桩身的侧移。这种方法虽会导致桩身水平位移偏小，但对围护桩的侧向变形模式影响较小。结果表明，珠海深厚淤泥地层基坑围护桩的侧移模式主要有悬臂式、鼓肚式及弓形3种，对于每种变形模式各选取1个代表性截面进行详细分析(表1)。

图3(a)所示为B1 区CX37 测斜孔的监测结果，随着开挖的进行，基坑围护结构的变形模式始终保持为悬臂式，最大侧移发生在桩顶附近，淤泥层分布范围内围护桩侧移量最大且基本保持不变。

图3(b)所示为C 区CX50 测斜孔的监测结果，由于该处支撑跨度大，刚度小，在开挖初期围护桩表现悬臂式的变形模式。在第二道支撑施作完成之后，围护桩的变形增量主要发生在淤泥层，且各淤泥层开挖引起的变形增量均小于第二层土开挖(6.88 m)到第二道撑施工过程中的变形增量，这说明淤泥层的开挖对侧移增量的影响较小。最后一层开挖的土体(10.9～13.2 m)全为淤泥层，其开挖对围护桩靠近坑底的侧移影响较大，而对上部影响较小，这使得围护桩的变形模式发生了由悬臂式向鼓肚式的转变，最大侧移发生在坑底附近。

测斜孔CX05 和CX15 为管廊坑中坑剖面，其所在断面支撑跨度较小，刚度较大，所以，基坑顶部位移较小(图3(c))。地表以下4.48～18.48 m之间为淤泥层，分布范围内围护结构侧移大。随着管廊的开挖以及管廊支撑的施作，第二道支撑处侧向位移值较小，呈内凹趋势，围护桩的变形模式为“弓形”。

图3 各典型侧移模式示例Fig.3 Examples of typical deflection modes

表1 围护桩的变形模式Table1 Modes of deflection of retaining piles

围护桩侧移的大小及模式与淤泥层的厚度及分布紧密相关，变形最大值集中发生在淤泥层，且淤泥层的开挖对围护结构变形增量的影响较小。另外，在开挖到坑底之后的一段时间内，围护桩的侧移仍有较大增加，如CX37测斜孔的侧移值在开挖完成后逐渐增大，2月后约为开挖结束时的2倍。这说明深厚淤泥地层的基坑变形具有明显的滞后性和时间依赖性，在工程中应予以重点考虑。

3 数值计算模型验证

考虑监测数据具有较大的离散型，不利于总结基坑变形的影响因素及规律，本文采用数值计算的方法对基坑变形的影响因素进行分析。

3.1 模型工况

以B1区CX23测斜孔所在基坑剖面(图2)为例，采用Z-soil 软件建立数值模型。CX23 剖面开挖深度为9.2 m，设2道长×宽为1 000 mm×1 200 mm的混凝土支撑梁。基坑左侧为极速体验中心，地面经过硬化加固，围护桩采用Φ1 500@1 700 的旋挖灌注桩，长度为35 m，插入比为2.80。

3.2 参数反演与验证

HSS 模型能够比较全面地概括土体本构关系中的重要特性，是一种适合于软土基坑的高级本构模型[9]，并且其参数物理意义明确，主要包括强度参数和刚度参数。强度参数主要为黏聚力c和内摩擦角φ；刚度参数主要包括割线模量E50、切线模量Eoed、卸荷再加载模量Eur、卸载泊松比v以及初始剪切模量G0。上述参数均可以通过室内试验确定。本文在取值时，依据地勘报告提供的固结不排水剪切数据、压缩模量等，并参考王卫东等[10]的研究成果：综合确定了模型的初步参数。为了取得更好的再现工程监测数据，对各土层取值范围较广的Eur进行多数值试算，确定了更加适用于珠海地区的HSS模型参数，如表2所示。

图4所示为CX23 剖面基坑围护桩侧移的监测数据与数值模拟结果。从图4可以看出：在基坑开挖完成后，两者在侧向变形形态和侧移最大值上均具有较高的吻合度，表明HSS 模型能够很好地模拟和预测珠海地区土体的变形特性。

4 基坑变形特性影响因素计算分析

基坑的变形特性受到众多因素的影响，徐中华等[11]从统计的角度分析了上海地区93 个采用地下连续墙作为围护结构的深基坑变形性状，并得出围护结构的最大侧移随着软土厚度的增加而不断增大的结论；乔亚飞等[12]分析了不同插入比下围护结构的侧向变形规律，建议无锡地区深基坑工程的插入比取为0.70～1.00。然而，珠海地区淤泥厚度大、强度低，具有较明显的流变特性，对围护结构的变形及地表沉降影响大；同时，围护结构在深厚淤泥地层中的最优插入比也有待分析确定。

因此，本文选取淤泥层厚度hs以及围护结构插入比(H-He)/He这2个参数进行敏感性分析，研究其对围护桩侧移量δh、最大侧移深度Hs以及地表沉降δv等参数变化特性的影响。本文各参数的定义如图5所示。图5中，He为基坑的开挖深度，Hw为围护结构某点处的深度，H为围护结构的总长度，δhm为围护结构最大侧移量，δvm为地表最大沉降量，d为地表某点至围护结构的距离。

表2 HSS模型土体物理力学参数Table2 Physical and mechanical parameters of soil in HSS model

图4 CX23剖面数值计算结果与实测值对比图Fig.4 Comparison between computed and measured lateral displacement of section CX23

4.1 淤泥层厚度

4.1.1 淤泥层厚度对围护桩变形特性的影响

图5 参数定义Fig.5 Parameter definition

通过固定淤泥层顶面位置，调整淤泥层底面的位置，以改变淤泥层厚度hs。以淤泥层厚度4 m为间隔建立各剖面的二维有限元模型，得到不同淤泥层厚度下围护桩的最大侧移及变形性状。以CX23剖面为例，不同淤泥层厚度下基坑围护桩的变形性状如图6所示。从图6可以看出：随着淤泥层厚度不断增大，围护桩的最大侧移量呈现增大的趋势，增幅呈现先增大后减小的变化规律，且最大侧移点的位置也不断往深处移动。

为进一步研究淤泥层厚度对围护桩变形特性的影响，另外选取不同分区的CX27 和CX62 这2个基坑剖面进行分析，基坑的开挖深度分别为9.2 m和13.3 m，围护结构长度分别为43.0 m 和46.5 m。保证其他影响因素不变，分析3个剖面处基坑围护桩的最大侧移量随淤泥层厚度的变化趋势，如图7所示。从图7可以看出：3 个剖面处的最大侧移量均随淤泥层厚度的增大而不断增大，由于CX62剖面的跨度远大于另2个剖面的跨度，所以，该剖面处的侧移量也有明显增大。

围护桩最大侧移深度与淤泥层厚度之间的关系如图8所示。从图8可以看出：随着淤泥层厚度的不断加深，最大侧移发生的位置也不断往深处移动，且均大于基坑的开挖深度，CX23 与CX62剖面变化趋势基本为线性，CX27剖面呈现“阶梯型”的变化规律。

图6 变形性状与淤泥层厚度的关系Fig.6 Relationship between deformation behavior and thickness of mud layer

图7 最大侧移量与淤泥层厚度的关系Fig.7 Relationship between maximum lateral displacement and thickness of mud layer

4.1.2 淤泥层厚度对地表沉降的影响

淤泥层厚度也会对基坑开挖引起的地表沉降产生影响。以CX27剖面为例，桩后地表沉降与淤泥层厚度之间的关系如图9所示。从图9可以看出：地表沉降量δv随着淤泥层厚度hs的增大而显著增大，最大沉降点所在位置与墙背之间的距离d也不断增大，变化范围为0.75He～1.00He。

图8 最大侧移深度与淤泥层厚度的关系Fig.8 Relationship between maximum lateral displacement depth and thickness of mud layer

图9 地表沉降与淤泥层厚度的关系Fig.9 Relationship between surface settlement and thickness of mud layer

4.2 围护桩插入比

4.2.1 插入比对围护桩变形特性的影响

围护桩的插入比改变对基坑的变形特性将产生重要的影响，图10所示为CX23与CX62剖面在不同插入比条件下基坑围护桩的变形性状。从图10可知：随着插入比不断增大，围护桩的最大侧移量呈现减小的趋势，最大侧移点的位置也不断往上移动；当插入比增大到一定值时，侧移量将基本不再发生变化；但当插入比分别小于1.36 和1.02 时，CX23 和CX62 剖面处围护桩的最大侧移量迅速增大，若继续减小桩长，则基坑有发生“踢脚”破坏的风险。

图10 围护结构变形性状与插入比的关系Fig.10 Relationship between deformation behavior and insertion ratio

围护桩最大侧移与插入比之间的关系如图11所示。从图11可以看出：随着插入比增大，围护桩的最大侧移先呈现明显减小的趋势；当插入比大于1.60 时，3 个剖面的最大侧移分别稳定在0.22%He，0.25%He和0.40%He。总体来看，由于CX62剖面的跨度大，支撑刚度小，其侧移明显大于另2个剖面侧移。

图11 最大侧移量与插入比的关系Fig.11 Relationship between maximum lateral displacement and insertion ratio

最大侧移深度随插入比的变化规律如图12所示。从图12可以看出：当CX23，CX27和CX62剖面的插入比分别小于1.00，1.30和1.50时，最大侧移深度随插入比增大显著回升；继续增大插入比，最大侧移深度将趋于不变或发生微小变化。

图12 最大侧移深度与插入比的关系Fig.12 Relationship between maximum lateral displacement depth and insertion ratio

4.2.2 插入比的归一化分析

为减少淤泥层厚度和开挖深度等因素的影响，并验证插入比的变化对围护结构侧移量的影响在不同断面、不同地层分布下的影响规律是否一致，以各剖面实际插入比情况下的围护结构最大侧移为标准“1”，对不同插入比情况下的最大侧移量进行归一化分析。

图13所示为4 个剖面基坑围护结构归一化最大侧移与插入比的关系。从图13可以看出其变化规律近似呈“三段线”：当插入比大于1.60时，围护桩的归一化最大侧移基本维持在0.88 附近；当插入比大于1.20 且小于1.60 时，围护桩的最大侧移随着插入比的增大而减小；当插入比小于1.20时，最大侧移急剧上升，基坑有发生踢脚破坏的风险。

图13 归一化最大侧移随插入比的变化规律Fig.13 Variation of normalized maximum lateral displacement of retaining pile with insertion ratio

在实际工程设计时，应同时兼顾安全性和经济性确定最优的桩身长度，对于横琴口岸基坑，开挖深度为9.2～13.3 m，建议插入比取1.60，合适的桩身长度为23.92～34.58 m。

4.2.3 插入比对地表沉降的影响

插入比的改变同样也会影响基坑开挖引起的地表沉降。选取CX27剖面为例进行分析，桩后地表沉降量与插入比间的关系如图14所示。从图14可以看出：当插入比小于1.34 时，地表沉降随插入比增大而减小至15 mm 左右；随后，随插入比增大，地表最大沉降在15 mm 附近微小波动。地表最大沉降的位置与插入比关系不大，与围护桩之间的距离始终稳定在0.83He左右。

图14 地表沉降与插入比的关系Fig.14 Relationship between surface settlement and insertion ratio

5 不同软土地区基坑变形特性对比

为进一步突显珠海深厚淤泥地层基坑围护结构的变形特性，按照由北到南的地理顺序依次调研天津[13]、南京[14]、上海[11]、宁波[15]、温州[16]和珠海[17-20]主要软土城市的基坑变形特性。这些软土城市地区基坑信息汇总如图15所示。

从图15可以看出：各城市软土地层基坑的最大侧移范围不一致，但平均最大侧移量由北到南呈现不断增大的趋势，从天津的0.153%He增大至温州的0.80%He。统计的珠海地区基坑的围护结构最大侧移量变化范围最大，为0.24%He～2.36%He，最大侧移量范围的峰值也远比其他软土地区的大。而相比之下，横琴口岸基坑由于采用超长大直径灌注桩作为围护结构，最大侧移量得到很好控制，其平均值仅为0.21%He。

从插入比看，其他软土地区基坑围护结构的插入比总体范围为0.45～1.52，绝大多数处于0.70～1.00 之间。而横琴基坑的插入比高达2.50～3.70，显著比其他地区的大，这是由该地区深厚的软弱淤泥层分布所决定的，这也从一定程度上说明珠海基坑设计时围护结构应该有足够的插入深度才能保证基坑的安全性及稳定性。