香港科技大学(广州)深厚淤泥基坑设计与实践

周汉香, 周越洲, 方小丹

(华南理工大学建筑设计研究院有限公司，广州 510641)

0 前言

淤泥在我国沿海沿江地区广泛分布,具有含水率、压缩性、灵敏度高,密度、强度、渗透性低,结构性强流变明显的不良工程特性。深厚淤泥基坑工程的影响因素多,造价高,不同支护方案安全度相差迥异,总体风险大。

针对深厚淤泥基坑工程出现的强度、变形、稳定问题,韩建强等[1]对广州地区、丁勇等[2]对杭州地区、唐传政[3]对武汉地区的典型案例,进行了原因分析,并探讨了设计施工注意事项。张玉成等[4]对珠三角深厚软土地区浅基坑常用的支护形式、破坏模式进行了分类比较,并对被动区加固作用进行了分析。郑刚[5]从软土基坑施工全过程控制出发,研讨了支护体系变形控制和保护对象变形控制的策略。

珠江三角洲地区,如广州市南沙区和珠海市横琴区,淤泥普遍深厚且软弱:含水量大于60%,常存在欠固结,抗剪强度很低等问题,厚度在10～30m以上。支挡深度4～7m的基坑,仅支护材料造价已高达每延米2～6万元不等。在基坑的施工过程中出现工程桩移位、倾斜、断桩,导致基坑大变形甚至失稳等问题屡见不鲜。此种条件下,如何根据实际工程需要,优化设计与施工,以兼顾安全与经济适用,具有显著的意义,也是岩土工程界面临的难题与挑战之一[6]。针对深厚淤泥基坑工程,目前较缺乏设计施工全过程“定性-定量-反演-总结”的系统性控制方法与优化设计的研究。如在定性分析基础上进行定量计算,再根据实测数据进行反演校正,则可趋于正确认识并真正推动技术进步[7]。

本文针对香港科技大学(广州)深厚淤泥基坑工程,结合设计施工与现场实测,进行了较系统研究,研究成果可为同类型工程提供参考与借鉴。

1 工程概况

项目位于广州市南沙区,分为三个基坑。核心建筑基坑面积3万m2,周长1300m;配套南基坑面积3.7万m2,周长1800m。二者在场区的南侧中部连通,平面极不规则,总体大致呈L形,水平总长约550m,竖向总长约450m,内部最宽约90m。配套北基坑面积2.2万m2,周长700m;平面大致呈长条形,竖向长约100m,水平长约250m。配套北基坑距离核心建筑基坑最近点约200m。各基坑开挖深度5.8～7.2m,平均6.5m。基坑安全等级、周边环境等级均为二级。基坑与软土地基处理范围如图1所示,图中虚线为基坑支护地下室边线,实线为场区软土地基处理范围边线。场区原为农田、鱼塘和村民民房,场平后场地整体平坦空旷,无重要建构筑物和地下管线。

图1 基坑与软土地基处理范围平面图

2 工程地质条件

2.1 岩土层

新近填土、深厚淤泥、圆砾层在场区广泛连续分布;其他岩土层大部缺失,呈不连续夹层分布。场区主要岩土层为:

①人工填土:湿,松散,黏性土为主;平均层厚3.5m,新近堆填,时间仅1～3个月。

②1淤泥:灰黑色饱和流塑。层厚6.5～21.8m,平均15.0m,欠固结,平均含水量77.4%,有机质含量7.45%～9.36%。三轴固结不排水抗剪强度指标:黏聚力CCU为10.8kPa,内摩擦角φCU为13.9°。灵敏度St为3.8。

②3粉砂:局部分布,统计层厚1.20～8.00m,平均2.70m。

②4淤泥质土:局部分布,灰黑色饱和,流塑～软塑。统计层厚1.5～13.0m,平均5.0m,已固结,平均含水量48.5%,有机质含量5.24%～7.25%。三轴固结不排水抗剪强度指标:黏聚力CCU为16.1kPa,内摩擦角φCU为14.1°。灵敏度St为3.0。

②6粉砂:局部分布,统计层厚1.20～13.2m,平均6.30m。

②7砾砂:局部分布,统计层厚3.10～8.10m,平均5.30m。

②8圆砾:层厚1.60～11.70m,平均7.30m。下伏基岩为白垩系泥质粉砂岩。

淤泥及淤泥质土十字板剪切试验的抗剪强度峰值为6.5～50.0kPa,平均值22kPa;抗剪强度残余值为1.3～23.0kPa,平均值7kPa;可见离散性极大。

从各基坑中各选一典型钻孔,钻孔岩土层组成见表1。基坑支护设计采用的主要参数见表2。

表1 各基坑典型钻孔岩土层厚度/m

表2 岩土层主要设计参数取值

2.2 水文条件

配套北基坑的东北侧50m外为宽20m、深4m的河涌,约500m外为珠江沙湾水道。勘察期间场区稳定水位埋深0.4～1.2m,地下水主要赋存在冲积砂层、圆砾及基岩裂隙中。上部粉砂为弱承压水,压力水头1～2m。下部砾砂、圆砾层压力水头较大,地下水丰富。淤泥和淤泥质土为相对隔水层。地下水位年变化幅度1.0～1.5m。

3 工程难点

(1)地质条件极差,要求确保基坑安全。

(2)工程量大、工期紧,要求确保时间节点。基坑土方开挖量约80万m3,基坑支护及开挖施工总工期仅3个月。

(3)基坑平面复杂,要求确保工程桩安全。基坑内外有主体工程管桩1.5万余根。应避免因主体结构沉桩、基坑支护和土方开挖导致工程桩出现倾斜、偏移、断桩等质量事故。

(4)有严格的限价要求。要求造价可控,施工快捷。

4 支护方案选型

为保护基坑内外工程桩的安全,应按变形控制设计。经综合比选,格栅重力式搅拌桩、SMW工法桩、钢板桩或钻孔灌注桩均不适合。考虑到少用内支撑,若采用锚索则应只设置一道的要求,支护方案为:设置8m宽卸载平台,平台以上按1∶2放坡卸载3m;平台以下直立开挖支挡高度3.5m,采用PRCⅠ600(130) B/C型管桩(直径600mm、间距900mm)进行支护;在桩顶设置一道φ500预应力旋喷锚索,锚索倾角30°,自由段长10m,锚固段长25m;两桩一锚,锚索间水平间距1.8m,锚索全长主要位于淤泥层中。配套南基坑的南侧局部,受红线限制,少量采用了穿透软土入硬土锚固的锚索,此部分锚索非本工程重点。总体上支护桩长24m,按12m+12m两节配桩设计且桩底进入②7砾砂或②8圆砾等硬土层。设置一排φ850@600三轴搅拌桩进行止水止淤,总桩长8m,进入基坑底以下4.5m。基坑典型支护剖面见图2。配套南基坑的东侧及东北侧,即图1中的凸出窄条部位,采用φ1 000@1 200灌注桩和一道5m宽0.3m厚的坑外混凝土板撑进行支护,支护范围约占该基坑的1/3。

图2 基坑支护典型剖面图

5 关键技术措施

5.1 流变影响控制

5.1.1 流变影响因素及措施

淤泥具有显著的流变特性,其蠕变、流动、应力松弛和强度随受荷时间而改变。当淤泥剪应力低于其长期强度时,则其剪应变随时间衰减,反之则加速增大直至破坏。淤泥剪应力越大,其应变速率越大,则其蠕变越强。基坑开挖产生剪应力,随坑内外高差增大,剪应力增大,淤泥蠕变增强。淤泥抗剪强度极低,其应力状态易达到摩尔库伦强度准则产生破坏,且因淤泥呈流态,故极易导致大范围塑流贯通而产生大变形与深层滑动。

对深厚淤泥基坑,需结合流变影响及特点,采取针对性的控制措施。具体如下:因淤泥的含水量-密度-强度相关,有条件时可优先采取措施降低含水量;当基坑开挖需变形控制时,可设置强支挡,即采取承载力和刚度大的支护体系;竖向支护构件应穿透淤泥截断坑内外深层塑流通道;可通过控制支护体系的变形,以补偿并限制淤泥剪应力在衰减型流变范围内;对设置于淤泥中的支护构件,应充分考虑流变影响,确保具有稳定承载力。

本工程采用以下措施考虑淤泥流变的不利影响:设置卸载平台,采用密排高强PRC管桩支护,且管桩穿过淤泥进入下部硬土层。根据淤泥特点,采用大直径旋喷锚索支护。结合工程经验,合理取用旋喷锚索稳定承载力,并按平衡主动土压力的原则对其施加预应力进行主动控制。

5.1.2 流变简化处理

淤泥基坑支护设计时,对淤泥流变影响进行量化计算非常困难。当前仍需采用简化方法,如弹性支点法(m法)来近似模拟。此时淤泥流变影响主要体现在抗剪强度指标参数c、φ的选择及m取值上。对淤泥质黏土,上海地区曾采用固结快剪峰值强度指标,并对m值折减50%计算,以考虑其流变效应,实测结果较符合实际[8]。有研究认为对淤泥类软土,在高质量采样条件下,采用直剪快剪强度指标更合适[9]。在珠江三角洲地区,淤泥含水量常大于60%,常存在欠固结,与上海地区有明显不同。本工程先采取真空预压排水,后进行大规模的基坑内外沉桩及抽排降水,因此选用直剪快剪强度指标更符合实际。

针对本工程淤泥流变影响,基坑支护设计时采取如下简化处理:计算参数采用直剪快剪抗剪强度指标;m值采用行标《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)经验统计公式m=(0.2φ2-φ+c)/10计算,且不对m值进行修正。

5.2 真空预压作用

按甲方要求,本工程先进行真空预压软土地基处理,以消除场区深厚淤泥的主要固结沉降量。基坑支护设计时,适当考虑了真空预压作用:计算时,考虑基坑两次排水后岩土含水量的降低,对表2中的②1淤泥抗剪强度指标(黏聚力和内摩擦角)及m值调整为按②4淤泥质土取用。对真空预压区域,不再设置常规坑内被动区搅拌桩加固。除坑中坑外,不再对工程桩承台采取搅拌桩预加固等常规施工保护措施[1]。

5.3 施工应力控制

大规模管桩群在沉桩过程中产生挤压应力与超静孔压,对淤泥产生极强扰动,导致淤泥结构破坏,强度显著降低,并产生侧向位移和竖向隆起。直接量化计算施工应力非常困难。为减少施工应力的不利影响,本工程间接从两方面采取控制措施:一是设置密排支护管桩,形成基坑内外的减震隔离屏障,减少坑内外沉桩时的相互影响;二是利用软土地基处理后留在淤泥中的密集塑料排水板,形成排水泄压通道兼土体竖向加筋。因工期限制,本工程采用常规敞开式开挖,一次性直接开挖到底。基坑开挖后揭示,坑内外桩群基本无偏位、大变形和断桩现象发生。可见采取上述措施后可有效减少施工应力的不利影响。

5.4 深层淤泥滑动控制

本工程从三方面进行深层淤泥滑动控制:第一,支护桩穿透淤泥进入下部硬土层的最小深度,需满足整体稳定和抗倾覆要求。第二,适当加密支护桩距,确保桩间净距不大于0.3m,防止深层淤泥从桩间流动挤出。第三,设置三轴搅拌桩止水止淤帷幕,并按整体稳定确定其最小桩长。对应于图2,在无支护无超载情况下搜索整体稳定最小安全系数及对应滑弧,根据此滑弧确定帷幕的设计深度。

5.5 旋喷锚索设计

近年来,大直径旋喷锚索在非软土及淤泥质黏土基坑中得到应用[10-12],在淤泥基坑中,也有应用实例。对在软土中如何较为可靠地进行旋喷锚索设计,特别是在旋喷锚索无法有效锚固入深部硬土层的情况下,目前尚缺乏较完备可行的理论分析、方法介绍与实例验证。本工程设置于淤泥层的旋喷锚索,总数量近2 000根。旋喷锚索是本工程关键构件,其受力变形机理至关重要。本节笔者对此问题,在工程设计、实测、反演、类比基础上进行分析研究。

5.5.1 锚索稳定承载力

流变软土中,锚索应按土层能提供的稳定承载力进行设计。当锚索全长设置于软土层时,应注意软土流变影响,控制剪应力水平,确保软土产生衰减型流变以提供稳定承载力。本文将旋喷锚索视为斜向大直径锚拉长桩,按广东省标准《建筑地基基础设计规范》(DBJ 15-31—2016)中的桩摩阻力经验值进行计算。以本工程锚固段25m、φ500的旋喷锚索为例,其平均摩阻力取5～6kPa(淤泥中桩摩阻力特征值一般取4～8kPa),抗拔系数取0.8。经计算可得,旋喷锚索的稳定承载力为150～180kN,此时桩顶设置一道旋喷锚索已可满足图2所示总支挡6.5m时的变形控制需要。

5.5.2 锚索基本试验

选取连续3根锚索进行旋喷工艺成锚及拉拔试验。以多循环加卸载模拟施工扰动,以3根锚索同时受力模拟群锚效应。按经验预估的锚索短期承载力为300kN,故加载至最大拉力600kN,实测满足要求。旋喷锚索试验结果见表3。

表3 旋喷锚索基本试验结果

表4 弹性支点法(m法)计算结果

将基本试验循环加卸载所得轴力-变形外包曲线进行直线拟合,得到锚索总变形与轴力关系式为:

δ=0.148×(N-60)

(1)

式中:δ为锚索总变形,mm;N为轴力,kN。

根据式(1),可求得当锚索轴力在200～600kN时,轴向拉伸的平均刚度为8.6MN/m。按行标《预应力混凝土管桩技术标准》(JGJ/T 406—2017),支护桩需满足桩身最大变形值不超过30mm。取δ=30mm代入式(1)可得锚索轴力为260kN。故按照基本试验时锚索的工艺参数进行施工,锚索有足够安全储备。

在软土中,基本试验的锚索承载力为短期承载力,其值高,无法真实体现施工期间软土流变及群锚效应影响。如设计时锚索承载力取用不当则有极大风险。根据第三方监测数据,本工程锚索稳定承载力仅为预估值300kN的50%～60%。

5.5.3 锚索剪切位移法计算

采用剪切位移法计算深厚淤泥地层中旋喷锚索在稳定受力阶段的变形。使用该法进行软土基坑桩锚支护中旋喷锚索设计计算的有关假定、使用方法、计算过程及案例验证详见文献[13]。

按文献[13]以钻孔BK36为例,取旋喷锚索的稳定承载力为150～180kN,按剪切位移法,求得淤泥沿锚索的斜向剪切位移为20.6～24.8mm。按锚索倾角30°分解,则水平分量为17.8～21.5mm(即支护桩顶水平位移),竖向分量(上拔)为10.3～12.4mm。按剪切位移法求得因旋喷锚索竖向分力引起的沿支护桩侧的淤泥竖向剪切位移为35～42mm(下拉)。将淤泥沿锚索斜向与沿支护桩侧竖向两种剪切位移叠加,可得支护桩顶的竖向总沉降值为25～30mm。

5.6 支护管桩设计

行标《预应力混凝土管桩技术标准》(JGJ/T 406—2017)建议,采用延性好的混合配筋PRC管桩用于基坑工程;对有深厚淤泥等软土及支护结构挠曲变形计算值大于30mm的基坑工程,则不建议采用;接桩时要求接头处弯矩标准值≤管桩开裂弯矩值,非接头处弯矩设计值≤管桩抗弯承载力设计值。

为保护基坑内外工程桩,本工程执行该标准的变形控制要求。根据剪切位移法、弹性支点法(m法)和有限元法计算结果,综合判定本工程支护桩身变形值可控制在30mm内,可采用PRC管桩支护。

考虑深厚淤泥基坑特点,本工程按照桩身弯矩标准值≤管桩开裂弯矩值的原则[14]进行设计控制。采用此原则的原因,除考虑流变影响外,还考虑了工程中的其他实际情况,包括:岩土分布的离散性,特别是硬夹层的影响、基坑外周承台超挖的影响、实际施工荷载变动的影响。另外,支护管桩应尽可能采用分区定长设计,减少管桩截面类型,以便于采购、生产与施工。综合以上因素,本工程支护管桩以PRCⅠ600(130) B/C型为主,其混凝土强度等级为C80。

本工程支护管桩接桩均采用端板对端板焊接,不采用专用钢板套管接头以降低综合造价。沉桩后经低应变检测表明桩身完整性满足要求。

6 支护结构计算

以钻孔BK36为例进行计算。设计时,按基坑坡顶活荷载10kPa计算复核支护桩变形及锚索拉力;按20kPa计算复核支护桩接头部位开裂承载力及支护桩承载力设计值;按40kPa计算复核支护桩承载力极限值。高强混凝土C80的 PRCⅠ600(130)支护管桩抗弯刚度与混凝土C30等直径实心灌注桩接近,可近似等效。锚索有效预应力取150kN,按锚索基本试验轴拉刚度取8.6MN/m。

6.1 弹性支点法(m法)计算

采用理正基坑支护软件V7.0版本计算,对于淤泥的流变按5.1.2节进行简化处理考虑,淤泥层m取值为0.53MN/m4,计算结果表见4。坡顶活荷载为10kPa(即设计荷载)时的桩身位移、内力分布包络图见图3。

图3 桩身位移、内力分布包络图

6.2 有限元法计算

采用PLAXIS软件进行补充计算。以等效板单元模拟支护桩,以土工格栅单元模拟锚索。岩土采用HS硬化双曲线本构模型,该本构模型可考虑加卸载、刚度硬化、应力路径及小应变效应。因地勘仅给出淤泥和淤泥质土的三轴固结不排水剪切指标,故对淤泥类土按小应变HSS结合三轴剪切指标计算;对其他土按HS结合直剪快剪指标计算。模型按不排水考虑。本工程岩土硬化双曲线本构模型主要参数取值见表5,HS模型其他参数取默认值,即卸载-重加载泊松比μ=0.2,刚度参考基准应力pref=100kPa。

表5 HS硬化双曲线本构模型主要参数取值

HSS模型在HS基础上增加两个小应变参数γ0.7=0.0001及Gref=45MPa即可,其中γ0.7为割线剪切模量衰减为初始剪切模量70%时对应的剪应变;Gref为参考初始剪切模量。本工程考虑两次排水导致淤泥含水量降低的有利作用,淤泥按淤泥质土采用HSS本构模型模拟,即取三轴固结不排水抗剪强度指标黏聚力CCU=16.1kPa、内摩擦角φCU=14.1°计算。

坡顶活荷载为10kPa(即设计荷载)时的桩身位移、内力分布包络图见图4。不同坡顶活荷载下的计算结果见表6。

图4 有限元法计算的支护桩位移、内力分布包络图

6.3 不同方法计算结果比较

(1)对有限元法而言,在设计荷载下,所得锚索轴力、桩顶水平位移值与剪切位移法计算值均接近。但因模拟卸载回弹的局限,桩身出现沿竖向全长的刚体回弹变形,按叠加原理虽不影响支护桩水平弯矩剪力计算,但显然与剪切位移法和实际不符。另外,有限元法得到在桩顶处水平位移最大。

(2)对弹性支点法(m法)而言,在设计荷载下,则高估锚索约束作用,所得锚索轴力较有限元法和剪切位移法偏大,桩顶水平位移则偏小。其桩身位移则为典型的鼓肚形分布,临近坑底处最大。

(3)从内力包络图分布曲线看,弹性支点法(m法)与有限元法总体接近,在深部软硬土交界处则有不同。两种计算方法的桩身最大位移值接近,弹性支点法(m法)桩身内力大于有限元法。

显然弹性支点法(m法)偏于安全,故本工程设计计算时,以弹性支点法(m法)为主,以有限元法为辅,并结合剪切位移法共同使用。

7 基坑监测

7.1 总体监测数据

施工期间,基坑支护结构和坑内外主体工程桩均处于安全状态。主要监测指标的累积值[15]如下:

(1)核心建筑基坑

桩顶水平位移为10.3～22.3mm,平均值为15.3mm。桩顶竖向沉降为13.29～21.05mm,平均值为18.75mm。地表沉降为21.52～20.93mm,平均值为21.55mm。锚索轴力为163.6～179.3kN。基坑施工全过程监测到的32根锚索MS1～MS32轴力见图5,可见锚索轴力收敛较为明显,趋于稳定值。

图5 核心区锚索全过程监测图

(2)配套南基坑

桩顶水平位移为9.4～23.5mm,平均值为17.27mm。桩顶竖向沉降为4.62～16.84mm,平均值为12.31mm。地表沉降为9.46～25.78mm,平均值18.45mm。锚索轴力为138.4～160.6kN。

(3)配套北基坑

桩顶水平位移为12.9～23.2mm,平均值为19.7mm。桩顶竖向沉降为14.10～29.14mm,平均值为22.30mm。地表沉降为30.20～33.25mm,平均值为31.87mm。锚索轴力为127.3～140.5kN。

因条件限制,施工现场紧贴支护桩仅对桩后土体进行了10m深度范围测斜,未能真实反映桩身全长侧移情况。但各测斜曲线的总体趋势均为桩顶区域水平位移最大,而非典型的鼓肚形即在基坑底附近水平位移最大。配套南基坑1/3的支护范围为桩撑支护,无锚索作用,故导致该基坑的桩顶竖向沉降要小于其他两基坑。配套北基坑因淤泥最厚地质条件最差,监测极值出现在该基坑。

7.2 局部监测数据

将配套北基坑西北侧局部区段的监测数据[15]列于表7,测点间距约25m,其中2021-02-19为基坑开始开挖并进行监测的日期;2021-04-05为开挖至底板底的日期;2021-04-29为基坑内承台开挖完成,开始底板浇筑的日期;2021-07-06为地下室施工出地面,侧壁回填完成的日期。锚索初始张拉锁定值为200kN。

表7 配套北基坑局部区段监测数据

7.3 监测值与计算值比较

施工期间支护体系处于动态平衡中,总体上支护构件的位移与沉降随时间增加,锚索轴力则随时间减小。根据实测数据可知:支护桩顶水平位移最大值为23.5mm,平均值为17.5mm;桩顶竖向沉降最大值为29.1mm,平均值为17.8mm;锚索轴力为127～179kN,平均为155kN。采用剪切位移法计算得到的支护桩顶水平位移为17.8～21.5mm,桩顶竖向沉降为25.0～30.0mm,锚索轴力为150～180kN。可见,采用剪切位移法计算的桩顶水平位移、竖向沉降及锚索轴力,与监测值基本接近,总体吻合良好。

8 结语

本文对香港科技大学(广州)深厚淤泥基坑,采用PRC管桩加旋喷锚索进行支护设计的关键技术与计算方法进行了梳理总结。针对淤泥流变影响,建议可采用基于弹性支点法(m法)结合直剪快剪抗剪强度指标进行简化处理计算。对深厚软土中的旋喷锚索,建议应取用其稳定承载力,采用剪切位移法计算。本工程锚索轴力、支护桩桩顶水平位移及竖向沉降计算值与实测值总体吻合,表明采用剪切位移法的较好适用性。对类似工程,建议可采用弹性支点法(m法)与剪切位移法、有限元法相结合进行设计计算以策安全。