馮永乾，馬 馳，郭亞磊

(1.深圳市建筑工務(wù)署，廣東 深圳 518000；2.鐵科院(深圳)研究設(shè)計院有限公司，廣東 深圳 518034)

1 工程概況

深圳機(jī)場擴(kuò)建項目場地原來為海域，后改造成魚塘。場地海積淤泥層厚6.0～12.0 m，采用排水固結(jié)堆載預(yù)壓法處理。滿載60 d后進(jìn)行基坑支護(hù)，基坑深13～17 m，采用咬合樁+錨索支護(hù)。

自開始填海至基坑開挖，共進(jìn)行了4次勘察：①初步勘察，在填海工程開工前進(jìn)行。②基坑勘察，此時基坑場地剛滿載，固結(jié)度52.3%。③基坑開挖前勘察，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)完工基坑開挖之前進(jìn)行。此時場地滿載預(yù)壓約60 d，固結(jié)度82.5%。④軟基處理效果檢測。基坑開挖到底，周邊場地達(dá)到卸載標(biāo)準(zhǔn)，固結(jié)度98.2%。堆載預(yù)壓實測沉降時程曲線見圖1。

圖1 堆載預(yù)壓實測沉降時程曲線

2 室內(nèi)試驗存在的問題

2.1 不固結(jié)不排水強(qiáng)度

淤泥屬于高靈敏度黏土，在取樣和室內(nèi)試驗過程中受卸荷、機(jī)械擾動的影響導(dǎo)致其不固結(jié)不排水強(qiáng)度降低。文獻(xiàn)[1-2]研究了擾動對軟黏土不固結(jié)不排水強(qiáng)度的影響，卸荷引起的強(qiáng)度降低幅度一般在10%以內(nèi)，而機(jī)械擾動引起的強(qiáng)度降低幅度較大，幾乎達(dá)到90%以上。

深圳機(jī)場擴(kuò)建項目場地海積淤泥靈敏度大于3.5，平均深度8.0 m。以埋深4.0 m處的海積淤泥強(qiáng)度為例，比較各階段不固結(jié)不排水強(qiáng)度、十字板抗剪強(qiáng)度。場地插板排水堆載預(yù)壓，上部填土(砂)厚6.0 m，滿載后該處淤泥埋深10.0 m。

各階段淤泥不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度與十字板抗剪強(qiáng)度對比見表1?？梢钥闯觯孩贁_動越嚴(yán)重的土樣強(qiáng)度越低；②不固結(jié)不排水強(qiáng)度約為十字板抗剪強(qiáng)度的1/4，基本上等于重塑土的十字板抗剪強(qiáng)度，擾動使土體的強(qiáng)度降低了75%左右。

表1 各階段海積淤泥三軸不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度與十字板抗剪強(qiáng)度對比

不固結(jié)不排水試驗不能很好反映土的真實強(qiáng)度，而十字板剪切試驗不僅能夠減少擾動，同時能夠真實反映原位強(qiáng)度，是一種合理的試驗方法。

2.2 固結(jié)不排水強(qiáng)度

土樣擾動對軟黏土固結(jié)不排水強(qiáng)度的影響也不容忽視。擾動使得土樣在室內(nèi)測定的固結(jié)不排水強(qiáng)度高于原位強(qiáng)度[3]。土樣在固結(jié)不排水試驗過程中發(fā)生的體積壓縮，也往往會導(dǎo)致測定的強(qiáng)度高于原位強(qiáng)度。

3 采用十字板剪切試驗結(jié)果推算抗剪強(qiáng)度

對于軟黏土等靈敏度高的軟土，采用十字板剪切試驗等原位試驗方法可以確定基坑設(shè)計抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。采用TB 10018—2018《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》推薦的方法，根據(jù)十字板剪切試驗結(jié)果推算海積淤泥固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度。

為了避免不同鉆孔強(qiáng)度的誤差，選取各個階段鉆孔的十字板平均強(qiáng)度作為統(tǒng)計依據(jù)。各施工階段十字板抗剪強(qiáng)度與深度關(guān)系見圖2。

圖2 各施工階段海積淤泥的十字板抗剪強(qiáng)度與深度的關(guān)系曲線

深圳機(jī)場擴(kuò)建項目各施工階段十字板剪切試驗結(jié)果推算的海積淤泥抗剪強(qiáng)度和室內(nèi)試驗(三軸固結(jié)不排水試驗)抗剪強(qiáng)度對比見表2?？梢钥闯觯孩偃S固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度在4個施工階段基本沒有變化,與實際不符;采用十字板剪切試驗結(jié)果推算的抗剪強(qiáng)度能夠反映出實際強(qiáng)度。②隨著海積淤泥固結(jié)度的增加，內(nèi)摩擦角增加，黏聚力基本不變。

表2 采用各施工階段十字板剪切試驗結(jié)果推算的淤泥抗剪強(qiáng)度和三軸固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度對比

4 由軟基處理沉降曲線推算抗剪強(qiáng)度

1967年Terzaghi和Peck提出了不排水抗剪強(qiáng)度增長量公式，之后國內(nèi)外學(xué)者開展了飽和軟黏土固結(jié)強(qiáng)度增長規(guī)律的研究。國內(nèi)的研究以曾國熙等提出的有效應(yīng)力法[4]和沈珠江提出的有效固結(jié)應(yīng)力法[5]為代表，我國現(xiàn)行的規(guī)范基本上都是采用這2種方法計算土的抗剪強(qiáng)度增長量。

沈珠江認(rèn)為土體破壞過程歷時短暫,剪縮引起的孔隙水壓力來不及消散,因此土體破壞時強(qiáng)度接近于不排水強(qiáng)度，淤泥的抗剪強(qiáng)度增長量取決于破壞前潛在破壞面上有效應(yīng)力的增加量。文獻(xiàn)[6]在一個邊坡工程中應(yīng)用了有效固結(jié)應(yīng)力法，證明其計算結(jié)果符合實際。

4.1 采用改進(jìn)的有效固結(jié)應(yīng)力法推算抗剪強(qiáng)度

根據(jù)沈珠江提出的有效固結(jié)應(yīng)力法，十字板增長量強(qiáng)度的增長量和固結(jié)度的關(guān)系為

Δτf=ΔσzUttgφcu

(1)

式中：Δτf為t時刻十字板抗剪強(qiáng)度增長量；Δσz為t時刻土層豎向應(yīng)力的增長量；Ut為t時刻淤泥的固結(jié)度；φcu為三軸固結(jié)不排水試驗求得的淤泥內(nèi)摩擦角。

軟基排水固結(jié)過程中，土的平均固結(jié)度可用應(yīng)變來表征，t時刻淤泥的固結(jié)度為

Ut=St/Sc

(2)

式中：St為t時刻淤泥層固結(jié)沉降量;Sc為淤泥層最終固結(jié)沉降量。

固結(jié)度亦可以表達(dá)為含水率的關(guān)系，即

Ut=(w0-wt)/(w0-wc)

(3)

式中：w0為初始狀態(tài)淤泥的含水率；wt為t時刻淤泥的含水率；wc為固結(jié)度100%時淤泥的含水率。

t時刻淤泥的強(qiáng)度計算公式為

τf=σztgφt+c

(4)

τf=τf0+Δτf

(5)

式中：τf為t時刻淤泥十字板抗剪強(qiáng)度；τf0為淤泥十字板初始抗剪強(qiáng)度，τf0=σz0tgφ0+c,σz0為土層的初始豎向應(yīng)力，φ0為淤泥初始內(nèi)摩擦角，可由十字板剪切試驗結(jié)果推算,c為淤泥黏聚力;σz為t時刻土層的豎向壓力，σz=σz0+Δσ,Δσ為土層豎向應(yīng)力的增長量；φt為t時刻淤泥內(nèi)摩擦角。

由式(1)、式(4)、式(5)可得

深圳機(jī)場擴(kuò)建項目淤泥平均深度取8.0 m，計算可得

由式(7)可知，在附加荷載一定的條件下排水固結(jié)處理的軟基強(qiáng)度增長量和孔隙比、含水率成正比。

將基坑各施工階段勘察結(jié)果的平均值與推算值進(jìn)行對比，見表3。可以看出:勘察值與推算值較接近，本文改進(jìn)的有效固結(jié)應(yīng)力法能較好反映淤泥強(qiáng)度增長規(guī)律。

表3 基坑各階段勘察結(jié)果的平均值與推算值對比

4.2 采用實測沉降曲線推算抗剪強(qiáng)度

基坑范圍內(nèi)排水固結(jié)軟基處理沉降時程曲線見圖3。排水固結(jié)處理過程中隨著超靜孔壓的消散，場地強(qiáng)度提高，發(fā)生沉降。

圖3 基坑范圍內(nèi)排水固結(jié)軟基處理沉降時程曲線

排水固結(jié)處理過程中單向壓縮時沉降量St與孔隙比的關(guān)系式為

(9)

式中：H為淤泥厚度；e0為淤泥初始孔隙比；Δe為孔隙比的變化量；et為t時刻淤泥孔隙比。

由式(9)可得

(10)

wt的計算公式為

(11)

式中：Sr為飽和度；Gs為土粒相對密度。

由式(2)、式(7)、式(8)、式(11)可得

采用實測沉降曲線推算的孔隙比、含水率、抗剪強(qiáng)度與勘察值對比見表4?？芍?推算值與勘察值基本一致。這說明排水固結(jié)軟基處理時采用實測沉降曲線推算淤泥強(qiáng)度可行。

表4 各階段推算值和勘察值對比

5 基坑設(shè)計淤泥強(qiáng)度取值方法

進(jìn)場施工時剛剛完成堆載，預(yù)計咬合樁施工時間為60 d。開挖基坑時淤泥固結(jié)度為80%。利用軟基處理沉降曲線推算的淤泥層含水率為63.5%，不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：c=6.0 kPa,φt=10.7°。設(shè)計取值：c=6.0 kPa,φt=10.0°。

開挖基坑前，沿基坑外側(cè)每60 m 布置1個鉆孔，共布置36 個鉆孔，其中原位測試孔和室內(nèi)試驗孔各占1/2。室內(nèi)試驗淤泥處理后含水率為62%；十字板剪切試驗所得的淤泥層平均強(qiáng)度為22.8 kPa，由十字板剪切試驗結(jié)果推算的不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：c=6.0 kPa,φt=10.5°?？梢娨罁?jù)軟基處理沉降曲線推算的抗剪強(qiáng)度的設(shè)計取值與十字板剪切試驗所得的抗剪強(qiáng)度基本一致。

基坑開挖到底時采用設(shè)計取值計算的位移與實測位移對比見圖4?？梢?計算位移與實測位移基本一致，表明利用軟基處理沉降曲線推算淤泥強(qiáng)度是合理的。

圖4 基坑開挖到底時采用設(shè)計取值計算的位移與實測位移對比

6 結(jié)論

1)由于取樣和試驗過程中對淤泥有擾動，室內(nèi)試驗得出的淤泥不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度與十字板剪切試驗所得的不排水抗剪強(qiáng)度相差較大。深圳機(jī)場擴(kuò)建項目4次勘察結(jié)果顯示，淤泥不固結(jié)不排水強(qiáng)度僅有十字板抗剪強(qiáng)度的1/4，接近重塑土的十字板抗剪強(qiáng)度。

2)十字板剪切試驗不僅能夠減少擾動的影響，而且能夠真實反映實際強(qiáng)度，是一種合理的試驗方法。在進(jìn)行基坑設(shè)計計算時，采用十字板抗剪強(qiáng)度推算實際強(qiáng)度比較合理。

3)排水固結(jié)處理的淤泥處于欠固結(jié)狀態(tài)，附加荷載一定時其強(qiáng)度增長量和孔隙比、含水率成正比。

4)利用場地排水固結(jié)軟基處理實測沉降曲線推算的孔隙比、含水率、抗剪強(qiáng)度與勘察值相符。采用設(shè)計取值計算的位移與實測位移基本一致，說明利用實測沉降曲線推算淤泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)可行。