張逸帆，顧寬海

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032)

隨著水上工程以及水陸交界區(qū)域工程越來(lái)越多，尤其在海邊度假區(qū)的土建工程、船塢和船閘工程、取排水口工程等，涌現(xiàn)出越來(lái)越多的水上基坑建設(shè)項(xiàng)目。傳統(tǒng)水上施工一般采用大圍堰施工方案，但周邊場(chǎng)地受限或施工時(shí)間受限時(shí)，則可以考慮采用水上基坑施工方案，其具有影響范圍小、總工期短、造價(jià)相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)。

由于水上基坑處于水陸交界處或直接位于水域中，工程面臨波浪、潮流等荷載作用，其設(shè)計(jì)方法與陸上基坑有較大差異。一些學(xué)者[1-2]已經(jīng)對(duì)臨水基坑的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，但是臨水基坑的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)與水上基坑有所不同。為解決臨水深基坑所面臨的技術(shù)難題，近年來(lái)也有不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。李小軍等[3]針對(duì)船塢塢口所面臨的波浪、水流、環(huán)境等條件，提出塢口水上鋼板樁基坑圍護(hù)方案；丁勇春等[4]采用平面有限元模型計(jì)算了塢口水上基坑的力學(xué)性能；雷華陽(yáng)等[5]分析了水上基坑開(kāi)挖對(duì)自身圍護(hù)結(jié)構(gòu)及臨近橋樁的影響規(guī)律；李森平等[6]總結(jié)了水上基坑的施工關(guān)鍵技術(shù)。總體上，針對(duì)水上基坑的研究還較少。

本文總結(jié)現(xiàn)有成功的水上基坑案例，歸納出一套完整的基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案。結(jié)合澳門(mén)某工程水口基坑圍護(hù)工程，利用彈性地基梁計(jì)算方法和數(shù)值模擬計(jì)算方法，分別分析在無(wú)動(dòng)水條件下、水流波浪條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力特性。在此基礎(chǔ)上，分析了圍護(hù)樁剛度和坑底加固參數(shù)的敏感性。

1 水上基坑設(shè)計(jì)特點(diǎn)和總體方案

1.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

水上基坑與陸上基坑開(kāi)挖有著顯著的區(qū)別。陸上開(kāi)挖時(shí)，基坑外側(cè)是土體，地下水位基本保持穩(wěn)定；而水上基坑外側(cè)是水體，并且水體的水位是不斷變化的，同時(shí)水上基坑會(huì)受到風(fēng)浪和波浪等諸多因素的影響，導(dǎo)致水體周?chē)暮奢d是不均勻的。水上基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是保持水體周?chē)奢d的均衡，避免支撐體系失衡。

1.2 總體方案

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有成功的水上基坑案例的總結(jié)，水上基坑一般由4個(gè)體系組成，分別為：圍護(hù)樁體系、內(nèi)支撐體系、反壓體系和坑底加固體系。

1)圍護(hù)樁體系。圍護(hù)樁是基坑圍護(hù)中的擋土擋水結(jié)構(gòu)，在陸上基坑開(kāi)挖中，主要有板式支護(hù)體系圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)、水泥土重力式圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)、復(fù)合土釘圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)等。而在水上基坑中，水泥土重力式圍護(hù)樁、復(fù)合土釘圍護(hù)樁、水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁均以土為基礎(chǔ)；灌注樁成孔或地下連續(xù)墻成槽的穩(wěn)定性難以保證，一般不予以考慮。因此在水上基坑中，一般采用剛度較大的雙排鋼板樁、組合鋼板樁、鋼管樁等圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)，并在墻頂設(shè)置圈梁，構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的整體。

2)內(nèi)支撐體系。在內(nèi)支撐體系布置上，為抵抗整個(gè)圍護(hù)體系在波浪作用下可能形成的微小擺動(dòng)以及防止支撐桿件受拉造成的失穩(wěn)，第一道圈梁及支撐應(yīng)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以保證整個(gè)支撐體系的剛度；下部?jī)?nèi)支撐體系可采用鋼支撐體系，并應(yīng)盡可能加快支撐安裝的施工速度，同時(shí)須保證所有支撐及圍檁之間全部焊接。

3)反壓體系。水上基坑大多處于大堤附近，對(duì)基坑周邊負(fù)荷平衡有很高的要求，因此需要采取削坡卸載、拋填加壓或修筑人工島，最大限度保持泥面高程一致，保證基坑周邊荷載的平衡。為了保證反壓體系的穩(wěn)定和施工速度，在進(jìn)行拋填加壓時(shí)，常規(guī)選用袋裝砂、碎石或塊石。

4)加固體系。水上基坑通常位于軟土地區(qū)，坑底土體抗剪強(qiáng)度較低，開(kāi)挖時(shí)坑底處通常變形較大。單純通過(guò)增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、支撐剛度及插入深度等措施來(lái)控制變形的效果一般，加固坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)在一定程度上能控制基坑變形。根據(jù)地質(zhì)情況可以采用雙軸攪拌樁、三軸攪拌樁、高壓旋噴樁等加固方法。

2 工程案例

2.1 工程概況

澳門(mén)某工程因建造取水泵房須進(jìn)行水上基坑開(kāi)挖?；硬糠治挥诤Ｖ?，部分位于原大堤上。陸域高程約3.0 m，人工島圍堰頂高程約4.5 m，海域泥面高程約0.0 m?；悠矫娉示匦?，長(zhǎng)×寬為23 m×27.83 m，坑底高程-11.25 m，基坑開(kāi)挖深度14.25 m。

現(xiàn)行規(guī)范建議：受潮汐影響的基坑，其臨水側(cè)基坑外設(shè)計(jì)水位宜取25 a一遇高、低潮位。工程場(chǎng)地25 a一遇校核高水位4.54 m、設(shè)計(jì)高水位3.15 m、設(shè)計(jì)低水位0.85 m。校核高水位下設(shè)計(jì)波要素見(jiàn)表1。工程場(chǎng)地為填海形成陸地，整體地形較為平緩，屬于海岸平灘地貌，土體物理參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表1 波浪設(shè)計(jì)要素

表2 土體物理參數(shù)

2.2 設(shè)計(jì)方案

本工程部分位于原大堤、部分位于海中，基坑深度深，水壓力大、水源補(bǔ)給豐富，不易補(bǔ)救，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大；另外所處海域水深相對(duì)較淺，船舶類(lèi)施工設(shè)備較難停留長(zhǎng)時(shí)間施工，也需要部分的陸上施工場(chǎng)地。為此設(shè)計(jì)應(yīng)考慮采用人工島基礎(chǔ)上的鋼板樁+內(nèi)支撐體系基坑方案?；悠矫娌贾靡?jiàn)圖1。

圖1 基坑圍護(hù)平面(高程：m；尺寸：mm。下同)

鋼板樁圍護(hù)樁采用組合型鋼板樁，樁鎖扣內(nèi)涂刷防水材料，以滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度和止水需求；內(nèi)支撐體系由1道鋼筋混凝土+3道鋼支撐組成，采用對(duì)撐加角撐的方案布置；人工島圍堰采用沖填大砂袋做圍堰，待圍堰形成后再吹砂形成人工島；為提高坑底下土體的土抗力而減少鋼板樁圍護(hù)樁的變形，在坑內(nèi)采用格柵型旋噴樁進(jìn)行地基加固，加固體深度為5 m，置換率約50%，具體剖面見(jiàn)圖2。

圖2 基坑圍護(hù)斷面

3 計(jì)算驗(yàn)證與分析

3.1 計(jì)算原理

假定基坑外側(cè)的土體和和水文保持基本穩(wěn)定。按現(xiàn)行規(guī)范要求，對(duì)基坑斷面的計(jì)算主要采用豎向彈性地基梁法。彈性地基梁模型以圍護(hù)樁、支撐及被動(dòng)土彈簧組成受力體系，外側(cè)水土壓力作為荷載，通過(guò)建立梁曲線(xiàn)方程求解圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形內(nèi)力。

而水上基坑臨水側(cè)由于受到波浪作用，臨水側(cè)圍護(hù)樁分別受“靜水壓力+波峰壓力”和“靜水壓力+波谷拉力”兩種工況作用。由于工況不同，圍護(hù)樁的內(nèi)力和變形都會(huì)產(chǎn)生明顯的差異，這樣受到波浪的沖擊作用，會(huì)出現(xiàn)基坑兩側(cè)的壓力不同，導(dǎo)致整個(gè)圍護(hù)體系出現(xiàn)擺動(dòng)的趨勢(shì)。擺動(dòng)變形如果達(dá)到一定的量值，必然導(dǎo)致支撐體系的失穩(wěn)。

影響波浪荷載大小的因素很多，如波高、波浪周期、水深、結(jié)構(gòu)尺寸和形狀、群樁的相互干擾和遮蔽作用、海生物附著等。對(duì)于直接采用鋼板樁擋水擋浪的水上基坑，可以假定為直立式護(hù)面結(jié)構(gòu)計(jì)算波浪力；對(duì)于采用了人工島擋水擋浪的水上基坑，可以假定為斜坡式護(hù)面結(jié)構(gòu)計(jì)算波浪力。波浪力可按《海港水文規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)以上分析，常規(guī)的基坑設(shè)計(jì)方法(即先進(jìn)行斷面計(jì)算，得到開(kāi)挖斷面的圍壓后，將支撐體系按平面桁架進(jìn)行計(jì)算)，無(wú)法考慮波浪的作用，難以滿(mǎn)足水上基坑的設(shè)計(jì)需要。為了對(duì)圍護(hù)樁內(nèi)力和變形進(jìn)行精確的分析，需要對(duì)整個(gè)基坑進(jìn)行三維有限元模擬計(jì)算。

3.2 有限元建模

3.2.1模型邊界設(shè)置

基坑尺寸約為23.0 m×27.83 m。人工島陸域高程3.00 m，坑底高程11.25 m?；娱_(kāi)挖的影響寬度約為開(kāi)挖深度的3～4倍，影響深度約為挖深的2～3 倍。因此本模型取100.0 m×100.0 m，模型底高程取-30.0 m，以充分考慮位移邊界的影響。模型位移邊界條件如下：四周邊界水平向?yàn)槲灰葡拗七吔?，豎向?yàn)樽杂梢苿?dòng)邊界，底部采用全約束。

3.2.2結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

土體采用HS本構(gòu)模型，該模型可以考慮剪切硬化和壓縮硬化，并采用摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則。HS模型需要土體的模型參數(shù)包括切線(xiàn)模量E50、割線(xiàn)模量Eoed和卸載模量Eur以及土體的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。但在實(shí)際工程中，地質(zhì)勘察報(bào)告往往只提供壓縮模量Es、快剪指標(biāo)以及固結(jié)快剪指標(biāo)。本文根據(jù)文獻(xiàn)[7]提供的經(jīng)驗(yàn)方法，根據(jù)土體的種類(lèi)通過(guò)壓縮模量Es換算得到土體剛度參數(shù)。當(dāng)軟土和淤泥壓縮模量Es=2～4 MPa時(shí)，Es:Eoed:E50:Eur=1:1:1.5:8；當(dāng)黏土和粉質(zhì)黏土壓縮模量Es=4～8 MPa時(shí)，Es:Eoed:E50:Eur=1:1:1:5；當(dāng)砂土壓縮模量Es> 8 MPa時(shí)，Es:Eoed:E50:Eur=1:1:1:3。土體固結(jié)快剪指標(biāo)值通常小于土體的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)值，采用固結(jié)快剪指標(biāo)值代替有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)值計(jì)算結(jié)果偏于保守，認(rèn)為是合適的。

設(shè)計(jì)常規(guī)要求加固后土體28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于0.8 MPa，本文取不低于1.0 MPa。水泥土的抗剪強(qiáng)度一般是由內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力來(lái)反映，它的抗剪強(qiáng)度隨無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增加而提高?，F(xiàn)行規(guī)范推薦水泥土強(qiáng)度參數(shù)c=25～40 kPa(本文取25 kPa)，而φ=20°。水泥土的壓縮模量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系為Es=(100～120)qu。加固后的土體參數(shù)則根據(jù)面積置換率進(jìn)行加權(quán)平均得到。

采用板單元模擬鋼板樁圍護(hù)樁，基坑內(nèi)支撐和立柱采用梁?jiǎn)卧M，參數(shù)見(jiàn)表3。由于圍護(hù)樁主要受彎，其厚度通過(guò)鋼板樁抗彎截面模量等效換算得到。

(1)

式中：Wz為陸域側(cè)鋼板樁抗彎截面模量，其中AZ50型鋼板抗彎截面模量為6×5.0×10-3m3，CAZ50型鋼板樁抗彎截面模量為14.8×10-3m3；d為折算后圍護(hù)樁等效厚度。

表3 單元參數(shù)

3.2.3施工過(guò)程模擬

基坑施工工序較多，工藝復(fù)雜，施工時(shí)既需要理順基坑施工各工序間的順序，又需要確定基坑施工和主體結(jié)構(gòu)施工之間的順序。該模型考慮波浪力作用對(duì)圍護(hù)樁變形和彎矩的影響，計(jì)算工況為：先利用“K0過(guò)程”生成初始應(yīng)力→激活人工島土體單元→激活圍護(hù)樁和坑底加固→激活立柱樁→開(kāi)挖土體到2.05 m，激活第1道內(nèi)支撐體系→依次開(kāi)挖土體并激活內(nèi)支撐直至坑底。在高水位工況下，分別施加波吸力與波壓力。在基坑每層土開(kāi)挖前，需把坑內(nèi)地下水位降到開(kāi)挖面以下。基坑的三維模型見(jiàn)圖3。

圖3 水上基坑三維模型

3.3 結(jié)果分析

對(duì)無(wú)波浪條件下彈性地基梁計(jì)算模型(工況1)、無(wú)波浪條件下有限元計(jì)算模型(工況2)、波壓力作用下有限元計(jì)算模型(工況3)、波吸力作用下有限元計(jì)算模型(工況4)共4種工況進(jìn)行計(jì)算。圍護(hù)樁變形-樁長(zhǎng)曲線(xiàn)、圍護(hù)樁彎矩-樁長(zhǎng)曲線(xiàn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4、5。

圖4 圍護(hù)樁變形計(jì)算結(jié)果

圖5 圍護(hù)樁彎矩計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：波浪力對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形影響較大。在波壓力(工況3)和波吸力(工況4)的往復(fù)作用下，圍護(hù)樁坑底以上處變形有較大擺動(dòng)，圍護(hù)樁頂部會(huì)反復(fù)受拉壓作用。第1道圈梁(y坐標(biāo)為0處)位移變化幅度達(dá)6 mm左右，圍護(hù)樁彎矩變化幅度達(dá)200 kN·m左右。因此水上基坑圍護(hù)方案在海域側(cè)通常需要采用剛度較大的組合型鋼板樁或雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)，增加在波浪侵襲條件下外側(cè)圍護(hù)樁及支撐整體系穩(wěn)定性；第1道圈梁及支撐應(yīng)盡量采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以加強(qiáng)基坑頂部的剛度，適應(yīng)拉壓變化。

4 敏感性分析

4.1 圍護(hù)樁剛度敏感性分析

為驗(yàn)證臨水側(cè)鋼板樁剛度對(duì)圍護(hù)樁變形的影響，本案例分別取圍護(hù)樁截面模量為0.2Wz2、Wz2、5Wz2共3種情況進(jìn)行建模計(jì)算，圖6為圍護(hù)樁變形曲線(xiàn)計(jì)算結(jié)果。由圖6可見(jiàn)，隨著圍護(hù)樁截面模量的增加，可以顯著減小圍護(hù)樁的變形。另外，波吸力和波壓力對(duì)圍護(hù)樁的變形影響主要集中在坑底以上部位，造成基坑頂部受到往復(fù)擺動(dòng)的作用；在坑底以下，波浪荷載對(duì)圍護(hù)樁基本沒(méi)有影響。

圖6 圍護(hù)樁截面模量與圍護(hù)樁變形曲線(xiàn)

4.2 坑底加固土抗剪強(qiáng)度敏感性分析

為驗(yàn)證加固土抗剪強(qiáng)度對(duì)圍護(hù)樁變形的影響，本案例分別取3種情況進(jìn)行建模計(jì)算，加固體參數(shù)見(jiàn)表4。圖7為圍護(hù)樁變形曲線(xiàn)計(jì)算結(jié)果。由圖7可見(jiàn)，當(dāng)坑底處為軟土?xí)r，加固后的水泥土的壓縮模量遠(yuǎn)大于原狀土體，此時(shí)加固坑底對(duì)減少坑底處圍護(hù)樁的變形有很好的效果。

圖7 加固置換率與圍護(hù)樁變形曲線(xiàn)

表4 加固土體參數(shù)

5 結(jié)論

1)水上基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是保持水體周?chē)奢d的均衡。

2)水上基坑圍護(hù)方案在海域側(cè)通常需要采用剛度較大的組合型鋼板樁或雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)，第1道圈梁及支撐應(yīng)盡量采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并加固坑底，以增加在波浪侵襲條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3)波吸力和波壓力對(duì)圍護(hù)樁的變形影響主要集中在坑底以上部位，造成基坑頂部受到往復(fù)擺動(dòng)的作用；在坑底以下，波浪荷載對(duì)圍護(hù)樁基本沒(méi)有影響。