新填海場地深基坑設計淤泥強度的取值

馮永乾，馬 馳，郭亞磊

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

1 工程概況

深圳機場擴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，采用排水固結堆載預壓法處理。滿載60 d后進行基坑支護，基坑深13～17 m，采用咬合樁+錨索支護。

自開始填海至基坑開挖，共進行了4次勘察：①初步勘察，在填海工程開工前進行。②基坑勘察，此時基坑場地剛滿載，固結度52.3%。③基坑開挖前勘察，在圍護結構完工基坑開挖之前進行。此時場地滿載預壓約60 d，固結度82.5%。④軟基處理效果檢測。基坑開挖到底，周邊場地達到卸載標準，固結度98.2%。堆載預壓實測沉降時程曲線見圖1。

圖1 堆載預壓實測沉降時程曲線

2 室內試驗存在的問題

2.1 不固結不排水強度

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

深圳機場擴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處的海積淤泥強度為例，比較各階段不固結不排水強度、十字板抗剪強度。場地插板排水堆載預壓，上部填土(砂)厚6.0 m，滿載后該處淤泥埋深10.0 m。

各階段淤泥不固結不排水抗剪強度與十字板抗剪強度對比見表1。可以看出：①擾動越嚴重的土樣強度越低；②不固結不排水強度約為十字板抗剪強度的1/4，基本上等于重塑土的十字板抗剪強度，擾動使土體的強度降低了75%左右。

表1 各階段海積淤泥三軸不固結不排水抗剪強度與十字板抗剪強度對比

不固結不排水試驗不能很好反映土的真實強度，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度，是一種合理的試驗方法。

2.2 固結不排水強度

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

3 采用十字板剪切試驗結果推算抗剪強度

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計抗剪強度指標。采用TB 10018—2018《鐵路工程地質原位測試規程》推薦的方法，根據十字板剪切試驗結果推算海積淤泥固結不排水抗剪強度。

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

圖2 各施工階段海積淤泥的十字板抗剪強度與深度的關系曲線

深圳機場擴建項目各施工階段十字板剪切試驗結果推算的海積淤泥抗剪強度和室內試驗(三軸固結不排水試驗)抗剪強度對比見表2。可以看出：①三軸固結不排水抗剪強度在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果推算的抗剪強度能夠反映出實際強度。②隨著海積淤泥固結度的增加，內摩擦角增加，黏聚力基本不變。

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

4 由軟基處理沉降曲線推算抗剪強度

1967年Terzaghi和Peck提出了不排水抗剪強度增長量公式，之后國內外學者開展了飽和軟黏土固結強度增長規律的研究。國內的研究以曾國熙等提出的有效應力法[4]和沈珠江提出的有效固結應力法[5]為代表，我國現行的規范基本上都是采用這2種方法計算土的抗剪強度增長量。

沈珠江認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,因此土體破壞時強度接近于不排水強度，淤泥的抗剪強度增長量取決于破壞前潛在破壞面上有效應力的增加量。文獻[6]在一個邊坡工程中應用了有效固結應力法，證明其計算結果符合實際。

4.1 采用改進的有效固結應力法推算抗剪強度

根據沈珠江提出的有效固結應力法，十字板增長量強度的增長量和固結度的關系為

Δτf=ΔσzUttgφcu

(1)

式中：Δτf為t時刻十字板抗剪強度增長量；Δσz為t時刻土層豎向應力的增長量；Ut為t時刻淤泥的固結度；φcu為三軸固結不排水試驗求得的淤泥內摩擦角。

軟基排水固結過程中，土的平均固結度可用應變來表征，t時刻淤泥的固結度為

Ut=St/Sc

(2)

式中：St為t時刻淤泥層固結沉降量;Sc為淤泥層最終固結沉降量。

固結度亦可以表達為含水率的關系，即

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

(3)

式中：w0為初始狀態淤泥的含水率；wt為t時刻淤泥的含水率；wc為固結度100%時淤泥的含水率。

t時刻淤泥的強度計算公式為

τf=σztgφt+c

(4)

τf=τf0+Δτf

(5)

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

由式(1)、式(4)、式(5)可得

深圳機場擴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處理的軟基強度增長量和孔隙比、含水率成正比。

將基坑各施工階段勘察結果的平均值與推算值進行對比，見表3。可以看出:勘察值與推算值較接近，本文改進的有效固結應力法能較好反映淤泥強度增長規律。

表3 基坑各階段勘察結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度

基坑范圍內排水固結軟基處理沉降時程曲線見圖3。排水固結處理過程中隨著超靜孔壓的消散，場地強度提高，發生沉降。

圖3 基坑范圍內排水固結軟基處理沉降時程曲線

排水固結處理過程中單向壓縮時沉降量St與孔隙比的關系式為

(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、抗剪強度與勘察值對比見表4。可知,推算值與勘察值基本一致。這說明排水固結軟基處理時采用實測沉降曲線推算淤泥強度可行。

表4 各階段推算值和勘察值對比

5 基坑設計淤泥強度取值方法

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

開挖基坑前，沿基坑外側每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試驗孔各占1/2。室內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度為22.8 kPa，由十字板剪切試驗結果推算的不排水抗剪強度指標：c=6.0 kPa,φt=10.5°。可見依據軟基處理沉降曲線推算的抗剪強度的設計取值與十字板剪切試驗所得的抗剪強度基本一致。

基坑開挖到底時采用設計取值計算的位移與實測位移對比見圖4。可見: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度是合理的。

圖4 基坑開挖到底時采用設計取值計算的位移與實測位移對比

6 結論

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

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度，是一種合理的試驗方法。在進行基坑設計計算時，采用十字板抗剪強度推算實際強度比較合理。

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

4)利用場地排水固結軟基處理實測沉降曲線推算的孔隙比、含水率、抗剪強度與勘察值相符。采用設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性能指標可行。