SMP準則修正的土壓力在上海中心大廈 基坑的應用研究

姚正源

(上海勘察設計研究院〈集團〉有限公司，上海 200093)

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

上海中心大廈工程位于上海浦東新區陸家嘴中心區Z3-1、Z3-2地塊(銀城中路501號)，即原陸家嘴高爾夫球場。場地東臨東泰路，西靠銀城中路，南接陸家嘴環路，北望花園石橋路。

上海中心大廈由1幢121層主樓(結構高度580 m、建筑頂高度632 m)和1幢5層商業裙房(高度38 m)組成，整個場地下設5層地下室，基礎形式均采用樁筏基礎，主樓基礎埋深為31.1 m，裙房基礎埋深約為26.3 m[1]。主樓樁基采用后注漿鉆孔灌注樁，樁徑1000 mm,核心筒區有效樁長56.0 m，擴展區有效樁長52.0 m。裙房樁基采用鉆孔灌注樁，立柱樁使用樁端后注漿工藝，樁徑1000 mm,有效樁長為35.7 m，抗拔樁樁徑700 mm,有效樁長35.7 m。主樓基坑先施工，待主樓地下室施工出±0后再施工裙房基坑。主樓區域地下結構采用明挖順作法施工，裙房區域地下結構采用逆作法施工。

1.2 工程地質條件

根據上海巖土工程勘察設計研究院有限公司提供的勘察報告(編號2008-A-002)，擬建場地屬正常地層分布區，淺部土層分布較穩定，中下部土層除局部區域有夾層或透鏡體分布外，一般分布較穩定。塔樓中心實施的17號勘探孔在289.57 m深度范圍內揭示，本場地第四系覆蓋層厚度為274.80 m，屬第四系下更新統Q1至全新統Q4沉積物，主要由粘性土、粉土、砂土組成，一般具有成層分布特點；深度274.80 m以深為花崗巖層(燕山期侵入巖)。根據土的成因、結構及物理力學性質差異，第四系土層可劃分為14個主要層次(上海市統編地層第⑧層粘性土層缺失)。其中第⑤、⑦、⑨層根據土的成因、土性特征分為若干亞層和次亞層及透鏡體(第⑤1a、⑤1b層；第⑦1、⑦2、⑦3層；第⑨1、⑨2-1、⑨2t、⑨2-2、⑨3、⑨3t層)。地層剖面示意圖見圖1。基坑設計參數見表1。

圖1上海中心大廈地層剖面示意
Fig.1Stratigraphic profile at Shanghai Center Tower

表1 上海中心大廈基坑設計參數Tbale 1 Foundation pit containment parameters of Shanghai Center Tower

第①層雜填土，松散，表層0.5～1.5 m深度范圍內夾大量碎磚、碎石等雜物，局部區域為混凝土地坪，下部多以粘性土為主，夾植物根莖、石子等。

第②層褐黃-灰黃色粉質粘土，可塑-軟塑，層面埋深約2.3 m，含氧化鐵斑點和鐵錳質結核，局部以粘土為主。雜填土較厚區域該層缺失。

第③層灰色淤泥質粉質粘土夾砂質粉土，流塑，層面埋深約3.5 m，在 5.0～7.0 m深度范圍夾層狀粉性土較多，土質不均勻。

第④層灰色淤泥質粘土，流塑，層面埋深8.0～10.0 m，分布較為穩定，土質較均勻，屬軟弱粘性土。

第⑤層根據土性不同可分為2個亞層：第⑤1a層灰色粘土，軟塑，層面埋深16.0～18.0 m，在擬建場地內分布穩定，土質較均勻；第⑤1b層灰色粉質粘土，軟塑-可塑，層面埋深19.5～21.5 m，該層底部夾多量粉性土。

第⑥層暗綠色粉質粘土，硬塑，含氧化鐵斑點和鐵錳質結核，該層在擬建場地大部分區域分布穩定，層面起伏平緩，層面埋深一般在24.0 m左右，僅在場地東北側層面埋深略偏深(層面埋深27.2～28.5 m)，厚度較薄。

第⑦層據土性不同可分為3個亞層：第⑦1層草黃色砂質粉土夾粉砂，中密-密實，在擬建場地分布穩定；第⑦2層草黃-灰黃色粉砂，密實，土質均勻，在擬建場地內分布穩定；第⑦3層灰色粉砂，密實，夾砂質粉土及薄層粘性土，土質不均勻。

第⑨層根據土性不同可分為⑨1、⑨2、⑨3層3個亞層，其中第⑨2、⑨3層中局部分布有透鏡體：第⑨1層灰色砂質粉土，密實；第⑨2-1層灰色粉砂，密實；第⑨2t層灰色粉質粘土夾粘質粉土，可塑-硬塑，夾層狀粉砂，土質不均；第⑨2-2層灰色粉砂，密實；第⑨3層灰色細砂，密實，土質均勻；第⑨3t層灰色粉質粘土，可塑-硬塑。

1.3 水文地質條件

根據上海巖土工程勘察設計研究院有限公司提供的勘察報告(編號2008-A-002)，場區地下水根據埋藏條件可劃分為淺層潛水及承壓水。

1.3.1 潛水

本場地淺部地下水屬潛水類型，主要補給來源為大氣降水、地表逕流。勘探期間由鉆孔中測得的地下水埋深一般為0.75～3.90 m，相應絕對標高為3.36～0.40 m。上海地區地下水年平均水位埋深為0.5～0.7 m，低水位埋深為1.5 m。

1.3.2 承壓水

擬建場地深部第⑦層屬上海地區第一承壓含水層，其層頂埋深為28～30 m,其承壓水位埋深一般在3～11 m，承壓水位一般呈周期性變化，隨季節、氣候、潮汐等因素變化。正常情況下承壓水水位埋深為8.50～10.20 m。本場區由于缺失第⑧層粘性土，第Ⅰ、第Ⅱ承壓含水層(即第⑦層、第⑨層)相互連通,總厚達97 m，含水量極其豐富。開挖過程中持續穩定按需降低承壓水，是本區基坑安全及施工順利實施的關鍵之一。

1.4 基坑圍護形式

采用地下連續墻(墻厚1.2 m、墻深50 m)作為圍護結構[2]。主樓區基坑內設置6道環形支撐，頂面設置4個挖土平臺。各道環撐及棧橋范圍內支撐實景圖見圖2，支撐情況見表2。

2 SMP土壓力計算原理

就材料的破壞準則而言,以金屬材料為對象,有著名的二維應力狀態下的特萊斯卡(Tesca)準則和三維應力狀態下的米澤斯(Mises)準則。而對于土這樣的粒狀材料,有著名的二維應力狀態下的莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)準則,和由莫爾-庫侖準則推廣而得到的SMP(松崗-中井)準則[3-5]。基于SMP理論，結合土的抗剪強度與內摩擦角[6]，將三維情況下的土體破壞情況進行分析，SMP土壓力計算原理分述如下[7-8]。

圖2 上海中心大廈支撐實景Fig.2 Support system of Shanghai Center Tower

支撐層數截面尺寸/mm支撐中心相對標高/m第一道3700×1500-1.75第二道2800×1500-9.30第三道2800×1600-15.30第四道3000×1600-20.30第五道3000×1800-24.90第六道3000×1800-28.90

2.1 地下水位以上或水土合算的土層[9-10]

pak=(1/RPS)〔σak+(1-RPS)ccotφ〕

(1)

ppk=RPSσpk+(RPS-1)ccotφ

(2)

2.2 水土分算的土層

pak=(1/RPS)〔σak-ua+(1-RPS)ccotφ〕+ua

(3)

ppk=RPS(σpk-up)+(RPS-1)ccotφ+up

(4)

2.3 作用在擋土構件上的分布土反力[11]：

ps=ksv+ps0

(5)

ks=ηm(z-H)

(6)

2.3.1 被動區初始土壓力-主動

合算：

ps0=(1/RPS)σpk

(7)

分算：

ps0=(1/RPS)(σpk-up)+up

(8)

2.3.2 被動區初始土壓力-被動

合算：

ps0=RPSσpk

(9)

分算：

ps0=RPS(σpk-up)+up

(10)

3 算例與分析

3.1 主動土壓力算例

圖3給出了上海中心大廈基坑主動土壓力隨開挖深度的曲線。

圖3 SMP修正土壓力與朗肯土壓力在主動土壓力情況下的對比Fig.3 Comparison of SMP failure criteria and Rankine’s earth pressure in the active zone

兩種理論方式的計算與實測曲線的對比表明：

(1)基于SMP修正的土壓力在坑底以上小于朗肯土壓力，約為朗肯土壓力的85%；

(2)基于SMP修正的土壓力在坑底以下略小于朗肯土壓力，約為朗肯土壓力的95%；

(3)基于SMP修正的土壓力在按照土性分合算的情況下與坑底以上監測值更為吻合。

這說明基于SMP修正的土壓力相對于朗肯土壓力而言，更接近實測值。采用基于SMP修正的土壓力計算，能夠解決朗肯土壓力計算值過大的問題，并且對于支護結構仍留有一定的安全儲備，在實際工程設計中有廣泛的應用前景。

3.2 被動土壓力算例

圖4給出了上海中心大廈基坑被動土壓力隨開挖深度的曲線。

兩種理論方式的計算與實測曲線的對比表明：

(1)基于SMP修正的土壓力與朗肯土壓力計算值在被動區趨勢相反；

(2)基于SMP修正的土壓力更符合實測數據的趨勢；

圖4 SMP修正土壓力與朗肯土壓力在被動土壓力情況下的對比Fig.4 Comparison of SMP failure criteria and Rankine’s earth pressure in the passive zone

(3)朗肯土壓力在被動區出現了小于實測值的情況，偏不安全。

這說明基于SMP修正的土壓力相對于朗肯土壓力而言，SMP修正的土壓力與實測值最為接近，且仍留有一定的安全儲備。

4 結論

(1)本文給出了SMP土壓力計算原理在水土分算、水土合算以及被動區土壓力的計算公式，有利于工程師今后在實際工程中對SMP修正土壓力的運用。

(2)對比監測數據，由朗肯土壓力公式所得主動土壓力值通常都較實測值偏大，過于保守。SMP修正土壓力比傳統的朗肯土壓力理論更接近實測值，能夠更好地發揮支護結構的強度潛力，采用SMP修正土壓力進行圍護設計可產生良好的經濟效益。

(3)在被動區，基于SMP修正的土壓力相對于朗肯土壓力而言，更接近實測值，且更符合實測值的趨勢，并有一定的安全儲備，故基于SMP修正的土壓力更接近被動土壓力。