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道和地下空间技术
上海软粘土“绿地”地块多支撑开挖的三维变形行为
Y. Hong a，C.W.W. Ng b,1，G.B. Liu c,2，T. Liu d,*
a浙江大学土木工程与建筑学院，中国杭州
b香港九龙清水湾香港科技大学土木与环境工程系
c中国同济大学岩土工程系
d中国海洋大学环境科学与工程学院
* 通讯作者
电子邮件：chrishy85@gmail.com（Y. Hong），cecwwng@ust.hk（C.W.W.Ng），gobinlik@online.sh.cn（G.B. Liu），ltmilan@ouc.edu.cn（T. Liu）。
1电话： 852 2358 8760; 传真： 852 2358 1534。
2电话/传真： 86 21 65985013
文章历史：
收到日期：2013年10月10日
收到修订表格2014年9月8日
接受2014年9月20日
在线可用2014年11月8日
摘要：尽管文献中有大量由挖掘引起的地面变形报道，仍然不容易区分由于在“绿地”场地中的开挖中导致的地面变形和拥挤地点（其中地下被地下结构加强）中的开挖导致的地面变形。为了研究和比较“绿地”场地和拥挤场地中的开挖引起的地面变形，本研究在上海软粘土的“绿地”场地进行多支撑开挖，并对测量的地面变形与在上海拥挤地区六处类似条件的挖掘报告进行比较。“绿地”现场测量显示，在开挖中心附近，最大地面沉降（）范围为最终开挖深度（）的0.22％至0.27％，主影响区延伸到墙后3。六个在上海拥挤地段的挖掘场地（在主站附近）的值范围为0.01％至0.1％（平均约为0.05％）因此约为在“绿地”场地的20％。此外，“绿地”地面沉降的主要影响区现场比在拥堵地点增加33％。另一方面，在“绿地”场地测得的侧壁位移最大值（0.24-0.37％）与那些拥堵地点相当（0.13-0.43％）。在“绿地”场地由于角落效应（围绕角落的土拱），场地角落附近的平均和分别为中心附近的45％和36％。垂直开挖的地面最大倾斜度为1/1064，这与平行开挖（1/1050）相似。
关键词：案例历史、软粘土、绿地、三维、地面沉降、侧壁位移
1.介绍
对于在城市密集地区的软粘土开挖，引起的变形（包括地表沉降和侧壁位移）可能对周围结构产生严重后果。在过去几十年中已经报道了许多案例，这有助于了解软土中的深挖掘相关的变形特性。基于现场数据报告，提出了经验和半经验方程和设计图来预测挖掘引起的地面变形（Peck，1969;Clough和O#39;Rourke，1990; Hsieh和Ou，1998; Long，2001;Moormann，2004; Liu et al。，2005，2011; Wang等人，2010;谭和Wei，2012）。尽管文献中有大量由挖掘引起的地面变形报道，仍然不容易区分由于在“绿地”地点开挖引起的地面变形和拥挤地点（地下被地下结构加强）开挖引起的地面变形。此外，由于不同的地面条件，施工顺序和工艺，现有的依赖各种案例的经验研究可能导致矛盾的结果（Moormann，2004）。
为了解决所述的两个限制，在本研究中，在上海软粘土“绿地”场地的深挖掘被严格检测和密切监测。然后将观测到的变形特征与那些在仔细选择的非常类似的条件下（Wang等人，2005）但在上海拥挤地点进行的六次挖掘的挖掘报告进行比较，并且与在全世界软粘土挖掘数据库中记录。此外，还调查了“绿地”附近的三维变形特征。
本文报道的案例提供了一个不寻常的机会，研究在“绿地”场地的地面变形的特性，并为数值模型提供可靠和全面的数据，以验证其本构模型和模型参数。
2.场地
图1示出了场地的平面图。在新虹桥中央公园的东南角（576 mtimes;466 m）挖掘了一块150 m长，18 m米宽的区域。在20世纪90年代初公园开发之前，该地区是农田。因此这个场地可以被认为是“绿地”场所。
该区域被挖掘以容纳两个正交交叉地铁线路的两层交换站（顾北站）。地下结构包括在大部分长度在超过14.5 m深的主站和在另一端的16.4 m深的发射轴。
为了获得土壤剖面并且表征该地点的岩土参数，在挖掘区域周围形成七个钻孔（每个约50 m深）（见图 1 BH1到BH7）。从七个钻孔获得的数据在下面的部分中描述。
图1 平面图
2.1地面条件
上海位于长江南岸沿东海沿岸。由于气候和海平面的变化，冲积沉积物在第四纪时期沉积在上海。这些地层基本上是均匀的并存在于400 m的深度（Lee等人，1999）。这个14.5 m深的挖掘工程重要深度在地表以下约50 m。图2显示了土壤剖面（BH1至BH7，见图1）。图 3示出了从典型钻孔（BH3）获得的土壤的垂直剖面和性质。
在地表以下50 m内存在六个地层。 最上层的粘土层（坚硬的粘土）由于干燥而稍微过度固结（Liu et al.,2005），而下层的粘土层通常是固结的（Lee et al.,1999）。水位位于地面下方约0.6 m处。
在开挖区周围，每个土层的厚度相对均匀。这使得可以比较在不同位置的挖掘引起的变形。
进行原位和实验室测试以获得土壤的岩土参数。不排水剪切强度通过使用叶片剪切试验的原位测量获得。如如图所示，比约为0.38，这是类似于在上海的另一个挖掘点通过现场叶片测试测量的（）（Liu et al。，2005）。众所周知，正常固结粘土的比值为约0.22（Mesri，1989）。天然上海粘土的比值相对较高可能与真实内聚或边界的存在有关。如表1所示，在这个“绿地”场地中的真实内聚力（）的值高达11 kPa，这是通过在相对未受干扰的样品上的综合排水三轴试验测量的。如Li报道（2013）除了三轴试验，天然上海粘土真实内聚的存在也是明显的。在消化试验中（见图 4），将两块30立方毫米的天然上海粘土块样品在蒸馏水中浸泡80天。将试样A放置成垂直轴与位点的垂直轴平行，而试样B放置其垂直轴垂直于位点的垂直轴。两个标本保持完整，没有在80天浸泡期间的任何一天崩解。它表示天然上海软粘土具有真正的内聚力或粘合力。
在实验室中，使用来自钻孔（BH1至BH7）的薄壁管取样器获得的相对未受干扰的样品进行测试。有效剪切阻力角（）和每层有效的内聚力（）由综合排水三轴试验测定。在剪切之前，每个土壤样品被各向同性地加固到相应的原位有效平均正应力。约束模量M（一维体积可压缩性的倒数）由垂直应力为100-200kPa的压力计试验测定。饱和垂直和水平渗透率（和）由常规头部测试确定。表1总结了每层的测量的平均岩土参数。对于表1中列出的值，不考虑任何速率效应（Wang et al。，2012）和由于特殊变异性和测量误差引起的不确定性（Li等人，2011； Cao和Wang，2014）。
图2 土壤剖面
图3 BH3的土壤性质
表1 “绿地”场地的岩土参数
|
地层 |
|||||||||
|
硬粘土 |
36 |
18.8 |
8 |
9 |
6 |
4.0 |
48 |
||
|
软质粘土 |
40 |
17.2 |
4 |
7 |
3 |
3.2 |
24 |
||
|
软粘土 |
49 |
17.6 |
1 |
6 |
6 |
2.3 |
28 |
||
|
硬粘土 |
34 |
182 |
5 |
1 |
7 |
3.1 |
50 |
||
|
硬质粉土 |
25 |
18.4 |
2 |
0 |
11 |
5.3 |
80 |
图4 对天然上海粘土块状试样的剥离试验：（a）垂直切割试样; （b）水平切割试样（烧杯直径：70 mm）
2.2施工顺序
在构造隔膜壁之后，但在主站的挖掘之前，挖掘侧的地面通过喷射灌浆改进以形成3 m宽和5 m厚的“灌浆支柱”。跨越了挖掘的全宽的3 m宽灌浆道间隔3 m。只有小侧面发生了喷射灌浆的壁位移，小于1.5 mm，但没有可区分的地面沉降或隆起。在喷射灌浆完成和开挖开始（即41天）之间的期间，由于喷射灌浆产生的过量孔隙水压力完全消失（Ng等人，2012）。这意味着本研究报告的后续侧壁位移和地面沉降最有可能仅由主要开挖引起。静态锥体穿透试验表明喷射灌浆的锥端电阻灌浆28天后几乎达到1.2 MPa。在开挖前30天，第一层上的道具被浇铸在墙壁的顶部，以便使开始挖掘时的悬臂壁挠曲最小化。
在随后的挖掘中，采用自下而上的方法。该场地沿车站长度分为25个挖掘段。每个挖掘段大约6 m宽，即隔板壁板的宽度。图 4显示施工顺序和周期。每个段的挖掘从场地的中心线朝向两个隔板壁板进行，以利用在墙前面的土地护层作为支柱安装之前的临时支撑。每个挖掘段大约6 m宽，即隔板壁板的宽度。图 4显示施工顺序和周期。每个段的挖掘从场地的中心线朝向两个隔板壁板进行，以利用在墙前面的土地护层作为支柱安装之前的临时支撑。每个段的主要开挖包括替代开挖和支撑周期。主站和发射井的挖掘分别由四级和五级的支柱支撑。图5显示出了靠近典型的隔膜壁板的主站挖掘的横截面和几何形状（即，面板5;参见图1）。第一层上的支柱是用钢筋混凝土浇筑的，而其他层上的支柱是预应力钢支柱。在开挖期间，露天地表上的任何自由水（主要由于降雨）在挖掘区域通过真空泵去除。表2总结了在典型隔膜壁板旁边的主站挖掘期间的施工阶段（即，板5；参见图1）。
图5 面板5的开挖横截面和几何形状
表2 主站旁边的面板5的开挖阶段
|
阶段 |
天数 |
施工活动 |
|
I(a) |
1-6 |
挖掘到1级（-4.5米） |
|
I(b) |
7 |
安装支架2（-4m） |
|
II(a) |
8-12 |
挖掘到2级（-8米） |
|
II(b) |
13 |
安装支架3（-7.5m） |
|
III(a) |
14-22 |
挖掘到3级（-11.5米） |
|
III(b) |
23 |
安装支架4（-11m） |
|
IV |
24-37 |
挖掘到4级（-14.5米） |
2.3仪器
图6显示出了在“绿地”现场的仪器（平面图）布置。在场地周围的16个隔膜壁板上装有倾斜计（I1-I16）以测量壁偏转挠度。在浇筑混凝土之前，将倾斜计管固定到每个仪表板的钢筋笼。每个倾斜仪的分辨率为0.1 mm / 500 mm标距长度。在每个板的顶部安装对照标记。参考位于后面约
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