邯鄲金世紀新城基坑非飽和特性實驗研究

王厚星，王偉

(河北建設勘察研究院有限公司，河北石家莊 050031)

1 引言

隨著城市化的深入，高層建筑、城市地鐵以及地下空間大量的修建與利用，伴隨這些大型土木工程的進行，對構造物基坑穩(wěn)定性的研究日益引起人們的關注。在自然狀態(tài)下，我國北方地區(qū)特別是河北地區(qū)，土層大多數(shù)處于非飽和土狀態(tài)，一般情況下非飽和土體比飽和土體穩(wěn)定系數(shù)高。正是由于基質(zhì)吸力的存在，在大量的工程實踐中，我們常會發(fā)現(xiàn)許多垂直開挖的穩(wěn)定基坑，而按著常規(guī)穩(wěn)定性設計早已應該失穩(wěn)了。目前，當我們在對基坑穩(wěn)定性設計時，一般未能考慮基質(zhì)吸力對于基坑的影響，因此，在應用中，用飽和土的理論參數(shù)去解決非飽和土的工程問題是很不合理、不經(jīng)濟的。合理精確地確定參與邊坡穩(wěn)定性驗算的各層土的抗剪強度指標是一項極具經(jīng)濟價值和科學價值的工作。

目前針對非飽和土基坑穩(wěn)定性影響的研究主要側(cè)重于下面三個方面:①關于非飽和土的力學、水力學室內(nèi)特性實驗研究;②全尺寸的非飽和土現(xiàn)場試驗;③采用數(shù)值模擬的方法與實測數(shù)據(jù)進行對比。完全的考慮水-力學特性耦合效應的非飽和土理論十分復雜，對于工程實際應用十分不便，本文將在通過實驗方法研究非飽和土的力學與水力學特性的基礎上，分析簡化的非飽和土抗剪強度理論。

2 工程概況

邯鄲金世紀新城為高層住宅樓，地上34層，地下3層，基礎筏板底標高絕大部分為-15.15 m(電梯井標高-16.9 m、-18.0 m)，墊層厚度為 150 mm，因此，基坑開挖深度15 m(自然地面起算)，局部開挖深度為16.75 m和 17.85 m(自然地面起算)?？辈祜@示65.0 m深度范圍內(nèi)除表層雜填土、素填土外，地層以第四系沖洪積地層為主，根據(jù)其巖性及物理力學性質(zhì)，自上而下分為12層，分別為①層雜填土;層厚0.3 m～2.6 m。②層粉質(zhì)粘土:層厚1.9 m～4.7 m。③層粉質(zhì)粘土:層厚 2.0 m～5.6 m。④層粉質(zhì)粘土:層厚1.6 m～4.8 m。⑤層粉土:層厚0.9 m～4.1 m。⑥層粉質(zhì)粘土:層厚1.0 m～3.9 m;⑦層粉質(zhì)粘土。⑧層中粗砂、卵石:層厚2.2 m～10.8 m。⑨層粉質(zhì)粘土:層厚 5.0 m～11.4 m。⑩層卵石:層厚 2.0 m～6.0 m。[11]層粉質(zhì)粘土含卵石:層厚2.8 m～12.5 m。[12]層粉質(zhì)粘土:揭露最大厚度為16.70 m。

該擬建工程基坑開挖深度為15.0 m(局部開挖深度為16.75 m和17.85 m)，該工程基坑開挖時進行地下水控制，水頭降至基底以下0.5 m，因此，基坑開挖區(qū)域土層均處于非飽和土區(qū)。

3 非飽和土土水特性曲線實驗研究

測試土水特性曲線，需要控制兩個方面的基本參數(shù)［1］，一是對基質(zhì)吸力的精確控制，為了得到非飽和土的進氣值，開始階段基質(zhì)吸力精度要求控制在3 kPa以內(nèi)，而基質(zhì)吸力的量測范圍一般都在1.5 MPa以上，這對基質(zhì)吸力的控制設備提出了很高的要求。二是，如何準確地測試排出水的體積，為了提高實驗的穩(wěn)定時間，一般情況下試樣的高度都在2 cm左右，在每級載荷作用下，排水量都比較小，因此需要較為精密的測量排水量的方法，有的實驗采用有排水管法，也有的實驗通過用高精密天平測試排水質(zhì)量的方法來確定。目前常用的儀器有美國Soilmoisture公司生產(chǎn)的水土特性壓力板儀以及Fredlund的土水特性曲線壓力儀，然而這些儀器在價格方面都非常昂貴，并且實驗耗時較長，不利于工程中大量使用。

3.1 多終端土水特性曲線儀介紹

根據(jù)文獻［1］，配套的壓力板儀結構組成如圖1所示，主要由氮氣瓶、高壓軟管、壓力容器及高進氣值陶土板、排水量測系統(tǒng)等部分組成。具有以下特點:①同時測試土樣多，測試系統(tǒng)的終端可以根據(jù)需要自由擴展，目前我們有8個試驗終端，3套壓力控制設備。也就是說能夠同時進行3種不同基質(zhì)吸力、8種不同土樣的SWCC試驗，大大提高了試驗效率。為土水特性曲線數(shù)據(jù)庫的完成奠定了基礎，也是本測試儀器的最大優(yōu)點。②高進氣值陶土板壓力源采用氮氣瓶，氣源壓力大，無噪音，使用安全，換氣方便及不受用電等限制的特點;低進氣值陶土板采用實驗室現(xiàn)有的空壓機作為氣源，能有效利用現(xiàn)有設備資源、且費用低等優(yōu)點。

圖1 多終端土水特性曲線測試儀

3.2 非飽和土土水特性曲線實驗

實驗用土主要考慮對基坑穩(wěn)定性構成影響的土層，取自金世紀新城基坑的第②、③、④層，各土層土性如表1所示。

試驗土樣物理力學性質(zhì) 表1

圖2 各土層土水特性曲線比較

圖2為實測水土特性曲線圖，從圖中看，隨著各層土樣埋深的增加，土層的持水性能逐漸變好，第④層的土樣持水性能較埋深較淺的土樣好。另外，比較第②、③層土樣的土水特性曲線可以看出，粉土的持水性能比粉質(zhì)粘土較差。另外，第③、④層土樣的水分曲線差別不大，從表1可以看出兩種土樣土性接近，第④層土樣的持水性能要好于第③層，從表中可以看出第③層土樣的孔隙比較第④層土樣要大，毛細力與孔隙體積的大小成反比，而孔隙體積的大小與孔隙比成正比，因此空氣進入值AEV與孔隙比成反比。因此孔隙比大的土樣，盡管土性相似，其保水性能也會降低，這與Kawai(2000)的實驗結果相一致。從實驗結果上看孔隙比的大小不僅僅對進氣值有影響，同時也影響土樣的排水速度，主要表現(xiàn)在土樣在較高基質(zhì)吸力時(本實驗大于100 kPa時)，排水迅速。這一實驗結論正好說明了堆積松散的土層，強度受含水量變化的影響比密實土樣要明顯。

圖3 不同性狀土水特性曲線比較

研究者們曾開展了大量的土水特性曲線的室內(nèi)試驗研究，但這些研究大多數(shù)都是針對重塑土進行的，而在實際工程中，如基坑開挖、邊坡穩(wěn)定性等等，都需要知道原狀土樣的土水特性曲線，因此研究原狀土的土水特性曲線就顯得十分重要了。本文進行了原狀樣與重塑樣的土水特性曲線對比試驗。圖3給出了第②層土樣的原位與重塑土樣土水特性曲線的對比。實驗中重塑土樣與原狀土樣干密度相同，在壓力容器內(nèi)壓實，飽和。從測試曲線上看，重塑土樣表現(xiàn)為較為明顯的倒“S”型，而原狀土試樣的實驗結果中進氣值不明顯，這主要是因為對于原狀土樣中有原生的裂隙孔徑存在，也就是說原狀土樣中的孔徑大小并不相同，這樣造成土樣的進氣值不明顯;而土樣重塑后，較大的裂隙消失，最大孔徑趨于均勻，這樣就導致了進氣值明顯。隨著基質(zhì)吸力的提高，進一步的實驗發(fā)現(xiàn)，當基質(zhì)吸力大于20 kPa后原狀土的保水能力比重塑土明顯提高，這表明原狀土樣中的孔徑分布極為不均勻，有明顯的大裂隙，同時也分布了較多的小空隙，而重塑土樣，孔徑分布就較為均勻。

4 非飽和土強度簡化計算

根據(jù)梁金國，馮懷平等提出的非飽和土強度簡化公式［2］，可以將非飽和土抗剪強度公式可以簡化為:

式中:c'為飽和土的有效粘聚力，φ'為飽和土的有效摩擦角，cf為非飽和粘聚力，利用van Genuten土水特性曲線模型，非飽和土的粘聚力可以表示為:

式中:ua為孔隙氣壓;α、n分別為土水特性曲線參數(shù)，Sr為土樣的飽和度，令為體積含水量，θr為殘余體積含水量，θs為飽和體積含水量;ct為總粘聚力，ct=c'+cf。

式(1)就可稱之為不含基質(zhì)吸力的非飽和土強度公式。該公式結合土水特性曲線數(shù)據(jù)使用，具有應用方便，避免了基質(zhì)吸力量測的難點，同時與包承剛等人的公式相比，與實驗數(shù)據(jù)更接近，預測精度更高。

利用式(1)判斷邯鄲金世紀新城土樣非飽和土強度，土樣密度 1.92 g/cm3，GS為2.6，IP為 11.9。飽和土樣的三軸試驗，得到該土樣的有效抗剪強度為c'=15.7 kPa;φ'=28.5°。

根據(jù)土樣的土水特性曲線圖2所示，可擬合［3］得到土水特性曲線方程的參數(shù) α，n，θs，θr的值分別為:0.077，1.413 6，1，0.017。并同時對該土樣進行了非飽和三軸試驗，實驗結束后測定土的含水量θw，推求飽和度為0.73，帶入預測式(1)，得到由于基質(zhì)吸力所提高了的非飽和粘聚力為:

因此此時總的強度為:

5 結論

本文利用自行研制的非飽和土土水特性曲線實驗儀器，測試了邯鄲金世紀新城基坑的非飽和水力、強度特性，主要有如下結論:

(1)非飽和土樣隨著埋設深度(密實度)的增加持水能力顯著提高。

(2)相對于重塑土而言，原狀土的孔徑分布較為不均勻，表現(xiàn)在無明顯進氣值，但隨著基質(zhì)吸力的增加，表現(xiàn)出較高的持水能力。

(3)非飽和土簡化公式在確定非飽和粘聚力方面有著計算簡便、容易操作等優(yōu)點。

［1］河北建設勘察研究院有限公司.區(qū)域非飽和原狀土抗剪強度特性及快速評價方法研究報告.2010

［2］梁金國，馮懷平.基于非飽和土理論的簡化強度判斷公式研究［J］.工程勘察，2011(11):13

［3］梁金國.河北地區(qū)土水特性曲線試驗及數(shù)據(jù)庫研究［J］.工程勘察，2010(8):9～13

［4］沈珠江.非飽和土力學的回顧與展望［J］.水利水電科技進展，1996(1)

［5］沈珠江.非飽和土力學實用化之路探索［J］.巖土工程學報，2006(2):256～259