卵石地層的特殊性及其對基坑支護的影響分析

劉 伍，李海明

(北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院，北京 101500)

0 引言

卵石地層不是普通的無黏性土（粗顆粒土）地層，它具有特殊的地層結(jié)構(gòu)，因此，在巖土工程設(shè)計過程中不可以按常規(guī)的無黏性土地層那樣選取黏聚力（C值）及內(nèi)摩擦角（w值），否則，基坑支護設(shè)計方案將過于保守，造成巖土工程成本的增加，此外，因為卵石地層結(jié)構(gòu)的特殊性，也會給基坑支護結(jié)構(gòu)形式的選型及施工工藝的選擇帶來極大困擾。顯然，如果這些環(huán)節(jié)把握不當，將給巖土工程設(shè)計、施工、及工程最終成本帶來極大的不確定性，因此，對該問題的深入分析、探討，既有科學(xué)意義、更有實際經(jīng)濟意義。

目前，針對卵石地層的基坑支護論文并不很多，主要原因是認為卵石地層比較簡單、宜于設(shè)計、易于施工，其中的論文多以分析某一更可行的施工方法為主，而從卵石地層具有特殊結(jié)構(gòu)方面，探討基坑支護設(shè)計合理性的論文很稀少。為彌補上述不足，本文既分析卵石地層的特殊結(jié)構(gòu)、其對基坑支護設(shè)計的貢獻，又分析其對基坑支護結(jié)構(gòu)選型及施工工藝的影響。

1 卵石地層的特征分析

1.1 地層基本性狀分析

表1中的地層各項特征，對基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工工藝的選擇影響極大，需要進一步具體分析。

表1 卵石地層整體特征統(tǒng)計簡表

1.2 地層結(jié)構(gòu)的特征分析

本文重點分析河流沖刷沉積成因的卵石地層結(jié)構(gòu)特征。

河流沉積卵石地層的最大特點就是：由于河水的流動沖刷作用，使卵石在沉積過程中產(chǎn)生了定向排列，并促成了相鄰卵石間以疊瓦狀形式接觸，相鄰卵石間的孔隙被砂礫、泥土等完全充填，經(jīng)此沖積作用及后來的覆土長期壓密作用，將卵石土層造就成了一個具有內(nèi)部緊密聯(lián)結(jié)的整體，使其具有了一種特殊結(jié)構(gòu)，筆者稱為“疊瓦狀結(jié)構(gòu)”。

2 卵石地層的抗剪強度探討

2.1 庫侖抗剪強度理論關(guān)于砂土的抗剪強度論述簡介

庫倫認為，砂土（無黏性土）的抗剪強度是由土粒間的滑動摩擦以及凹凸面間的鑲嵌作用所產(chǎn)生的（咬合）摩阻力，其大小決定于土粒表面的粗糙度、土的密實度以及顆粒級配等因素。黏性土和粉土的抗剪強度由摩阻力及黏聚力組成，黏聚力是由于黏土顆粒之間的膠結(jié)作用和靜電引力效應(yīng)等因素引起的。

根據(jù)庫倫原理，砂土（無黏性土）的抗剪強度決定于有效法向應(yīng)力和內(nèi)摩擦角，不存在黏聚力。

2.2 黏聚力C值的探討

自然形成的卵石地層，尤其在河流沖積形成的卵石地層中，卵石地層表現(xiàn)的抗剪強度不僅是顆粒間的滑動與鑲嵌咬合所產(chǎn)生的摩阻力，還有水流沖積條件下形成的卵石定向排列，由此產(chǎn)生的“疊瓦狀結(jié)構(gòu)”，形成了另外一種力，類似于“黏聚力”，此種力在庫倫抗剪強度關(guān)于“砂類土（無黏性土）”的論述中是沒有顯示的，在目前的巖土工程設(shè)計計算，尤其在基坑支護計算中是被忽略的。筆者將此種力稱為“似黏聚力”。

2.3 內(nèi)摩擦角φ值的探討

在目前的巖土工程勘察報告中給定的卵石地層內(nèi)摩擦角w值，幾乎都是經(jīng)驗值，由于受客觀條件所限，對一般巖土工程，不可能進行實地的卵石地層現(xiàn)場原位剪切試驗，通常情況下，先得到松散狀態(tài)下的w值，再根據(jù)卵石地層的密度估算得出w值的經(jīng)驗值。

顯然，按目前的常規(guī)處理方法，科學(xué)依據(jù)不足，密度越的大的卵石地層，給出的摩擦角w值越保守。

綜上分析，在傳統(tǒng)的巖土工程勘察報告中，河流沖積形成的卵石地層中的黏聚力C值均取0，未考慮“疊瓦狀結(jié)構(gòu)”提供的“似黏聚力”貢獻，給出的摩擦角w值也不是原位沉積條件下的w值，顯然，對于河流沉積的卵石地層，目前對C值、w值的常規(guī)取值做法均較為保守，從而導(dǎo)致巖土工程設(shè)計欠科學(xué)，同時也造成了巖土工程成本的增加。

2.4 卵石地層力學(xué)參數(shù)建議值

卵石地層力學(xué)參數(shù)見表2。

3 卵石地層特征對基坑支護結(jié)構(gòu)選型及施工工藝選擇的影響分析

卵石地層特征對基坑支護結(jié)構(gòu)選型及施工工藝選擇的影響分析列入表3。

表2 卵石地層力學(xué)參數(shù)建議值一覽表

表3 卵石地層特征對基坑支護結(jié)構(gòu)選型及施工工藝選擇的影響分析一覽表

4 場內(nèi)施工條件對基坑支護結(jié)構(gòu)選型及施工工藝選擇的影響分析

場內(nèi)施工條件對基坑支護結(jié)構(gòu)選型及施工工藝選擇影響非常大，對卵石地層基坑來說，當場內(nèi)可用空間足夠大時，宜盡可能采用放緩坡的支護結(jié)構(gòu)型式，以降低施工工藝選擇的壓力；當場內(nèi)可用空間狹窄時，就會被迫選擇直立坡（或陡坡）的支護結(jié)構(gòu)型式，這將極大地增加了對施工工藝選擇的難度（表4、圖1）。

圖1 KX自鉆式注漿錨桿

5 結(jié)論

通過以上論述，筆者認為對砂卵石地層的工程特性及巖土工程設(shè)計、施工有了進一步認識，對今后在砂卵石地層中開展巖土工程設(shè)計及施工有一定指導(dǎo)意義。

（1）通過對卵石地層進行特征分類，從而對卵石地層的自身特點認識得更深入、更全面，有助于在卵石地層中的基坑支護設(shè)計、施工工作更有針對性。

表4 場內(nèi)施工條件對基坑支護結(jié)構(gòu)選型及施工工藝選擇影響分析統(tǒng)計表

（2）根據(jù)河流沖積成因的卵石地層具有“疊瓦狀結(jié)構(gòu)”，及具有“似黏聚力”效果，筆者認為其C值不等于零，并隨地層時代越老及密度的增加，C值會顯著增大，應(yīng)善加利用。此外，該種卵石地層的w值估算，不僅應(yīng)充分考慮地層的密度狀態(tài)，還應(yīng)考慮卵石的定向排列效果，充分挖潛。經(jīng)調(diào)整后的C、w值，可以使基坑支護設(shè)計工作更科學(xué)、支護成本更低，同時，并不影響其安全性。

（3）建議按卵石地層的不同時代、不同密度，系統(tǒng)開展現(xiàn)場原位直剪試驗，以求獲取更準確的天然級配卵石地層的C、w值，同時注意從各種工程實例中收集關(guān)于天然級配卵石地層的C、w設(shè)計采用值信息，以探求對天然級配卵石地層的C值、w值的更準確的認識、把握。

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程(JGJ120-2012)[S]. 2012.

[2]中華人民共和國建設(shè)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. 建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)程 (GB 50330-2002)[S].2002.

[3]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 復(fù)合土釘墻基坑支護技術(shù)規(guī)范(GB 50739-2011)[S]. 2012.

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ 94-2008)[S]. 2008.

[5]《工程地質(zhì)手冊》編委會. 工程地質(zhì)手冊（第四版）[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[6]張玲玲，姚 勇. 川西北地區(qū)砂卵石土抗剪強度影響因素分析[J]. 硅谷，2008，7(18)：4～5.

[7]趙 兵，黃 榮. 成都地區(qū)砂卵石的抗剪強度探討[J]. 價值工程，2011，30(18)：60～61.

[8]陳希哲. 粗粒土的強度與咬合力的試驗研究[J].工程力學(xué)，1994，11(4)：56～63.

[9]徐 然，劉小平. 土釘墻技術(shù)在砂卵石地層深基坑支護中的應(yīng)用[J]. 水電站設(shè)計，2009，25(1)：70～72.