基坑支護(hù)設(shè)計中土粘聚力和內(nèi)摩擦角參數(shù)選用的探討

陳克用

(福建眾合開發(fā)建筑設(shè)計院 福建福州 350004)

1 問題提出

土是巖石碎屑或礦物大小顆粒構(gòu)成的松軟集合體。它具有散粒性、多相性、自然變異性，這也決定了我們工程土力學(xué)分析的復(fù)雜多變性。在基坑支護(hù)設(shè)計中，我們對土力學(xué)參數(shù)的取值不同，其計算結(jié)果也差異很大，這對基坑工程的合理設(shè)計將帶來很大偏差，參數(shù)取值過大，給工程安全將帶來很大隱患，參數(shù)取值過小，給工程帶來很大經(jīng)濟上的浪費。所以，我們必須了解土各種實驗抗剪指標(biāo)含義以及其相應(yīng)適用范圍，參數(shù)合理的選用，才是設(shè)計安全經(jīng)濟基坑工程關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

基坑支護(hù)土壓力計算中，土的抗剪強度指標(biāo)粘聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)是最關(guān)鍵、最基本的重要參數(shù)，它是表達(dá)土體抗剪強度的指標(biāo)，是土體自身特有性質(zhì)。土的抗剪強度指標(biāo)受土的排水條件、應(yīng)力歷史、應(yīng)力路徑、原始狀態(tài)等因素影響，考慮不同工程特性和受力狀態(tài)，應(yīng)采用不同的試驗方法，由于其指標(biāo)隨排水條件、固結(jié)條件和試驗方法不同結(jié)果差異也很大。通常在室內(nèi)試驗中，用直剪試驗(如圖1)和三軸試驗(如圖2)來測定土的抗剪強度指標(biāo)。在室外試驗中，對均質(zhì)飽和軟粘土，也可以用原位測試-十字板試驗測定。

圖1 直剪試驗

圖2 三軸試驗

由于儀器構(gòu)造局限，直剪實驗無法做到真實控制試樣的排水條件，但為了實際工程中不同的排水條件與直剪實驗狀態(tài)盡量吻合，通常通過加載速率的快和慢近似模擬不排水和排水，所以就產(chǎn)生了直剪快剪(q)、固結(jié)快剪(cq)和慢剪(s)三種直剪實驗。而三軸壓縮試驗則是在軸對稱極限平衡理論基礎(chǔ)上的一種土工試驗，能夠合理控制排水條件以及測量土樣中孔隙水壓力的變化。通過控制土樣周圍壓力作用下固結(jié)條件和排水條件，也可產(chǎn)生三種三軸實驗方法:不固結(jié)不排水(UU)，固結(jié)不排水(CU)，固結(jié)排水(CD)。由此，我們可以看出直剪實驗的快剪、固結(jié)快剪、慢剪分別相當(dāng)于三軸的不固結(jié)不排水、固結(jié)不排水、固結(jié)排水三種試驗，它們是一一對應(yīng)關(guān)系但又不能等同，畢竟兩套實驗系統(tǒng)有各自的優(yōu)缺點和適用性，結(jié)果也有比較大的差異，我們應(yīng)充分理解實驗原理并根據(jù)不同情況合理使用其試驗結(jié)果。

直剪試驗設(shè)備簡單，試驗操作方便、土樣制備以及成本低，一直被國內(nèi)一般工程廣泛采用，但是直剪試驗剪切面被限定在上下盒間的平面，剪切破壞面不是發(fā)生在土樣最薄弱的面;應(yīng)力在剪切面上分布不均，豎向荷載產(chǎn)生偏差;實驗盒子沙粒嵌入;直剪儀中的土樣無法封閉試驗本身特性，土樣在承受法向應(yīng)力或剪應(yīng)力時，不管剪切速度多快，環(huán)刀之間的縫隙和土樣總會有孔隙水流失，無法測定真正的不排水條件狀態(tài)下的強度，這使快剪試驗的結(jié)果數(shù)據(jù)離散性較大，而且內(nèi)摩擦角數(shù)值也往往偏大;以及剪切過程中土樣面積縮小，而計算仍按原截面計入等這些不利因素都導(dǎo)致試驗結(jié)果不準(zhǔn)確性。而三軸實驗中應(yīng)力狀態(tài)比較明確，剪切破壞時破裂面發(fā)生在土樣最薄弱處，其試驗結(jié)果是比較可靠的，也是為工程界所認(rèn)可的。

在實際基坑工程開挖過程中，力學(xué)模型是土體豎向力保持不變，側(cè)向卸載，側(cè)壓力降低，墻后土體剪應(yīng)力逐漸生成，隨土體卸載、地下水下降，土體產(chǎn)生固結(jié)。由于基坑開挖施工較快，對于砂性土，滲透性強，排水明顯，基坑側(cè)壁土體產(chǎn)生排水剪切;對于粘性土，由于超空隙水壓力來不及消散，實際是一個不排水剪切過程。所以我們要根據(jù)基坑邊界條件和加載、卸載條件合理選用參數(shù)。

2 各地規(guī)范對土力學(xué)強度指標(biāo)的理解應(yīng)用

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ120-2012，主要將土分成粘性土和砂性土兩大類。粘性土采用三軸固結(jié)不排水或直剪固結(jié)快剪，但現(xiàn)有工程部分地勘報告有直剪固結(jié)快剪指標(biāo)而沒有三軸固結(jié)不排水，這可能與工程工期和成本有一定關(guān)系，作為設(shè)計人員可以采用固結(jié)快剪指標(biāo);砂性土采用有效應(yīng)力強度指標(biāo)c＇、φ＇，雖然有效應(yīng)力強度指標(biāo)可以真實反映土的抗剪強度，但由于實際工程中變化復(fù)雜性以及實驗取值難度較大，所以規(guī)范提出了可采用直剪固結(jié)快剪或三軸固結(jié)不排水替代。筆者認(rèn)為砂性土滲透性較大，在基坑開挖及使用過程中，對于未采取止水帷幕等相關(guān)止水措施以及坑底以下即使設(shè)置了降水井，但屬于非完整井，地下水比較容易通過砂土間空隙排出，此時使用排水剪是否更為合理;反之，可以考慮使用規(guī)范所描述的不排水剪指標(biāo)(即直剪固結(jié)快剪或三軸固結(jié)不排水)。

另外本規(guī)范強調(diào)了地下水一下欠固結(jié)粘性土試驗三軸不固結(jié)不排水剪，這里設(shè)計人員很容易將淤泥以此條文套用，但三軸不固結(jié)不排水剪指標(biāo)值是很低的，這也困擾了很多基坑設(shè)計人員，筆者認(rèn)為淤泥也應(yīng)分為超固結(jié)、正常固結(jié)和欠固結(jié)區(qū)別對待，這三種狀態(tài)淤泥在物理性質(zhì)上沒有太大區(qū)別，但在力學(xué)上應(yīng)該有明顯差異的。這些淤泥或淤泥質(zhì)土在地質(zhì)歷史上曾受到過比現(xiàn)在所受的有效上覆土壓力更大的豎向有效壓力即 pc＞p0，土層的超固結(jié)比 OCR＞1，這類淤泥一般埋深大于20m，其相應(yīng)上覆土壓力大約為150～250kPa。而對于欠固結(jié)淤泥(pc＜p0)，先期固結(jié)壓力只有50～150kPa或甚至更小，在自重壓力下該土體仍未完成固結(jié)。在壓縮試驗中，當(dāng)試驗先期固結(jié)壓力大于豎向壓力時，超固結(jié)淤泥質(zhì)土的豎向變形就比欠固結(jié)淤泥質(zhì)土小;當(dāng)先期固結(jié)壓力小于豎向壓力時，土層所發(fā)生變形就較大，這時超固結(jié)土的壓縮模量會隨著壓力增大而變小，直至土體固結(jié)基本完成。超固結(jié)淤泥質(zhì)土在固結(jié)快剪試驗中，由于土層所受先期固結(jié)壓力較大，其粘聚力則較大，甚至可高達(dá)25kPa以上，其內(nèi)摩擦角卻相對很小;而欠固結(jié)淤泥質(zhì)土的粘聚力一般為10kPa以內(nèi)。超固結(jié)淤泥質(zhì)土具有較欠固結(jié)淤泥質(zhì)土具有更強的結(jié)構(gòu)性和更高的靈敏度，因此在保持原有土體狀態(tài)不變時，在先期壓力之內(nèi)都屬于中等壓縮性土，而一旦土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，則表現(xiàn)為流塑性，其力學(xué)強度顯著降低。因此淤泥土層應(yīng)根據(jù)實際情況，合理選用相應(yīng)抗剪指標(biāo)，在基坑支護(hù)設(shè)計時可節(jié)省大量的支護(hù)費用。

根據(jù)《深圳市基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》SJG05-2011，總體上也是分為粘性土和砂性土，其所采用的指標(biāo)與JGJ120-2012一致，但是它通過分析基坑不同整體指標(biāo)來選擇土的c、φ值，針對粘性土的主動、被動土壓力計算、基坑抗傾覆計算和整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定、抗滑移最危險滑移面穿過土體為粘性土?xí)r采用固結(jié)快剪(cq)或三軸固結(jié)不排水(CU)，對砂性土采用有效應(yīng)力指標(biāo);還強調(diào)了抗隆起計算應(yīng)采用天然快剪、三軸不固結(jié)不排水(UU)或十字板剪切試驗，這是主要考慮抗隆起計算主要正對坑底軟弱粘性土(屬于淺層淤泥)，這些淤泥多數(shù)處于欠固結(jié)-正常固結(jié)狀態(tài)，而且坑底土也無法排水，這正好能與天然快剪、三軸不固結(jié)不排水(UU)或十字板剪切試驗?zāi)M狀態(tài)相吻合。針對軟粘土(含水率高達(dá)70%以上的海相淤泥)認(rèn)為選用直剪快剪(q)和三軸不固結(jié)不排水(UU)過于保守，給基坑設(shè)計造成過大浪費，提出了選用直剪固結(jié)快剪(cq)乘以0.75或三軸固結(jié)不排水(CU)乘以0.75參數(shù)。

根據(jù)上海市《基坑工程技術(shù)規(guī)范》J11577-2010，類似深圳規(guī)范，根據(jù)基坑計算不同的內(nèi)容選用不同試驗結(jié)果參數(shù)，對土壓力和穩(wěn)定性計算采用直剪固結(jié)快剪、直剪慢剪和三軸固結(jié)不排水試驗，其中土壓力計算還可以采用三軸固結(jié)排水(CD)指標(biāo);對施工速度快，排水條件差的粘性土穩(wěn)定計算采用三軸不顧街不排水(UU)指標(biāo)，這可以理解為含水率較高的軟粘土穩(wěn)定計算，這和其他規(guī)范是一致的;但是現(xiàn)在工程地質(zhì)勘察報告中很少提供直剪慢剪和三軸固結(jié)排水指標(biāo)，這也就意味著上海規(guī)范也主要采用固結(jié)快剪和三軸固結(jié)排水指標(biāo)，總體上也是與JGJ120-2012一致，但未進(jìn)行詳細(xì)分析各土體工程狀態(tài)。

根據(jù)福建省《建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》DBJ13-07-2006，認(rèn)為粘性土選用三軸固結(jié)不排水(UU)或直剪固結(jié)快剪(cq)修正指標(biāo)(固結(jié)1h指標(biāo)乘以0.8系數(shù))，欠固結(jié)軟弱土和新近填土選用三軸不固結(jié)不排水(UU)或直剪快剪(q)指標(biāo)，砂性土選用有效應(yīng)力指標(biāo)。針對深圳規(guī)范和福建規(guī)范都提出軟粘土采用固結(jié)快剪指標(biāo)做相應(yīng)折減后選用，筆者根據(jù)福州地區(qū)工程實踐，認(rèn)為含水率較高的軟弱粘土(含水率達(dá)65%以上)考慮基坑快速開挖卸土后，土體未充分進(jìn)行固結(jié)和排水就產(chǎn)生剪應(yīng)力，也可采用直剪固結(jié)快剪(cq)修正指標(biāo)(固結(jié)1h指標(biāo)乘以0.8系數(shù))，并取得了較好的工程效果。

3 工程實例應(yīng)用

福州某工程地質(zhì)報告提供的基坑土力學(xué)參數(shù)如下(表1):

表1 土質(zhì)參數(shù)表

基坑開挖深度為4.95m，基坑采取排樁支護(hù)結(jié)合排樁頂冠梁處設(shè)一道擴孔錨桿方案(如圖3)，設(shè)計采用了上述三種指標(biāo)分別進(jìn)行計算(其中固結(jié)快剪乘以0.8系數(shù)。計算結(jié)果:要滿足抗傾覆穩(wěn)定要求排樁嵌固深度應(yīng)分別為9m(cq)，13m(q)，16m(uu)，本基坑工程最終采用了固結(jié)快剪指標(biāo)乘以0.8指標(biāo)的計算結(jié)果進(jìn)行基坑設(shè)計實施，該基坑在實施全過程中，基坑變形均未超出報警值，基坑現(xiàn)已經(jīng)回填。顯然，若選用直剪快剪或三軸不固結(jié)不排水強度指標(biāo)進(jìn)行本基坑工程計算按設(shè)計，勢必導(dǎo)致較大的浪費，在安全可控前提下，選用直剪固結(jié)快剪指標(biāo)乘以0.8進(jìn)行基坑設(shè)計是合理經(jīng)濟的。

圖3 基坑剖面

4 結(jié)語

通過對各實驗原理的理解及各規(guī)范條文在工程實際中應(yīng)用，得出以下結(jié)論:

(1)土力學(xué)參數(shù)指標(biāo)的主要常用試驗方法:直剪試驗、三軸試驗和十字剪切板試驗。

(2)基坑支護(hù)設(shè)計對土力學(xué)參數(shù)指標(biāo)的選用主要分為粘性土(包含淤泥軟粘土)和砂性土。

(3)粘性土主要可考慮選用固結(jié)快剪或三軸固結(jié)不排水，這兩種試驗指標(biāo)受土體取樣影響較小，也是目前國內(nèi)規(guī)范普遍采用的指標(biāo);砂性土選用有效應(yīng)力指標(biāo)，考慮現(xiàn)有地勘一般未提供該指標(biāo)，設(shè)計人員可根據(jù)水下休止角試驗和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗實測擊數(shù)然后按經(jīng)驗估算，《深圳市基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》也提供了相應(yīng)的參考經(jīng)驗表格，如(表2)所示。

表2 N值與φ(°)值的關(guān)系

也可以根據(jù)基坑實際排水排水情況選用合適的排水剪指標(biāo)。

(4)針對含水率很高的軟弱粘土(含水率達(dá)65%以上)，可采用直剪固結(jié)快剪(cq)乘以0.8系數(shù)。

[1]J11577-2010，基坑工程技術(shù)規(guī)范[S].

[2]J11577-2010，上海市基坑工程技術(shù)規(guī)范[S].

[3]SJG05-2011，深圳市基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

[4]DBJ13-07-200，福建省建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范[S].

[5]工程地質(zhì)手冊(2007年第四版)[M].中國建筑工業(yè)出版社.

[6]深基坑支護(hù)技術(shù)指南[M].中國建筑工業(yè)出版社.