十字板剪切試驗(yàn)在珠三角深厚軟土基坑工程中的應(yīng)用

朱思軍,楊光華,陳富強(qiáng),張玉成

(廣東省水利水電科學(xué)研究院；廣東省巖土工程技術(shù)研究中心；廣東省山洪災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510635)

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十字板剪切試驗(yàn)在珠三角深厚軟土基坑工程中的應(yīng)用

朱思軍,楊光華,陳富強(qiáng),張玉成

(廣東省水利水電科學(xué)研究院；廣東省巖土工程技術(shù)研究中心；廣東省山洪災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510635)

由于淤泥的結(jié)構(gòu)性較強(qiáng),被擾動(dòng)后其強(qiáng)度會大幅下降,故通過常規(guī)的室內(nèi)試驗(yàn)得到的淤泥的強(qiáng)度參數(shù)一般都偏低,往往導(dǎo)致基坑支護(hù)過于保守,該文嘗試采用閆澍旺等人提出的根據(jù)十字板剪切試驗(yàn)測得的峰值抗剪強(qiáng)度,推導(dǎo)出淤泥的強(qiáng)度參數(shù),對基坑支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,這一方法在實(shí)際基坑工程中成功運(yùn)用,說明該方法可行,可供類似工程參考。

十字板；深厚軟土；基坑

珠三角的軟土是全國最軟的軟土之一,具有高含水率、高壓縮性,低承載力等特點(diǎn),另外還有軟土較厚(有時(shí)超過30 m),低滲透性、具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性,一旦受到擾動(dòng),其強(qiáng)度將迅速降低,流變性、欠固結(jié)特性等特點(diǎn)[1]。該地區(qū)基坑工程中,淤泥的強(qiáng)度參數(shù)(即粘聚力和內(nèi)摩擦角)最為關(guān)鍵,對支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟(jì)等方面有著決定性的影響,淤泥的強(qiáng)度參數(shù)一般采用地勘報(bào)告中提供的參數(shù)建議值,該值是勘察人員采用鉆探方法,取樣后在室內(nèi)通過各種土工試驗(yàn)手段獲取的巖土體參數(shù),由于淤泥的結(jié)構(gòu)性較強(qiáng),被擾動(dòng)后其強(qiáng)度會大幅下降[2],故通過常規(guī)的室內(nèi)試驗(yàn)得到的淤泥的強(qiáng)度參數(shù)一般都偏低。而在深厚淤泥土層中開挖基坑時(shí),淤泥的強(qiáng)度參數(shù)對基坑支護(hù)的造價(jià)影響的靈敏度很高,為了克服常規(guī)勘察對土樣的擾動(dòng),可考慮采用十字板剪切試驗(yàn)獲取淤泥土層的強(qiáng)度參數(shù)。

十字板剪切試驗(yàn)是適用于測定飽和軟粘土的不排水抗剪強(qiáng)度及靈敏度等參數(shù)的測試試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)將十字板頭插入土中,以一定速率對板頭施加扭力,直到將土剪損,測出十字板旋轉(zhuǎn)時(shí)所形成的圓柱體表面處的抵抗力矩,從而換算出土的抗剪強(qiáng)度,其數(shù)值相當(dāng)于在天然狀態(tài)下的不固結(jié)不排水土的抗剪強(qiáng)度,眾多學(xué)者通過現(xiàn)場試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)工作實(shí)踐,采用統(tǒng)計(jì)分析、理論推導(dǎo)等方法,不斷發(fā)展十字板剪切強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)用范圍[3-10]。

1 根據(jù)十字板剪切試驗(yàn)推求淤泥強(qiáng)度參數(shù)

十字板剪切試驗(yàn)可得到淤泥的抗剪強(qiáng)度,但是在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中,求土壓力時(shí)需要淤泥的強(qiáng)度參數(shù),即粘聚力和內(nèi)摩擦角,這就需要根據(jù)淤泥的抗剪強(qiáng)度推導(dǎo)出淤泥的強(qiáng)度參數(shù),閆澍旺等人[11]基于Mohr-Coulomb 抗剪強(qiáng)度原理,結(jié)合十字板強(qiáng)度與深度有線性關(guān)系的規(guī)律性,通過對大量十字板測試結(jié)果的回歸統(tǒng)計(jì)分析,提出了可以推算出地基土的兩個(gè)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的方法,即粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ。該方法已編入規(guī)范《港口工程地基規(guī)范》(JTS 147—1—2010)[12]。

(1)

(2)

C=b

(3)

式中D為十字板的直徑；H為十字板的高度；K0為土層的側(cè)壓力系數(shù),K0=0.65～0.72；Ut為淤泥的固結(jié)度；γ=16 kN/m3。

2 工程實(shí)例

珠三角某地塊擬建一商業(yè)區(qū),初勘表明此處淤泥層深厚,采用真空預(yù)壓對淤泥進(jìn)行處理,插18 m深塑料排水板進(jìn)行排水,達(dá)到規(guī)范要求后卸載,監(jiān)測顯示卸載時(shí)地面平均沉降達(dá)1 m以上,然后進(jìn)行詳細(xì)勘察,詳勘報(bào)告表明,場地巖土層按其地質(zhì)年代和成因類型自上而下可劃分為人工填土層(Qml)、第四系海陸相土層(Qmc)和震旦系(Z)花崗片麻巖等三部分。各巖土層的分布及特征分述如下：

1) 人工填土層(Qml,層號1)

土性主要為素填土,呈灰褐色,土黃色,主要由粉細(xì)砂組成,結(jié)構(gòu)疏松,為新近填積。厚度為0.60～6.80 m,平均2.18 m。

2) 第四系沖積土層(Qal,層號2)

據(jù)鉆孔揭露,按土性的差異,本層從上而下可劃分為淤泥/淤泥質(zhì)粘土、細(xì)砂、礫砂等3個(gè)亞層,各亞層的特征及分布評述如下：

②細(xì)砂亞層<2-2>：呈灰褐、灰白、灰黃色,飽和,稍密為主,局部中密,顆粒分選性差,含較多粘性土及中粗砂。層厚0.90～3.00 m,平均1.60 m。

③礫砂亞層<2-3>：呈灰褐、灰白、灰黃色,飽和,稍密～中密,級配一般,含中粗砂及圓礫,局部含粘粒。層厚2.50～14.50 m,平均7.01 m。

3) 基巖(Z,層號4)

場地基巖巖性為震旦期(Z)花崗片麻巖等,在鉆孔控制深度范圍內(nèi),按巖石的風(fēng)化程度可劃分為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化和微風(fēng)化3個(gè)風(fēng)化巖層,各巖層的分布及特征描述如下：

①強(qiáng)風(fēng)化片麻巖層<4-2>：呈灰褐、褐黃色,巖芯多呈半巖半土狀及碎巖塊,土狀巖芯遇水可崩解,手捏易散,巖質(zhì)軟,局部夾中風(fēng)化碎塊。

②中風(fēng)化片麻巖層<4-3>：呈褐黃、灰褐、灰白色,塊狀構(gòu)造,巖芯多呈短柱狀、塊狀,裂隙發(fā)育,取芯困難,沿裂面充填次生礦物,巖質(zhì)硬,局部偏微風(fēng)化,巖體基本質(zhì)量等級為IV級。

③微風(fēng)化片麻巖層<4-4>：呈灰褐色,灰白色,中粗粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,巖芯較完整新鮮,多呈中長柱狀、柱狀,局部少量塊狀,巖質(zhì)稍硬,巖體基本質(zhì)量等級為III級。

淤泥快剪指標(biāo)建議值為粘聚力C=7.0 kPa,內(nèi)摩擦角φ=3.7°。

根據(jù)業(yè)主提供資料,主體建筑下設(shè)一層地下室,基坑開挖深度為5.3 m,周長為578 m,采用重力式水泥土墻+坑內(nèi)加固的基坑支護(hù)型式,局部適當(dāng)放坡。典型剖面如圖1。

根據(jù)市價(jià)估算出的每延米造價(jià)約為4.1萬元,造價(jià)較高。

為了優(yōu)化設(shè)計(jì),在保證基坑安全的前提下節(jié)約支護(hù)成本,考慮從采用的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化入手,根據(jù)廣東省水利水電科學(xué)研究院在珠三角從事基坑設(shè)計(jì)和軟基處理多年經(jīng)驗(yàn),經(jīng)過真空預(yù)壓處理的淤泥內(nèi)摩擦角φ取3.7°偏低,設(shè)計(jì)過于保守。為了驗(yàn)證這一想法,業(yè)主委托勘察單位對該地塊進(jìn)行了十字板剪切試驗(yàn),并采用上述計(jì)算方法推求淤泥土層的強(qiáng)度參數(shù)。

勘察單位共完成了6個(gè)十字板剪切試驗(yàn)(沿基坑邊布置),測試深度為15 m,每米設(shè)1個(gè)測點(diǎn),共90個(gè)測點(diǎn)。以各點(diǎn)位的峰值抗剪強(qiáng)度作為縱坐標(biāo),深度為橫坐標(biāo)繪出各點(diǎn),然后線性擬合,得到擬合方程,結(jié)果如圖2～7所示。

得到的各擬合方程的兩個(gè)參數(shù)a和b匯總見表1。

表1 各擬合方程參數(shù)匯總

將表1中的參數(shù)代入到式(2)和(3)中進(jìn)行計(jì)算,式中D為十字板的直徑,取75 mm；H為十字板的高度,取150 mm；K0為土層的側(cè)壓力系數(shù),K0=0.65；Ut為淤泥的固結(jié)度,取0.9(場地已完成真空預(yù)壓處理,卸荷時(shí)淤泥固結(jié)度為0.9)。計(jì)算結(jié)果匯總見表2。

表2 淤泥強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得到的各十字板剪切試驗(yàn)點(diǎn)位的粘聚力的平均值為21.7 kPa,最小值為20.58 kPa,內(nèi)摩擦角平均值為6.86°,最小值為6.34°。

根據(jù)楊光華著《深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)用計(jì)算方法及其應(yīng)用》一書中所述[13],廣東地區(qū)淤泥的粘聚力在4～10 kPa范圍內(nèi),內(nèi)摩擦角在4°～8°范圍內(nèi),可見,根據(jù)閆澍旺等人提出的這一方法推求的淤泥土的內(nèi)摩擦角在正常范圍內(nèi),可采用,設(shè)計(jì)時(shí)取6.0°。而粘聚力平均值為21.7 kPa,在正常范圍外,說明式(3)得到的粘聚力不合理,地勘淤泥的粘聚力建議值為7.0 kPa,在正常范圍內(nèi),較合理,可采用。

圖1 基坑支護(hù)典型剖面示意(單位：mm)

圖2 點(diǎn)位VST1的抗剪強(qiáng)度與深度關(guān)系

圖3 點(diǎn)位VST2的抗剪強(qiáng)度與深度關(guān)系

圖4 點(diǎn)位VST3的抗剪強(qiáng)度與深度關(guān)系

圖5 點(diǎn)位VST4的抗剪強(qiáng)度與深度關(guān)系

圖6 點(diǎn)位VST5的抗剪強(qiáng)度與深度關(guān)系

圖7 點(diǎn)位VST6的抗剪強(qiáng)度與深度關(guān)系

采用推算出的淤泥強(qiáng)度參數(shù),即粘聚力取7.0 kPa,內(nèi)摩擦角取6.0°用于優(yōu)化基坑支護(hù)設(shè)計(jì),典型剖面示意見圖8。優(yōu)化后的基坑支護(hù)每延米造價(jià)約為3.6萬元,節(jié)省造價(jià)超過12%,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

現(xiàn)該基坑已回填完成,整個(gè)開挖過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)正常,滿足規(guī)范要求,說明采用優(yōu)化后的淤泥參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全的,這種方法是可行的,可供類似工程參考。

圖8 優(yōu)化后基坑支護(hù)典型剖面示意(單位:mm)

3 結(jié)語

1) 由于淤泥的結(jié)構(gòu)性較強(qiáng),被擾動(dòng)后其強(qiáng)度會大幅下降,故通過常規(guī)的室內(nèi)試驗(yàn)得到的淤泥的強(qiáng)度參數(shù)一般都偏低,用于基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)偏保守。

2) 可根據(jù)十字板剪切試驗(yàn)推求淤泥土層的強(qiáng)度參數(shù),根據(jù)實(shí)際工程案例說明該方法得到的內(nèi)摩擦角較合理,說明公式(2)是可用的。

3) 根據(jù)十字板剪切試驗(yàn)推求的淤泥土層的粘聚力偏離正常范圍,不合理,說明公式(3)有不足之處,運(yùn)用時(shí)需慎重,建議結(jié)合地勘報(bào)告建議的參數(shù)綜合確定淤泥土層的粘聚力。

[1] 張玉成,楊光華,胡海英,等. 珠三角深厚軟土地區(qū)淺基坑支護(hù)若干問題探討[J].巖土工程學(xué)報(bào),2014(11)：1-11.

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(本文責(zé)任編輯 王瑞蘭)

Application of the Vane Shear Test in Excavation Engineering in Deep and Soft Soil in the Pearl River Delta

ZHU Sijun, YANG Guanghua, CHEN Fuqiang, ZHANG Yucheng

(Guangdong Research Institute of Water Resources And Hydropower; Guangdong Research Center of Geotechnical Engineering; Emergency Technical Research Centre of Guangdong Province mountain flood emergencies，Guangzhou 510635，China)

Due to the high structure, the strength of silt will substantially reduce when it's being disturbed. So the silt's strength parameter of indoor tests is often lower than the intrinsic one. Thus, resulting in over-conservative design value in foundation pit support. To solve this problem, peak shear strength measured by vane shear test to derivate the strength parameter of the silt which was proposed by YAN Shuwang and etc. It is successfully used in practical foundation pit engineering show that this way is feasible. This provides reference for similar engineering.

Vane； deep and soft soil；excavation

2016-04-02;

2016-05-27

朱思軍(1986),男,碩士,工程師,主要從事巖土設(shè)計(jì)咨詢方面的工作。

TU471.+8

B

1008-0112(2016)06-0028-06