雜填土場地基坑支護抗剪強度指標的研究

馬偉召

雜填土場地基坑支護抗剪強度指標的研究

馬偉召

Za tian tu chang di ji keng zhi hu kang jian qiang du zhi biao de yan jiu

對于支護土體為雜填土的深大基坑而言，如何對雜填土的性質特別是抗剪強度指標進行評價，做到基坑支護方案的合理設計、對周圍空間的合理利用，確保施工技術的可行性等方面尤為重要。

土的抗剪強度指土對剪切破壞的極限抵抗能力，在土力學中，采用摩爾-庫侖強度準則，用粘聚力和內摩擦角兩個指標描述土的抗剪強度規(guī)律。粘聚力包括土粒間分子引力形成的原始粘聚力和土中化合物的膠結作用形成的固化粘聚力。內摩擦力是顆粒與顆粒接觸面的表面摩擦力以及顆粒之間的相互嵌入和聯(lián)鎖作用的咬合力。

影響土的抗剪強度的因素主要為土的組成、狀態(tài)和結構、排水條件，以及形成環(huán)境和應力歷史等。

（1）土粒的礦物成分、形狀、顆粒大小與級配。土顆粒表面越粗糙，形狀越不規(guī)則，內摩擦角就越大。

（2）土的密度。土的初始密度越大，土粒間接觸較緊，表面摩擦力和咬合力也越大。

（3）含水量。土中含水量大時，會降低土粒表面的摩擦力，結合水膜加厚，內摩擦角和粘聚力降低。

（4）土體結構的擾動情況。粘性土的天然結構如果被破壞，其抗剪強度就會明顯下降。

（5）孔隙水壓力的影響。作用于試樣剪切面上總應力等于有效應力與孔隙水壓力之和，孔隙水壓力對于土的抗剪強度沒有任何作用，只有作用在土的顆粒骨架上的有效應力，才能產(chǎn)生土的內摩擦強度。

一、工程概況

1.工程概況

工程項目包括20層、23層辦公樓各一棟，地下層數(shù)為2層，主樓周圍為2層地下車庫。擬建場地南北長約297m，東西寬約75m?；A埋深為±0以下12.4～14.90m，基底標高為139.40～147.20m。

2.場地地質條件

擬建場地范圍內及周邊場地下均分布有填土。項目場地下填土層底埋深為26.0～33.2m，層底標高為124.13～133.93m。根據(jù)場地填土成分、密實程度等因素的差異可將其分為以下二類：

第一類：雜填土,以建筑垃圾為主，充填土主要為粉土，含磚瓦塊、石子、混凝土塊（少量混凝土塊含鋼筋）、混凝土樁樁頭等建筑垃圾及少量生活垃圾。重型圓錐動力觸探試驗N63.5為2～21擊，標準值為9擊；

第二類：素填土，以粉土為主，土體約占60%～95%，偶見磚瓦塊、石子、混凝土塊等建筑垃圾及塑料袋、碎布、腐殖質等生活垃圾，重型圓錐動力觸探試驗N63.5為2～14擊，標準值為6擊。

現(xiàn)場填土從堆填方式、組成成分、分布特征及工程性質等方面，均表現(xiàn)出一定的復雜性和不均勻性，主要表現(xiàn)為：

（1）堆填方式：采用坡頂傾倒、平面堆積等方式形成。

（2）組成成分：填土成分復雜，有素土的顆粒，碎磚、石塊、樓板、樁頭等混凝土塊，以及生活垃圾。

（3）分布特征：由于堆填方式和堆填材料的不同，造成填土層平面分布和深度方向（厚度）極不均勻。

（4）工程性質：結構松散、密實度不一致，各項指標如干重度、強度、壓縮性等一般具有較大的離散性，而含大量磚塊的雜填土，常有較大空隙，且充填程度不一，具有較大濕陷性和自重壓密性。

3.基坑支護設計的需要

土的抗剪強度主要依靠室內試驗和原位測試確定。在室內試驗中，可以通過直剪試驗或三軸試驗來測定土的抗剪強度指標；原位測試時，對粗粒土應采用大尺寸的儀器或現(xiàn)場大型直剪試驗測定。

本項目填土既不同于一般的碎裂巖體，又有別于一般的均質土體，從某種程度來講類似于介于二者之間的碎石土。雜填土現(xiàn)場取原狀土樣困難，同時受室內試驗設備和方法的局限，填土的抗剪強度指標難以通過室內試驗來準確得到，即使可通過加大儀器尺寸來盡量模擬實際粒徑分布狀況，但重塑試樣的室內剪切試驗結果與現(xiàn)場原狀試樣相比也會存在誤差。為了給基坑支護設計提供更有效的依據(jù)，只有通過現(xiàn)場原位剪切試驗就填土的抗剪強度指標進行測定。

二、試驗方案

1.本項目抗剪強度指標的測定方法

針對填土的特性，比較了野外大型直剪試驗和水平推剪試驗的適用條件，前者對試驗體、設備和試驗條件要求較高，擬在素填土中采用；后者試驗相對簡單，適合粒徑較大的碎石土，與以建筑垃圾為主的雜填土相類似，可以在雜填土中采用。

2.試驗數(shù)量

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，同時結合不同剪切試驗方法的適用范圍，擬對顆粒相對較大的雜填土，采用9組（每組1個試驗）現(xiàn)場水平推剪試驗；對顆粒相對較小的素填土，采用6組（每組3個試驗，試驗軸向荷載分別為100kPa、200kPa和300kPa）現(xiàn)場直剪試驗。

三、數(shù)據(jù)處理分析

1.現(xiàn)場直剪試驗結果

本次現(xiàn)場直剪試驗數(shù)據(jù)處理采用《巖土體現(xiàn)場直剪試驗規(guī)程》HGT/T 20693推薦的方法，步驟如下：

（1）抗剪強度的取值，以剪應力為縱坐標，剪切變形為橫坐標，繪制剪應力與剪切變形關系曲線圖，取曲線上剪應力的峰值為抗剪強度。當剪應力與剪切變形關系曲線上無明顯峰值時，取剪切變形量為試樣直徑（或邊長）1/10處的剪應力作為抗剪強度。

（2）粘聚力及內摩擦角的確定采用圖解法，以抗剪強度為縱坐標，垂直壓力為橫坐標，繪制抗剪強度與垂直壓力關系曲線，直線在縱坐標上的截距為粘聚力，直線的傾角為內摩擦角。

根據(jù)6組現(xiàn)場直剪試驗數(shù)據(jù)分析結果，粘聚力數(shù)值離散性較大，具體數(shù)值介于5.45～62.61kPa；內摩擦角離散性相對較小，具體數(shù)值介于12.99°～23.04°，標準值為15.89°。

2.現(xiàn)場水平推剪試驗結果

從計算方法與現(xiàn)場實際土質條件相近程度分析，本次資料整理采用《巖土工程手冊》推薦的方法。該法對粘聚力較小的碎石土試驗結果較好，同時受試坑深度限制較小，比較適合用于本次水平推剪試驗。

根據(jù)9組現(xiàn)場水平推剪試驗數(shù)據(jù)分析結果，粘聚力數(shù)值介于0.52～4.81kPa，標準值為1.89kPa；內摩擦角數(shù)值介于49.29°～68.56°，標準值為55.05°。

考慮到現(xiàn)場實際土體的復雜性，綜合分析與被試驗土體的差異性，當考慮安全系數(shù)為2時，粘聚力數(shù)值介于0.26～2.40kPa，標準值為0.94kPa；內摩擦角數(shù)值介于30.16°～51.98°，標準值為35.94°。

四、設計、檢測及施工監(jiān)測情況

1.基坑設計及檢測情況

本項目基坑支護設計頂標高158～162m，坑深12.5～16.5m，基坑支護采用上部放坡、下部排樁+全粘結錨桿支護體系。雜填土的剪切指標采用c=1kPa，φ=36o；素填土的剪切指標采用c=10kPa，φ=18o進行方案設計計算。

全粘結錨桿設計傾角15o，孔徑180mm，長度21～30m，施工采用二次壓力注漿技術，水泥用量不少于120kg/m，注漿壓力不小于1.5MPa。根據(jù)3根全粘結錨桿承載力基本試驗結果，錨桿最大上拔量23.24～29.51mm，極限承載力為405kN（未破壞），與設計軸向拉力標準值220kN的比值為1.84，能夠滿足抗拔安全系數(shù)1.8的要求。根據(jù)3根全粘結錨桿的蠕變試驗結果，在最大加載量為405kN時，蠕變率（mm/對數(shù)周期）為1.36～1.46，均小于2.0mm/對數(shù)周期，滿足規(guī)范要求。

2.已施工并回填完成基坑的反分析

本項目北側地塊支護土體同為填土，基坑支護設計與施工在本次現(xiàn)場剪切試驗之前已經(jīng)完成，該地塊基坑支護頂標高156m左右，坑深19.6m，采用上部放坡、下部分級雙排樁支護體系，混凝土排樁設計樁徑1.2m，樁間距2.0m，外排樁長20.5m，內排樁長27.0m。設計時填土的綜合剪切指標采用c=12kPa，φ=18o。

根據(jù)上述設計和實施后基坑監(jiān)測得到的實際樁頂水平位移、坡頂豎向位移觀測資料，結合假定的不同剪切指標反算樁頂水平位移、坡頂豎向位移及整體安全系數(shù)對比如下表：

已施工并回填完成基坑的反分析結果表

五、試驗結果與工程應用結果對比分析

1.試驗結果與理論對比分析

（1）現(xiàn)場水平推剪試驗過程中，在對試驗土體開始加荷時，土體前端首先出現(xiàn)輕微隆起，隨著水平推力的不斷增加，后部開始出現(xiàn)裂縫，裂縫沿兩側擴散，土體前沿裂縫開始產(chǎn)生并擴大，最后貫通滑面，土體呈崩潰松散狀態(tài)，基本符合粗顆粒土推剪試驗的發(fā)展過程。雜填土基本屬于純摩擦材料，抗剪強度主要有顆粒間的摩擦力組成，土的顆粒表面粗糙，形狀較不規(guī)則，內摩擦角值就較大，隨著粗顆粒的增加其內摩擦角呈明顯增大趨勢，而黏聚力隨著粗顆粒的增加呈現(xiàn)降低趨勢。水平推剪試驗結果c=1.89kPa，φ=55.05o也基本符合粗顆粒土的剪切指標理論，黏聚力較低，而內摩擦角較高。

（2）根據(jù)現(xiàn)場直剪試驗結果，測得的粘聚力數(shù)值相差較大，離散性大，具體數(shù)值介于5.45～62.61kPa。主要是由于素填土自身的成分、顆粒級配、密實度等不均勻決定了其試驗結果會有較大的離散性，反映了素填土土粒間的原始粘聚力大小的不均勻性；試驗測得的內摩擦角數(shù)值介于12.99°～23.04°，離散性相對較小，反映了近似大小的細顆粒組成的素填土的摩擦性質。

（3）本次試驗是在接近基坑支護頂標高的深度進行，由于土的自重壓密作用，同樣顆粒成分的填土，下部填土的密實度及力學性質應該比上部要好，因此剪切指標也會較試驗結果有適當?shù)奶岣摺?/p>

2.試驗前后采用的抗剪強度指標對比

進行試驗前，其它場區(qū)基坑支護設計時，根據(jù)工程類比經(jīng)驗，選用填土層綜合剪切指標c=12kPa，φ=18o，工程實施后，根據(jù)工程實施結果反分析認為填土層綜合剪切指標可取c=12kPa，φ=35o；進行試驗后，工程設計采用雜填土c=1kPa，φ=36o，素填土c=10kPa，φ=18o。對比以上數(shù)據(jù)，無論是本次試驗所得出的結果，還是經(jīng)過現(xiàn)場驗證后的反分析結果，均要比未進行試驗時按經(jīng)驗類比法采用的剪切指標要高出許多。因此，對于特殊性土抗剪強度指標的取值問題，基坑支護設計前采用現(xiàn)場試驗很有必要。

由于雜填土的復雜性和極不均勻性，目前試驗數(shù)量還太少，難以建立與顆粒組成、密實度、重度、重型動力觸探等原位測試指標的對應關系，有待進一步積累完善資料。

（作者單位：河南省建筑設計研究院有限公司）