淺談濕陷性粉土基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)物理力學(xué)指標(biāo)的選擇

王曉慶

（中核第七研究設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

濕陷性黃土主要分布在我國(guó)西北的陜西、山西、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古及河南的北部等地區(qū)，分布面積廣，對(duì)我國(guó)工業(yè)民用建筑、水利、電力等各行各業(yè)的建設(shè)都產(chǎn)生了很大的影響[1]。 由于其自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，在未受水浸濕的情況下，濕陷性黃土具有強(qiáng)度高、壓縮性小、抗剪強(qiáng)度高、垂直節(jié)理發(fā)育的特點(diǎn)，這些特征決定了濕陷性黃土在較陡的坡度下依然能保持其穩(wěn)定性[2]。但是隨著近些年海綿城市的建設(shè)、工程施工用水、綠化用水和大氣降水的長(zhǎng)期影響，濕陷性黃土的含水率發(fā)生增大， 濕陷性黃土的結(jié)構(gòu)會(huì)迅速發(fā)生破壞[3]，產(chǎn)生較大的附加沉降，強(qiáng)度指標(biāo)會(huì)迅速降低，造成已開挖基坑局部變形較大甚至失穩(wěn)現(xiàn)象。 針對(duì)此現(xiàn)象，文章研究了不同含水率對(duì)濕陷性粉土的物理力學(xué)指標(biāo)的影響，對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)物理力學(xué)指標(biāo)的選擇提出建議。

1 工程概況

我公司承擔(dān)勘察設(shè)計(jì)的國(guó)家技術(shù)支持中心項(xiàng)目位于山西省晉中市榆次區(qū)烏金山鎮(zhèn)胡家灣村西南約1 km 處，于2020 年3 月完成詳細(xì)勘察工作。 擬建場(chǎng)地現(xiàn)為荒地， 場(chǎng)地地形有一定起伏， 最大高差約2.5 m，鉆孔孔口標(biāo)高介于952.89～955.37 m，場(chǎng)地地貌單元為山前黃土臺(tái)地丘陵?？辈爝^程中采用鉆探和井探相結(jié)合手段，井探主要采?、窦?jí)原狀土樣進(jìn)行濕陷性試驗(yàn)和普通試驗(yàn)，最大鉆孔深度30 m，最大探井深度17 m。 擬建工程場(chǎng)地整平標(biāo)高為952.90 m，擬建建筑物為8 層，基礎(chǔ)埋深約為6.0m，基底面積約7200 m2（120 m×60 m），擬采用筏板基礎(chǔ)，要求地基承載力為180 kPa，地下水埋深-23.5 m，地下水對(duì)工程建設(shè)影響較小。

2 實(shí)例分析

2.1 地層及試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)本次鉆孔揭露的地層情況來看，場(chǎng)地上部為①填土層，平均厚度0.5m，向下依次為②第四系全新統(tǒng)（Q4）風(fēng)積濕陷性粉土層，平均厚度12.4 m，承載力約110 kPa；③坡洪積粉質(zhì)黏土層，平均厚度7.0 m，承載力約190 kPa；④坡洪積粉質(zhì)黏土層，該層本次勘察為穿透，承載力約230 kPa。 根據(jù)地層情況看，②濕陷性粉土基主要持力層為層。

根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果，②濕陷性粉土密度為1.48 g/cm3，含水率為9.0%，孔隙比為0.994，塑限16.1，壓縮系數(shù)為0.138 MPa-1，壓縮模量為15.01 MPa，黏聚力為72.3 kPa，內(nèi)摩擦角為45o，濕陷系數(shù)平均值為0.074，自重濕陷系數(shù)為0.045，為Ⅳ級(jí)嚴(yán)重濕陷。

2.2 基坑施工方案

擬采用灰土擠密樁進(jìn)行地基處理，基坑開挖深度為6.5 m。 2020 年6 月2 日，擬建國(guó)家技術(shù)支持中心項(xiàng)目開始進(jìn)行基坑開挖， 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及其周邊環(huán)境條件，結(jié)合專家評(píng)審意見，擬建項(xiàng)目基坑支護(hù)采取分級(jí)放坡進(jìn)行開挖，第一級(jí)放坡坡度為1:0.5，坡高3.5 m，第二級(jí)放坡坡度為1:0.75，坡高3.0 m，中間過渡平臺(tái)寬1.5 m，坡面采用噴射混凝土護(hù)面，坡頂設(shè)置有截水溝。

2.3 基坑變形監(jiān)測(cè)

基坑開挖過程中，在基坑四周每隔15 m 設(shè)置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，基坑自6 月2 日開挖到6 月15 日施工完成，觀測(cè)基坑最大變形了為8 mm，滿足規(guī)范要求。

2020 年6 月29 日出現(xiàn)降雨，降雨持續(xù)3 天，雨后對(duì)基坑周邊進(jìn)行巡查和監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)基坑西北角出現(xiàn)失穩(wěn)，水平位移達(dá)到8cm，垂直位移為3 cm。 隨即對(duì)西北角進(jìn)行卸荷和1:1.5 削坡處理，局部采用鋼板樁支護(hù)。

2.4 基坑失穩(wěn)原因分析

為查找失穩(wěn)原因，在西北角開挖人工探井，采取土樣進(jìn)行分析， 通過試驗(yàn)得出，6 m 深度范圍內(nèi)的濕陷性黃土密度為1.70 g/cm3，含水率為17.1%，孔隙比為0.953，塑限16.2，壓縮系數(shù)為0.239 MPa-1，壓縮模量為8.78 MPa，黏聚力為22.3 kPa，內(nèi)摩擦角為21o，濕陷系數(shù)平均值為0.033，自重濕陷系數(shù)為0.021。 與原試驗(yàn)參數(shù)相比，6 m 深度范圍內(nèi)濕陷性土的密度和含水率明顯增大，土的壓縮模量、黏聚力及內(nèi)摩擦角顯著下降， 濕陷性土的物理力學(xué)參數(shù)的顯著變化，造成基坑穩(wěn)定性發(fā)生改變。

通過分析場(chǎng)地西北角整體地勢(shì)較低， 施工中為保護(hù)環(huán)境的防塵用水時(shí)有在此聚集情況， 加之長(zhǎng)時(shí)間大氣降水，排水不暢，導(dǎo)致雨水聚集，水的下滲改變了原有濕陷性土的物理力學(xué)性質(zhì)[4]，造成本次基坑局部失穩(wěn)。 這也說明基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇天然狀態(tài)下濕陷性粉土的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)是不安全的。

3 不同含水率時(shí)黃土的物理力學(xué)參數(shù)

為了進(jìn)一步研究濕陷性粉土物理力學(xué)指標(biāo)，為后期基坑支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，特在擬建場(chǎng)地附近開挖人工探井，每延米采取多個(gè)探井土樣，對(duì)個(gè)別土樣進(jìn)行增濕，分別測(cè)定不同含水率情況下，濕陷性粉土的物理力學(xué)指標(biāo)，具體對(duì)比如表所示。

表1 不同含水率情況下濕陷性粉土的物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比

表1 中，土樣1 為天然原狀樣，土樣2～5 是增濕不同含水率情況下的實(shí)樣。 通過試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率增大時(shí)，濕陷性粉土的密度和壓縮系數(shù)增大，壓縮模量、內(nèi)摩擦角和黏聚力均顯著降低。 當(dāng)含水率大于塑限后，含水率變化對(duì)濕陷性粉土的物理力學(xué)參數(shù)影響將明顯減小；當(dāng)含水率接近液限時(shí)濕陷性粉土的結(jié)構(gòu)徹底發(fā)生破壞，試驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)不具有代表性。 綜合分析，為保證基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全，對(duì)于濕陷性粉土，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)采用天然狀態(tài)下物理力學(xué)指標(biāo)，宜選擇增濕后塑限含水率狀態(tài)下的物理力學(xué)指標(biāo)。

4 結(jié)論

（1）基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇天然狀態(tài)下濕陷性粉土的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)是不安全的。

（2）當(dāng)含水率增大時(shí)，濕陷性粉土的密度和壓縮系數(shù)增大，壓縮模量、內(nèi)摩擦角和黏聚力均顯著降低。當(dāng)含水率大于塑限后，含水率變化對(duì)濕陷性粉土的物理力學(xué)參數(shù)影響將明顯減?。划?dāng)含水率接近液限時(shí)濕陷性粉土的結(jié)構(gòu)徹底發(fā)生破壞，試驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)不具有代表性。

（3）為保證基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全，對(duì)于濕陷性粉土， 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)采用天然狀態(tài)下物理力學(xué)指標(biāo)，宜選擇增濕后塑限含水率狀態(tài)下的物理力學(xué)指標(biāo)。