基坑支护设计中土粘聚力和内摩擦角参数选用的探讨

2015-12-11陈克用

福建建筑 2015年9期

陈克用

(福建众合开发建筑设计院福建福州 350004)

1 问题提出

土是岩石碎屑或矿物大小颗粒构成的松软集合体。它具有散粒性、多相性、自然变异性，这也决定了我们工程土力学分析的复杂多变性。在基坑支护设计中，我们对土力学参数的取值不同，其计算结果也差异很大，这对基坑工程的合理设计将带来很大偏差，参数取值过大，给工程安全将带来很大隐患，参数取值过小，给工程带来很大经济上的浪费。所以，我们必须了解土各种实验抗剪指标含义以及其相应适用范围，参数合理的选用，才是设计安全经济基坑工程关键环节。

基坑支护土压力计算中，土的抗剪强度指标粘聚力(c)和内摩擦角(φ)是最关键、最基本的重要参数，它是表达土体抗剪强度的指标，是土体自身特有性质。土的抗剪强度指标受土的排水条件、应力历史、应力路径、原始状态等因素影响，考虑不同工程特性和受力状态，应采用不同的试验方法，由于其指标随排水条件、固结条件和试验方法不同结果差异也很大。通常在室内试验中，用直剪试验(如图1)和三轴试验(如图2)来测定土的抗剪强度指标。在室外试验中，对均质饱和软粘土，也可以用原位测试-十字板试验测定。

图1 直剪试验

图2 三轴试验

由于仪器构造局限，直剪实验无法做到真实控制试样的排水条件，但为了实际工程中不同的排水条件与直剪实验状态尽量吻合，通常通过加载速率的快和慢近似模拟不排水和排水，所以就产生了直剪快剪(q)、固结快剪(cq)和慢剪(s)三种直剪实验。而三轴压缩试验则是在轴对称极限平衡理论基础上的一种土工试验，能够合理控制排水条件以及测量土样中孔隙水压力的变化。通过控制土样周围压力作用下固结条件和排水条件，也可产生三种三轴实验方法:不固结不排水(UU)，固结不排水(CU)，固结排水(CD)。由此，我们可以看出直剪实验的快剪、固结快剪、慢剪分别相当于三轴的不固结不排水、固结不排水、固结排水三种试验，它们是一一对应关系但又不能等同，毕竟两套实验系统有各自的优缺点和适用性，结果也有比较大的差异，我们应充分理解实验原理并根据不同情况合理使用其试验结果。

直剪试验设备简单，试验操作方便、土样制备以及成本低，一直被国内一般工程广泛采用，但是直剪试验剪切面被限定在上下盒间的平面，剪切破坏面不是发生在土样最薄弱的面;应力在剪切面上分布不均，竖向荷载产生偏差;实验盒子沙粒嵌入;直剪仪中的土样无法封闭试验本身特性，土样在承受法向应力或剪应力时，不管剪切速度多快，环刀之间的缝隙和土样总会有孔隙水流失，无法测定真正的不排水条件状态下的强度，这使快剪试验的结果数据离散性较大，而且内摩擦角数值也往往偏大;以及剪切过程中土样面积缩小，而计算仍按原截面计入等这些不利因素都导致试验结果不准确性。而三轴实验中应力状态比较明确，剪切破坏时破裂面发生在土样最薄弱处，其试验结果是比较可靠的，也是为工程界所认可的。

在实际基坑工程开挖过程中，力学模型是土体竖向力保持不变，侧向卸载，侧压力降低，墙后土体剪应力逐渐生成，随土体卸载、地下水下降，土体产生固结。由于基坑开挖施工较快，对于砂性土，渗透性强，排水明显，基坑侧壁土体产生排水剪切;对于粘性土，由于超空隙水压力来不及消散，实际是一个不排水剪切过程。所以我们要根据基坑边界条件和加载、卸载条件合理选用参数。

2 各地规范对土力学强度指标的理解应用

根据《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012，主要将土分成粘性土和砂性土两大类。粘性土采用三轴固结不排水或直剪固结快剪，但现有工程部分地勘报告有直剪固结快剪指标而没有三轴固结不排水，这可能与工程工期和成本有一定关系，作为设计人员可以采用固结快剪指标;砂性土采用有效应力强度指标c＇、φ＇，虽然有效应力强度指标可以真实反映土的抗剪强度，但由于实际工程中变化复杂性以及实验取值难度较大，所以规范提出了可采用直剪固结快剪或三轴固结不排水替代。笔者认为砂性土渗透性较大，在基坑开挖及使用过程中，对于未采取止水帷幕等相关止水措施以及坑底以下即使设置了降水井，但属于非完整井，地下水比较容易通过砂土间空隙排出，此时使用排水剪是否更为合理;反之，可以考虑使用规范所描述的不排水剪指标(即直剪固结快剪或三轴固结不排水)。

另外本规范强调了地下水一下欠固结粘性土试验三轴不固结不排水剪，这里设计人员很容易将淤泥以此条文套用，但三轴不固结不排水剪指标值是很低的，这也困扰了很多基坑设计人员，笔者认为淤泥也应分为超固结、正常固结和欠固结区别对待，这三种状态淤泥在物理性质上没有太大区别，但在力学上应该有明显差异的。这些淤泥或淤泥质土在地质历史上曾受到过比现在所受的有效上覆土压力更大的竖向有效压力即 pc＞p0，土层的超固结比 OCR＞1，这类淤泥一般埋深大于20m，其相应上覆土压力大约为150～250kPa。而对于欠固结淤泥(pc＜p0)，先期固结压力只有50～150kPa或甚至更小，在自重压力下该土体仍未完成固结。在压缩试验中，当试验先期固结压力大于竖向压力时，超固结淤泥质土的竖向变形就比欠固结淤泥质土小;当先期固结压力小于竖向压力时，土层所发生变形就较大，这时超固结土的压缩模量会随着压力增大而变小，直至土体固结基本完成。超固结淤泥质土在固结快剪试验中，由于土层所受先期固结压力较大，其粘聚力则较大，甚至可高达25kPa以上，其内摩擦角却相对很小;而欠固结淤泥质土的粘聚力一般为10kPa以内。超固结淤泥质土具有较欠固结淤泥质土具有更强的结构性和更高的灵敏度，因此在保持原有土体状态不变时，在先期压力之内都属于中等压缩性土，而一旦土体结构发生破坏，则表现为流塑性，其力学强度显著降低。因此淤泥土层应根据实际情况，合理选用相应抗剪指标，在基坑支护设计时可节省大量的支护费用。

根据《深圳市基坑支护技术规范》SJG05-2011，总体上也是分为粘性土和砂性土，其所采用的指标与JGJ120-2012一致，但是它通过分析基坑不同整体指标来选择土的c、φ值，针对粘性土的主动、被动土压力计算、基坑抗倾覆计算和整体稳定、局部稳定、抗滑移最危险滑移面穿过土体为粘性土时采用固结快剪(cq)或三轴固结不排水(CU)，对砂性土采用有效应力指标;还强调了抗隆起计算应采用天然快剪、三轴不固结不排水(UU)或十字板剪切试验，这是主要考虑抗隆起计算主要正对坑底软弱粘性土(属于浅层淤泥)，这些淤泥多数处于欠固结-正常固结状态，而且坑底土也无法排水，这正好能与天然快剪、三轴不固结不排水(UU)或十字板剪切试验模拟状态相吻合。针对软粘土(含水率高达70%以上的海相淤泥)认为选用直剪快剪(q)和三轴不固结不排水(UU)过于保守，给基坑设计造成过大浪费，提出了选用直剪固结快剪(cq)乘以0.75或三轴固结不排水(CU)乘以0.75参数。

根据上海市《基坑工程技术规范》J11577-2010，类似深圳规范，根据基坑计算不同的内容选用不同试验结果参数，对土压力和稳定性计算采用直剪固结快剪、直剪慢剪和三轴固结不排水试验，其中土压力计算还可以采用三轴固结排水(CD)指标;对施工速度快，排水条件差的粘性土稳定计算采用三轴不顾街不排水(UU)指标，这可以理解为含水率较高的软粘土稳定计算，这和其他规范是一致的;但是现在工程地质勘察报告中很少提供直剪慢剪和三轴固结排水指标，这也就意味着上海规范也主要采用固结快剪和三轴固结排水指标，总体上也是与JGJ120-2012一致，但未进行详细分析各土体工程状态。

根据福建省《建筑地基基础技术规范》DBJ13-07-2006，认为粘性土选用三轴固结不排水(UU)或直剪固结快剪(cq)修正指标(固结1h指标乘以0.8系数)，欠固结软弱土和新近填土选用三轴不固结不排水(UU)或直剪快剪(q)指标，砂性土选用有效应力指标。针对深圳规范和福建规范都提出软粘土采用固结快剪指标做相应折减后选用，笔者根据福州地区工程实践，认为含水率较高的软弱粘土(含水率达65%以上)考虑基坑快速开挖卸土后，土体未充分进行固结和排水就产生剪应力，也可采用直剪固结快剪(cq)修正指标(固结1h指标乘以0.8系数)，并取得了较好的工程效果。

3 工程实例应用

福州某工程地质报告提供的基坑土力学参数如下(表1):

表1 土质参数表

基坑开挖深度为4.95m，基坑采取排桩支护结合排桩顶冠梁处设一道扩孔锚杆方案(如图3)，设计采用了上述三种指标分别进行计算(其中固结快剪乘以0.8系数。计算结果:要满足抗倾覆稳定要求排桩嵌固深度应分别为9m(cq)，13m(q)，16m(uu)，本基坑工程最终采用了固结快剪指标乘以0.8指标的计算结果进行基坑设计实施，该基坑在实施全过程中，基坑变形均未超出报警值，基坑现已经回填。显然，若选用直剪快剪或三轴不固结不排水强度指标进行本基坑工程计算按设计，势必导致较大的浪费，在安全可控前提下，选用直剪固结快剪指标乘以0.8进行基坑设计是合理经济的。

图3 基坑剖面

4 结语

通过对各实验原理的理解及各规范条文在工程实际中应用，得出以下结论:

(1)土力学参数指标的主要常用试验方法:直剪试验、三轴试验和十字剪切板试验。

(2)基坑支护设计对土力学参数指标的选用主要分为粘性土(包含淤泥软粘土)和砂性土。

(3)粘性土主要可考虑选用固结快剪或三轴固结不排水，这两种试验指标受土体取样影响较小，也是目前国内规范普遍采用的指标;砂性土选用有效应力指标，考虑现有地勘一般未提供该指标，设计人员可根据水下休止角试验和标准贯入试验实测击数然后按经验估算，《深圳市基坑支护技术规范》也提供了相应的参考经验表格，如(表2)所示。