南宁市圆砾层抗剪强度参数取值研究*

2016-12-12张世荣武凡杨涟周铮杨磊吴龙科

公路与汽运 2016年6期

张世荣，武凡，杨涟，周铮，杨磊，吴龙科

（1.南宁轨道交通集团有限公司，广西南宁 530022；2.南宁市城乡建设委员会，广西南宁 530000；3.广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西南宁 530029）

南宁市圆砾层抗剪强度参数取值研究*

张世荣1，武凡1，杨涟2，周铮3，杨磊1，吴龙科3

采用应力控制式大型直接剪切仪在南宁市5个轨道交通深基坑中进行原位试验，测得其内聚力c及内摩擦角φ，对南宁市114项轨道交通勘察报告中的强度参数建议值进行统计分析，并将其结果与已有大型动静三轴仪试验结果进行对比，为南宁市圆砾层强度参数取值提供依据。

公路；圆砾层；强度参数；内聚力；内摩擦角

南宁市处于邕江阶地中，河流冲洪积物分布范围广且发育厚度大。深基坑的开挖揭露了河流的冲洪积物，河流的冲洪积物由于形成年代较晚尚未固结，其稳定性较差，对于粒径较小的土体尚可通过室内试验测定其原状样的力学参数，但对于粒径较大的圆砾层由于其易扰动不易在室内测定其原状样的力学性能。而圆砾层分布范围广且厚度大，在已开挖的基坑中多有分布，圆砾层力学参数取值问题成为基坑支护设计中的一大难题。

国内外目前对于圆砾层强度特性的研究成果相对较少。唐开顺等采用大型三轴试验对南宁市两种不同密实程度的圆砾土力学参数进行了试验研究，但室内试验只能对圆砾层的扰动样进行测定，且在试验中由于作者对原状样筛分之后采用其他地铁站点勘察报告颗粒级配制作试验样品，试验结果与真实结果存在一定差异。张油军对南宁市轨道交通一号线沿线岩层组合模型及区划进行了研究，但对圆砾层仅做重型动力触探试验，未对圆砾层的强度特性进行研究。

地铁基坑开挖深、揭露的圆砾层面积大，为南宁市圆砾层强度特性的原位试验提供了千载难逢的好机会，此时又恰逢“南宁市基坑支护规范”编制，有必要对南宁市各地层的物理力学参数进行深入研究。该文根据南宁市勘察资料，结合现场踏勘等手段，利用地理信息系统平台软件对圆砾层发育分布特征进行研究，然后通过现场原位直剪试验对其强度特性进行研究，利用基坑连续墙位移监测资料及相关设计资料对圆砾层M值进行反演分析，为南宁市基坑支护地方规范的编制提供基础数据，为基坑支护设计提供参考。

1 南宁市地质背景

南宁市位于南宁盆地，南宁盆地地势自东北向西南倾斜，四面山丘环绕。城区范围为地形相对较平坦的邕江阶地或河流堆积准平原，地势较开阔、平坦。根据潘顺安的研究，区内发育有邕江五级阶地，二元结构保存完好，分布面积大。南宁市地层岩性较丰富，分布广泛的有第四系冲积层（岩性为淤泥、淤泥质土、黏土、粉质黏土、粉土、粉细砂、细砂、中砂、粗砂、砾砂、圆砾和卵石），第四系残积黏土、粉质黏土，新近系泥岩、粉砂岩、煤层，古近系砂岩、泥质粉砂岩、泥岩。该区的新构造运动以地壳缓慢上升、河谷下切为特征，主要表现为：在古近系组成的向斜盆地边缘及内部的断层，切割了老第三纪地层；第四纪沉积物的轻微弯曲及相伴产生的断层；第四纪以来的地壳升降、河谷下切，形成邕江两岸Ⅰ～Ⅳ级阶地。根据《中国地震动峰值加速度区划图》，该区地震动峰值加速度为0.05g，相当于地震基本烈度为Ⅵ度。

南宁盆地内的地下水总体上分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、基岩裂隙水、碳酸盐岩裂隙溶洞水四大类。

2 南宁市圆砾层力学性质分析

2.1 力学参数原位试验分析

如前所述，南宁市圆砾层发育厚度较大、埋藏

深，对于细粒土尚可在室内采用应变控制式直剪仪来测定，而圆砾土的粒径较大，不能采用应变控制式直剪仪来测定，且圆砾容易扰动不能取原状样进行试验。为了保证圆砾的结构不受扰动，拟采用原位试验测定其强度参数。南宁市圆砾层埋藏深度普遍为10～30 m，若单独进行现场原位试验则开挖费用昂贵，而目前正值南宁市进行大规模建设时期，大量建筑基坑及轨道交通基坑被揭露，鉴于此，对基坑开挖中揭露的圆砾层进行原位剪切试验。

现场原位试验采用应力控制式直接剪切仪，其剪力盒为方形，长70.7 cm、高35 cm。当试验位置离连续墙较远时，采用堆载的方法提供水平及竖直方向的反力［见图1（a）］；在连续墙附近进行试验时，水平反力由连续墙提供，竖直方向则采用地锚提供反力［见图1（b）］。

图1 现场直剪试验

对南宁市轨道交通白苍岭站、朝阳广场站、金湖广场站、民族广场站、清川站圆砾层进行现场原位剪切试验，试验结果见表1。

表1 圆砾层直接剪切试验结果

从表1可看出：圆砾层内聚力平均值为2.2 k Pa，内摩擦角平均值为31.3°。分站点来看，朝阳广场站圆砾层的内聚力为2.0～6.8 kPa，内摩擦角为31.0°～34.2°；金湖广场站圆砾层的内聚力为0～0.2 k Pa，内摩擦角为28.7°～30.0°；民族广场站圆砾层的内聚力为零，内摩擦角为27°～29.5°；白苍岭站圆砾层的内聚力为6.7 k Pa，内摩擦角为31.0°；清川站圆砾层的内聚力为零，内摩擦角为36.9°。

2.2 力学参数建议值统计分析

岩土体物理力学参数建议值是工程建设人员通过室内试验、现场原位试验及工程类比等得出的，具有一定的代表性。收集南宁市114项轨道交通1、2、3号线工程勘察报告中岩土体物理力学建议值中的强度参数进行统计分析，可较好地反映圆砾层强度大小。圆砾层力学参数建议值统计结果见表2，内摩擦角频率分布见图2。

表2 圆砾层力学参数建议值统计结果

图2 圆砾层内摩擦角φ频率分布直方图

从表2、图2可看出：圆砾层内聚力建议值除个别值非零外，其余均为零，说明圆砾层不含黏粒或仅含极少量黏粒；内摩擦角φ的分布较集中，其中30°～36°分布较多，34°～36°最为集中，共有40个建设项目的圆砾层内摩擦角为34°～36°。

2.3 力学参数对比分析

唐开顺等采用TAJ-2000大型动静三轴仪对南宁市白沙大桥北岸节点交通整治工程的圆砾土体进行了试验，将其试验结果与上述圆砾层原位剪切试验结果及轨道交通勘察报告中建议值统计分析结果进行比较，结果见表3。

表3 圆砾层强度参数对比分析

从表3可看出：通过原位试验得出的中等密实圆砾层内聚力为0～6.7 k Pa，内摩擦角为27°～31.0°；大三轴试验得出的中等密实圆砾层内聚力为零，内摩擦角为41.0°，大三轴试验得出的中等密实圆砾层内摩擦角较大。通过原位试验得出的密实圆砾层内聚力为0～6.8 k Pa，内摩擦角为29.5°～36.9°；大三轴试验得出的密实圆砾层内聚力为零，内摩擦角为45.0°，大三轴试验得出的密实圆砾层内摩擦角较大。勘察报告中内聚力平均值为0.3 kPa，内摩擦角为32.5°。整体上圆砾层密实程度越高，内摩擦角越大，主要是由于圆砾层越密实，土的接触点增加，土体之间的连接增强，土的内摩擦角增大。在进行大三轴试验时，由于环向围岩的存在，土体被挤密，空隙比减小，内摩擦角增大，得出的内摩擦角比原位试验得出的大。

通过查阅相关文献，得出南宁市圆砾层强度指标经验值见表4。

表4 南宁市圆砾层强度指标经验值

从表4可见，圆砾层强度指标经验值比现场原位试验中强度值小。这是由于原位试验中圆砾层未受扰动，而表4中圆砾层均受不同程度的扰动，导致其强度降低。

3 结论

（1）通过现场原位剪切试验得出的圆砾层内聚力为0～6.8 k Pa，内摩擦角为27.0°～36.9°；大型三轴试验得出的内聚力为零，内摩擦角为41°～45°；勘察报告建议的内聚力平均值为0.3 k Pa，内摩擦角平均值为32.5°。工程实践中强度参数应根据围压大小、支护结构形式、地质条件等因素综合确定。

（2）随着圆砾密实程度的增加，其强度参数不断提高，这主要是由于圆砾密实程度增加，圆砾之间的接触面积增大，强度参数增加。

（3）大型三轴试验得出的圆砾层强度参数较高，比现场原位试验所得结果高4°～14°，其原因主要是大三轴试验过程中围压的存在增加了圆砾之间的接触点。

（4）现场原位试验所得强度参数比南宁市圆砾层强度参数经验取值大，这是由于原位试验试样结构保存较完整，其强度值较大。

［1］唐开顺，谢雄耀，杨磊.圆砾土大型三轴试验力学特性研究［J］.地下空间与工程学报，2014，10（3）.

［2］张油军.南宁市轨道交通一号线沿线岩层组合模型及区划研究［D］.南宁：广西大学，2012.

［3］潘顺安.南宁市新构造运动特征及其意义［J］.广西地质，2000，13（1）.

［4］韦漠，苏力才，梁官华，等.广西地矿局科技业务楼深基坑施工实例［J］.探矿工程：岩土钻掘工程，2006（8）.

［5］吴金娜.基于南宁盆地地层组合的高层建筑地基—基础（短桩）的共同作用分析［D］.南宁：广西大学，2007.

［6］麦颖.南宁地下连续墙设计与实测对比研究：以西关广场深基坑工程为例［D］.南宁：广西大学，2012.［7］黄钟晖，杨磊.圆砾层地区基坑围护选型及稳定性分项系数统计分析［J］.工程地质学报，2013，21（3）.

［8］周光孔.桩端为坚实岩土层的群桩承载力［J］.广西土木建筑，1997（2）.

［9］余宏明，胡艳欣，唐辉明.红色泥岩风化含砾粘土的抗剪强度参数与物理性质相关性研究［J］.地质科技情报，2002，21（4）.

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