深厚软土抗剪强度指标分层量化对基坑支护安全的影响分析

2020-08-12张升锋

福建建筑 2020年7期

关键词：抗剪内力软土

张升锋

(1.福建省建筑科学研究院有限责任公司福建福州 350108；2.福建省绿色建筑技术重点实验室福建福州 350108)

0 引言

软土具有显著的地域性，是由其各自区域独特的地质演变历程、水体条件、沉积环境和应力历史决定，每个地区软土在微观结构、物理力学性质、固结特性等方面将表现出明显差异。

福州市区软土主要为全新世地层，成因类型为海相沉积，可分为淤泥与淤泥质土两类，具有含水量高、孔隙比大、流塑性强、压缩性高、力学强度低等典型的软土特征。其中，福州地区软土含水量可达90%以上，孔隙比可高达2.4，厚度超过40m[1]。

根据诸多学者研究[2-4]，在软土地基中，随着深度增加，土体含水率下降，密度增大，孔隙比也增大，土体的物理力学指标和固结特性亦将有一定程度提高。其中，软土抗剪强度指标随深度变化对基坑支护受力及变形产生重要影响。

为了解软土物理力学指标变化对基坑支护变形及稳定性影响，本文通过对福州地区近20个项目的软土物理力学指标统计，了解软土指标性质随深度变化规律，并分析软土抗剪强度指标对基坑变形、内力及稳定性影响。

1 软土物理力学指标变化规律

1.1 含水率和孔隙比变化

天然含水率是软土最直接的物理性质指标，对软土而言，天然含水率与孔隙比共同反映了淤泥三相体积占比关系，是反映软土固结程度的重要指标，也直接影响软土的抗剪强度指标。

通过对福州地区近20个项目的统计，得到天然含水量随深度变化规律如图1所示。

图1 含水率与取样深度的相关性

由图1可知，随着取样深度增大，软土含水率呈逐渐减少趋势，不同场地的含水率降低幅度略有不同，故统计出来的含水率所跨数值区间较大，最小含水率为40.8%，最大含水率达78.1%，存在较为明显的离散性。

统计得到的孔隙比随深度变化规律如图2所示。

图2 孔隙比与取样深度的相关性

由图2可知，随着取样深度增大，与天然含水率变化规律类似，软土孔隙比亦呈逐渐减少趋势，不同场地的孔隙比降低幅度不尽相同，其中最小孔隙比为1.12，最大孔隙比达2.22。

通过上述分析，也进一步验证了福州地区软土具有高含水率、高孔隙比特点。

1.2 抗剪强度指标变化

土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限强度，其强度指标包括粘聚力和内摩擦力，可通过抗剪强度试验进行测定。当前，基坑支护设计过程，土体的抗剪强度指标将直接影响作用在围护结构上的土压力及土体的抗力，对于基坑的稳定性也将产生显著影响[5]。

为了解软土抗剪强度指标随深度的变化规律，本研究整理了近20个项目的软土直剪快剪强度指标，具体如图3～图4所示。

图3 粘聚力与取样深度的相关性

图4 内摩擦角与取样深度的相关性

由图3～图4可知，随着取样深度的增大，软土的直剪快剪强度指标均明显增大，呈现显著的增长规律，其中粘聚力和内摩擦角增大幅度不同，具体拟合增长曲线如下式所示：

粘聚力：c=0.089d+9.183(kPa)

内摩擦角：φ=0.061d+2.637 (°)

式中c表示粘聚力，φ表示内摩擦角，d表示取样深度。

显然，统计得到的软土快剪强度指标增长规律对于基坑支护的变形及稳定性产生显著影响。

2 参数指标

为了分析抗剪强度指标沿深度变化对基坑变形及稳定性影响，本研究针对不同基坑开挖深度、分层抗剪强度指标对基坑变形、内力及稳定性的影响进行分析，具体指标如表1～表2所示。

表1 沿厚度分层后抗剪强度指标

表2 基坑计算参数

对于软土指标不分层的情况，则取1/2的围护桩长所在深度的抗剪强度指标进行计算分析。

3 抗剪强度指标分层量化对基坑支护影响

3.1 抗剪强度指标分层量化对支护结构变形影响

软土抗剪强度指标分层量化对支护结构变形的影响分析结果，如表3～表4所示。

表3 支护结构变形计算结果(h=5m)

表4 支护结构变形计算结果(h=10m)

由表3～表4可知，随着嵌固深度增大，支护结构变形基本呈现逐渐减少趋势。

当软土抗剪强度指标未进行分层量化时，土体深层水平位移最大值小于分层量化深层水平位移最大值，其因主要是未进行分层量化时，软土自上而下的抗剪强度指标均取指标平均值，提高了浅层土体抗剪强度指标，降低了深层土体抗剪强度指标，间接提高了浅层土体m值[6]，从而使得未分层量化时的支护结构变形小于分层量化所得计算结果。

这表明，对于深厚软土地基，当未进行软土指标分层量化时，低估了实际围护结构变形，使得计算所得支护结构变形偏于危险。故，深厚软土抗剪强度指标的分层量化，对确保支护结构及周边环境的安全具有重要意义。

3.2 抗剪强度指标分层量化对支护结构内力影响

软土抗剪强度指标分层量化与否，对支护结构内力影响分析结果如表5～表6所示。

表5 支护结构内力计算结果(h=5m)

表6 支护结构内力计算结果(h=10m)

由表5～表6可知，当软土的抗剪强度指标未进行分层量化时，支护结构的弯矩和剪力则小于分层量化的支护结构内力值，其因主要在于：未进行分层量化时，软土抗剪强度指标均统一取指标的平均值，在提高了浅层土体的抗剪强度指标同时，降低了深层土体的抗剪强度指标，间接提高了浅层土体的m值[6]，使得未分层量化时的支护结构内力小于分层量化计算所得内力值。

这表明，同支护结构变形结果类似，对于深厚软土地基，当未进行软土指标分层量化时，低估了实际围护结构内力值，使得计算所得支护结构内力偏于危险。故，进行软土抗剪强度指标分层量化，对确保支护结构的安全具有重要的意义。

3.3 抗剪强度指标分层量化对基坑稳定性的影响

软土抗剪强度指标分层量化对基坑整体稳定安全系数影响，如表7～表8所示。

表7 基坑整体稳定计算结果(h=5m)

表8 基坑整体稳定计算结果(h=10m)

由表7～表8可知，未进行抗剪强度分层量化时，基坑整体稳定安全系数明显低于分层量化计算结果，其因主要在于：当进行抗剪强度指标分层量化后，深层土体的抗剪强度指标随深度逐渐增大，计算所得的整体稳定安全系数亦更高。故，沿深度进行抗剪强度指标分层量化，对基坑整体稳定安全的控制有利，可更合理地反映实际基坑安全性。

对于开挖深度分别为5m和10m的基坑，在满足规范对整体稳定安全系数要求前提下，分层量化时所得支护结构嵌固深度分别为18.5m和37m；未分层量化时，所得支护结构嵌固深度分别为22m和47m。这表明，当未对深厚软土进行分层量化时，显著增大围护结构结构的嵌固深度，造成不必要浪费。