厦门地区某基坑项目提高卵石黏聚力取值的相关探索

摘 要：卵石自身特点决定了难以测得较为准确的黏聚力指标。工程实践中往往保守取值，可能造成浪费。通过收集其他地区现场剪切试验数据，现场坑探试验和理论公式反算，对厦门地区某基坑项目提高卵石黏聚力取值的几种方法进行了探索，并将探索成果应用于实际，取得了较好的经济效益。

关键词：卵石；黏聚力；现场剪切试验；反算

中图分类号：TU411.7 " " " " " " " " " " " " " 文献标识码：A " " " " " " " " " " " " " " " " " 文章编号：2096-6903（2024）12-0108-03

0 引言

岩土界业内一般认为，卵石本身不具黏聚力。一方面其骨架空隙间往往填充了砂砾土或黏性土，受到上覆压力和自重作用就会表现出一定的“胶结力”或“似黏聚力”，另一方面在水流冲积条件下卵石粗颗粒间相互交错镶嵌亦会形成一种“咬合力”。这种“胶结力”或“咬合力”跟颗粒级配、组合关系以及充填物有关，虽有别于传统意义上岩土层的“黏聚力”，但习惯上仍称之为“黏聚力”，本文亦按此称谓表述。

由于卵石自身颗粒组成的原因，不易采取原状试样进行室内土工试验，故难以测得较为准确的黏聚力指标。在福建地区，作为岩土行业指导标准的《岩土工程勘察标准》（DBJT 13-84—2022）附录F“福建省常见土层物理力学指标”表中未提供“泥质砾卵石”和“砂砾卵石”层的抗剪强度经验指标[1]。而《建筑与市政地基基础技术标准》（DBJT13-07—2021）附录C“基坑支护设计参考指标”表中提供“砂卵（碎）石”层黏聚力在稍密状态取3～8 kPa、中密状态取3～15 kPa、密实状态取5～20 kPa[2]，参考取值的区间范围较大。说明在福建地区，关于卵石黏聚力的取值存在大量不确定性。

因此在工程实践中，为了工程安全，勘察单位一般参考此建议表保守地取小值。但抗剪强度指标、特别是黏聚力取值偏小，必将增加工程成本。特别是在基坑支护设计时，剪切强度指标直接影响了支护结构的选择、支护桩桩长、材料用量等，进而决定了经济效益。

1 工程实例

某项目场地位于福建省厦门市集美区，属冲洪积地貌。场地表部1 m左右为黏性土为主的松散素填土层，其下为厚度6 m左右的主要呈稍密状、部分中密状的卵石层。地下水埋深约3.5 m。项目下设1层地下室，基坑开挖深度约5 m。

基坑侧壁以卵石为主，坑底均为卵石层。该卵石层磨圆度较好，多呈次圆形、圆形，部分呈次棱角状，粒径多为5～7 cm，个别达10 cm以上，骨架充填物主要为黏性土及少量砂土。详细勘察时主要采用常规的钻探手段，对卵石进行了现场重探测试并取样进行颗分试验。勘察报告根据测试（试验）结果并结合经验，按常规取值提供卵石黏聚力为3 kPa，内摩擦角为35°。

基坑支护设计过程中，按此剪切指标进行初步验算，较为经济的土钉墙方案基本不可行，结合类似场地经验拟采用SWM工法桩。设计人员现场踏勘时，发现邻近项目基槽挖深2 m以上时，以卵石为主的基坑侧壁仍较稳定，于是考虑优化支护方案的可能性。

在优化过程中，设计人员对黏聚力和内摩擦角取值变化前后的整体稳定性进行了计算。结果表明：相同工况条件下，内摩擦角的增加对基坑整体稳定性的影响相对较小，而随着黏聚力C的增加，整体稳定性将大幅提高，若C值增加3 kPa，稳定性系数提高约20%～25%，说明影响支护方案的关键因素就在于卵石层的黏聚力取值。因此，勘察单位针对提高卵石黏聚力取值的几种方法进行了探索。

2 探索过程

2.1 现场剪切试验

获取卵石层抗剪强度指标最直接的手段就是进行现场直接剪切试验，该试验主要适用于现场测定岩体软弱结构面、岩石和土的接触面、滑动面、混合土、粗颗粒土、残积土的抗剪强度[1]。其试验原理与室内试验的直剪仪基本相同，由于试样的受剪面积比室内试验更大，且是在现场直接试验，能最大限度保证土样的原状性，减少扰动影响，试验数据能较准确反映试验土体的实际强度指标。

由于现场剪切试验需采用剪力盒（位移计、轴力计等）、承压板、千斤顶、反力系统等各种设备，部分设备外购时间较长，无法满足项目工期要求，本次探索未采用该手段。

据部分地区现场直剪试验的研究成果，成都地区基坑支护设计计算中建议砂卵石的抗剪强度 C取10～15 kPa[3]，兰州城区砂卵石土咬合力在7.92～49.6 kPa（标准值14.8 kPa）[4]，北京市白河流域（密云城区附近）呈中密状态的（砂质充填）卵石粘聚力可取10.18 kPa[5]。

据统计，砂质卵石黏聚力基本可达8 kPa以上，理论上泥质卵石黏聚力更大。本地区研究成果较少，但对比而言，本场地以泥质卵石为主，黏聚力在3 kPa的基础上应该有上调空间。

2.2 现场坑探试验

由于无法进行现场剪切试验，而继续采用详勘时的钻探手段结合取样测试、试验来提高卵石黏聚力取值依据不足。考虑到钻探时受孔径限制及机械扰动影响，相关的取样和测试不能完全反映卵石的真实状态，且邻近场地类似地质条件的基槽能自稳，为查明本场地卵石的成份状态和临时自稳性，勘察单位进行了现场坑探试验。

试验过程中，在基坑内侧角点附近采用机械开挖了4个探坑，探坑间距25～30 m，每个探坑平面尺寸约2 m×2 m，挖深约3 m。探坑平面位置图如图1所示。

开挖情况显示，在3 m的挖深范围内，探坑侧壁均能近乎垂直稳定（据连续观察，在无外部干扰时，基本能处于持续稳定状态），开挖面卵石充填物以黏性土为主，部分为砂砾土，未见地下水。探坑开挖情况如图2所示。

开挖后，勘察单位一方面在每个探坑代表性部位采用环刀对充填物采取原状试样6件、共24件进行室内土工试验，以确定充填物的准确名称并测试剪切强度指标。黏聚力统计结果如表1所示。另一方面安排多名经验丰富的技术员对开挖面及开挖出的近原状卵石堆积物进行编录，内容除常规的颜色、状态、成分等，主要观察卵石颗粒与充填物的“分离”速度，以及充填物自身的“散体”速度，同时亦对卵石与充填物、充填物自身进行手工“剪切”或“掰开”。通过观察，进而手工“剪切”，可粗略感受黏聚力情况。

受限于主观上经验和认识的差异，客观上“黏性”的差异，技术员的感受结果差异较大，但结合观察情况发现：该场地卵石颗粒与充填黏性土间的黏聚力约为黏性土自身的30%～50%。根据表1统计结果，充填物黏聚力标准值为16.8 kPa，可粗略估算出卵石与充填黏性土间的黏聚力约为5～8.4 kPa。

2.3 理论公式反算

坑探试验中采用环刀取样测试的充填物剪切指标较为准确，但亦受限于充填物的性质（若主要为砂质充填物，环刀法亦难以取得原状试样），而通过观察和手工“剪切”获取的“感受”成果具有太大的主观性，仅能非常粗略地反映卵石及充填物黏聚力的差异，是一种感性认识，基本无法直接作为结论使用。

经查询资料和行业专家指导，若将基坑侧壁视为临时边坡，当边坡坡面为倾斜、坡顶水平、无超载（探坑侧壁正好满足此条件）时，可以参考《建筑边坡工程技术规范》第6.2.10条所列公式初步反算土体粘聚力C值，公式如式（1）所示。

（1）

反算公式如式（2）所示。

（2）

式中，h为边坡的垂直高度，可取探坑开挖深度3 m；γ为土体重度，可取勘察报告中卵石重度建议值20 kN/m³；α'为坡面与水平面夹角，探坑近垂直开挖，可取85°；φ为内摩擦角，可取勘察报告建议值35°。θ为临界滑动面与水平面的夹角，根据该条规定条文说明：当α'=90°或倾斜边坡坡高为临界高度时，θ=（α'+φ）/2，探坑近垂直开挖，将挖深3 m视为自稳的临界高度后，θ为60°。

根据反算结果，黏聚力C值为6.57 kPa。此外，经试算，若自稳临界高度增加0.5 m，C值将提高1 kPa左右。若开挖范围内考虑地下水的作用，C值将有所下降，但基坑施工一般要求将水位降至坑底下一定深度，故在反算过程中一般可不考虑地下水的影响。

3 应用效果

综合以上探索结果，勘察单位将本项目黏聚力建议值调整为6 kPa。调整后的数值经施工图审查后，设计人员采用该值将支护方案调整为土钉（击入式锚管）墙。由于开挖揭露充填物主要为弱-微透水的黏性土，地下水治理方案也由搅拌桩止水帷幕变更为降、排水，总体上相比原来的工法桩方案节省造价近30%。该项目基坑目前已回填，施工过程中的监测数据均满足设计和规范要求，说明支护方案的合理性，也验证了本场地上调卵石黏聚力取值的安全性。

4 结束语

关于卵石层抗剪强度指标、特别是黏聚力取值须慎重，应根据不同颗粒级配、组合关系及充填物情况尽可能的挖掘黏聚力的潜力，以更准确地指导设计，安全、科学、合理的降低工程造价。

通过现场观察、感性认识和实践经验来大致判断岩土体特征仍是岩土工程师必备技能之一。因此在无充分的研究数据及深入的地区工程经验总结时，通过现场开挖后主观上的感性认识和客观的室内试验数据，结合理想化的理论公式反算，并参考其他地区经验取值和研究成果，可以辅助本地区黏聚力指标的取值。

建议主管部门和行业单位对本地区砂卵石层开展全面、系统的现场剪切试验，测试不同条件下的抗剪强度，进而形成经验数据或经验公式，以更好地指导区域内工程项目建设。

参考文献

[1] 福建省住房和城乡建设厅.DBJT 13-84-2022，岩土工程勘察标准[S].

[2] 福建省住房和城乡建设厅.DBJT13-07-2021，建筑与市政地基基础技术标准[S].

[3] 赵兵，黄荣.成都地区砂卵石的抗剪强度探讨[J].价值工程， 2011，30（18）：60-61.

[4] 鲁海涛，曹福明，滕文川.兰州城区卵石工程性质试验研究[J].城市道桥与防洪，2017，7（5）：254-258.

[5] 熊宗喜，李成旺，刘伍，等.关于卵石地层“粘聚力”的分析、探讨及原位剪切试验成果分析、验证[J].城市地质，2015， 10（S2）：6-11.