基坑支護設計中土粘聚力和內摩擦角參數選用的探討

陳克用

(福建眾合開發建筑設計院 福建福州 350004)

1 問題提出

土是巖石碎屑或礦物大小顆粒構成的松軟集合體。它具有散粒性、多相性、自然變異性，這也決定了我們工程土力學分析的復雜多變性。在基坑支護設計中，我們對土力學參數的取值不同，其計算結果也差異很大，這對基坑工程的合理設計將帶來很大偏差，參數取值過大，給工程安全將帶來很大隱患，參數取值過小，給工程帶來很大經濟上的浪費。所以，我們必須了解土各種實驗抗剪指標含義以及其相應適用范圍，參數合理的選用，才是設計安全經濟基坑工程關鍵環節。

基坑支護土壓力計算中，土的抗剪強度指標粘聚力(c)和內摩擦角(φ)是最關鍵、最基本的重要參數，它是表達土體抗剪強度的指標，是土體自身特有性質。土的抗剪強度指標受土的排水條件、應力歷史、應力路徑、原始狀態等因素影響，考慮不同工程特性和受力狀態，應采用不同的試驗方法，由于其指標隨排水條件、固結條件和試驗方法不同結果差異也很大。通常在室內試驗中，用直剪試驗(如圖1)和三軸試驗(如圖2)來測定土的抗剪強度指標。在室外試驗中，對均質飽和軟粘土，也可以用原位測試-十字板試驗測定。

圖1 直剪試驗

圖2 三軸試驗

由于儀器構造局限，直剪實驗無法做到真實控制試樣的排水條件，但為了實際工程中不同的排水條件與直剪實驗狀態盡量吻合，通常通過加載速率的快和慢近似模擬不排水和排水，所以就產生了直剪快剪(q)、固結快剪(cq)和慢剪(s)三種直剪實驗。而三軸壓縮試驗則是在軸對稱極限平衡理論基礎上的一種土工試驗，能夠合理控制排水條件以及測量土樣中孔隙水壓力的變化。通過控制土樣周圍壓力作用下固結條件和排水條件，也可產生三種三軸實驗方法:不固結不排水(UU)，固結不排水(CU)，固結排水(CD)。由此，我們可以看出直剪實驗的快剪、固結快剪、慢剪分別相當于三軸的不固結不排水、固結不排水、固結排水三種試驗，它們是一一對應關系但又不能等同，畢竟兩套實驗系統有各自的優缺點和適用性，結果也有比較大的差異，我們應充分理解實驗原理并根據不同情況合理使用其試驗結果。

直剪試驗設備簡單，試驗操作方便、土樣制備以及成本低，一直被國內一般工程廣泛采用，但是直剪試驗剪切面被限定在上下盒間的平面，剪切破壞面不是發生在土樣最薄弱的面;應力在剪切面上分布不均，豎向荷載產生偏差;實驗盒子沙粒嵌入;直剪儀中的土樣無法封閉試驗本身特性，土樣在承受法向應力或剪應力時，不管剪切速度多快，環刀之間的縫隙和土樣總會有孔隙水流失，無法測定真正的不排水條件狀態下的強度，這使快剪試驗的結果數據離散性較大，而且內摩擦角數值也往往偏大;以及剪切過程中土樣面積縮小，而計算仍按原截面計入等這些不利因素都導致試驗結果不準確性。而三軸實驗中應力狀態比較明確，剪切破壞時破裂面發生在土樣最薄弱處，其試驗結果是比較可靠的，也是為工程界所認可的。

在實際基坑工程開挖過程中，力學模型是土體豎向力保持不變，側向卸載，側壓力降低，墻后土體剪應力逐漸生成，隨土體卸載、地下水下降，土體產生固結。由于基坑開挖施工較快，對于砂性土，滲透性強，排水明顯，基坑側壁土體產生排水剪切;對于粘性土，由于超空隙水壓力來不及消散，實際是一個不排水剪切過程。所以我們要根據基坑邊界條件和加載、卸載條件合理選用參數。

2 各地規范對土力學強度指標的理解應用

根據《建筑基坑支護技術規程》JGJ120-2012，主要將土分成粘性土和砂性土兩大類。粘性土采用三軸固結不排水或直剪固結快剪，但現有工程部分地勘報告有直剪固結快剪指標而沒有三軸固結不排水，這可能與工程工期和成本有一定關系，作為設計人員可以采用固結快剪指標;砂性土采用有效應力強度指標c＇、φ＇，雖然有效應力強度指標可以真實反映土的抗剪強度，但由于實際工程中變化復雜性以及實驗取值難度較大，所以規范提出了可采用直剪固結快剪或三軸固結不排水替代。筆者認為砂性土滲透性較大，在基坑開挖及使用過程中，對于未采取止水帷幕等相關止水措施以及坑底以下即使設置了降水井，但屬于非完整井，地下水比較容易通過砂土間空隙排出，此時使用排水剪是否更為合理;反之，可以考慮使用規范所描述的不排水剪指標(即直剪固結快剪或三軸固結不排水)。

另外本規范強調了地下水一下欠固結粘性土試驗三軸不固結不排水剪，這里設計人員很容易將淤泥以此條文套用，但三軸不固結不排水剪指標值是很低的，這也困擾了很多基坑設計人員，筆者認為淤泥也應分為超固結、正常固結和欠固結區別對待，這三種狀態淤泥在物理性質上沒有太大區別，但在力學上應該有明顯差異的。這些淤泥或淤泥質土在地質歷史上曾受到過比現在所受的有效上覆土壓力更大的豎向有效壓力即 pc＞p0，土層的超固結比 OCR＞1，這類淤泥一般埋深大于20m，其相應上覆土壓力大約為150～250kPa。而對于欠固結淤泥(pc＜p0)，先期固結壓力只有50～150kPa或甚至更小，在自重壓力下該土體仍未完成固結。在壓縮試驗中，當試驗先期固結壓力大于豎向壓力時，超固結淤泥質土的豎向變形就比欠固結淤泥質土小;當先期固結壓力小于豎向壓力時，土層所發生變形就較大，這時超固結土的壓縮模量會隨著壓力增大而變小，直至土體固結基本完成。超固結淤泥質土在固結快剪試驗中，由于土層所受先期固結壓力較大，其粘聚力則較大，甚至可高達25kPa以上，其內摩擦角卻相對很小;而欠固結淤泥質土的粘聚力一般為10kPa以內。超固結淤泥質土具有較欠固結淤泥質土具有更強的結構性和更高的靈敏度，因此在保持原有土體狀態不變時，在先期壓力之內都屬于中等壓縮性土，而一旦土體結構發生破壞，則表現為流塑性，其力學強度顯著降低。因此淤泥土層應根據實際情況，合理選用相應抗剪指標，在基坑支護設計時可節省大量的支護費用。

根據《深圳市基坑支護技術規范》SJG05-2011，總體上也是分為粘性土和砂性土，其所采用的指標與JGJ120-2012一致，但是它通過分析基坑不同整體指標來選擇土的c、φ值，針對粘性土的主動、被動土壓力計算、基坑抗傾覆計算和整體穩定、局部穩定、抗滑移最危險滑移面穿過土體為粘性土時采用固結快剪(cq)或三軸固結不排水(CU)，對砂性土采用有效應力指標;還強調了抗隆起計算應采用天然快剪、三軸不固結不排水(UU)或十字板剪切試驗，這是主要考慮抗隆起計算主要正對坑底軟弱粘性土(屬于淺層淤泥)，這些淤泥多數處于欠固結-正常固結狀態，而且坑底土也無法排水，這正好能與天然快剪、三軸不固結不排水(UU)或十字板剪切試驗模擬狀態相吻合。針對軟粘土(含水率高達70%以上的海相淤泥)認為選用直剪快剪(q)和三軸不固結不排水(UU)過于保守，給基坑設計造成過大浪費，提出了選用直剪固結快剪(cq)乘以0.75或三軸固結不排水(CU)乘以0.75參數。

根據上海市《基坑工程技術規范》J11577-2010，類似深圳規范，根據基坑計算不同的內容選用不同試驗結果參數，對土壓力和穩定性計算采用直剪固結快剪、直剪慢剪和三軸固結不排水試驗，其中土壓力計算還可以采用三軸固結排水(CD)指標;對施工速度快，排水條件差的粘性土穩定計算采用三軸不顧街不排水(UU)指標，這可以理解為含水率較高的軟粘土穩定計算，這和其他規范是一致的;但是現在工程地質勘察報告中很少提供直剪慢剪和三軸固結排水指標，這也就意味著上海規范也主要采用固結快剪和三軸固結排水指標，總體上也是與JGJ120-2012一致，但未進行詳細分析各土體工程狀態。

根據福建省《建筑地基基礎技術規范》DBJ13-07-2006，認為粘性土選用三軸固結不排水(UU)或直剪固結快剪(cq)修正指標(固結1h指標乘以0.8系數)，欠固結軟弱土和新近填土選用三軸不固結不排水(UU)或直剪快剪(q)指標，砂性土選用有效應力指標。針對深圳規范和福建規范都提出軟粘土采用固結快剪指標做相應折減后選用，筆者根據福州地區工程實踐，認為含水率較高的軟弱粘土(含水率達65%以上)考慮基坑快速開挖卸土后，土體未充分進行固結和排水就產生剪應力，也可采用直剪固結快剪(cq)修正指標(固結1h指標乘以0.8系數)，并取得了較好的工程效果。

3 工程實例應用

福州某工程地質報告提供的基坑土力學參數如下(表1):

表1 土質參數表

基坑開挖深度為4.95m，基坑采取排樁支護結合排樁頂冠梁處設一道擴孔錨桿方案(如圖3)，設計采用了上述三種指標分別進行計算(其中固結快剪乘以0.8系數。計算結果:要滿足抗傾覆穩定要求排樁嵌固深度應分別為9m(cq)，13m(q)，16m(uu)，本基坑工程最終采用了固結快剪指標乘以0.8指標的計算結果進行基坑設計實施，該基坑在實施全過程中，基坑變形均未超出報警值，基坑現已經回填。顯然，若選用直剪快剪或三軸不固結不排水強度指標進行本基坑工程計算按設計，勢必導致較大的浪費，在安全可控前提下，選用直剪固結快剪指標乘以0.8進行基坑設計是合理經濟的。

圖3 基坑剖面

4 結語

通過對各實驗原理的理解及各規范條文在工程實際中應用，得出以下結論:

(1)土力學參數指標的主要常用試驗方法:直剪試驗、三軸試驗和十字剪切板試驗。

(2)基坑支護設計對土力學參數指標的選用主要分為粘性土(包含淤泥軟粘土)和砂性土。

(3)粘性土主要可考慮選用固結快剪或三軸固結不排水，這兩種試驗指標受土體取樣影響較小，也是目前國內規范普遍采用的指標;砂性土選用有效應力指標，考慮現有地勘一般未提供該指標，設計人員可根據水下休止角試驗和標準貫入試驗實測擊數然后按經驗估算，《深圳市基坑支護技術規范》也提供了相應的參考經驗表格，如(表2)所示。

表2 N值與φ(°)值的關系

也可以根據基坑實際排水排水情況選用合適的排水剪指標。

(4)針對含水率很高的軟弱粘土(含水率達65%以上)，可采用直剪固結快剪(cq)乘以0.8系數。

[1]J11577-2010，基坑工程技術規范[S].

[2]J11577-2010，上海市基坑工程技術規范[S].

[3]SJG05-2011，深圳市基坑支護技術規范[S].

[4]DBJ13-07-200，福建省建筑地基基礎技術規范[S].

[5]工程地質手冊(2007年第四版)[M].中國建筑工業出版社.

[6]深基坑支護技術指南[M].中國建筑工業出版社.