南寧市圓礫層抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值研究*

張世榮，武凡，楊漣，周錚，楊磊，吳龍科

（1.南寧軌道交通集團(tuán)有限公司，廣西南寧 530022；2.南寧市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，廣西南寧 530000；3.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧 530029）

南寧市圓礫層抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值研究*

張世榮1，武凡1，楊漣2，周錚3，楊磊1，吳龍科3

（1.南寧軌道交通集團(tuán)有限公司，廣西南寧 530022；2.南寧市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，廣西南寧 530000；3.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧 530029）

采用應(yīng)力控制式大型直接剪切儀在南寧市5個(gè)軌道交通深基坑中進(jìn)行原位試驗(yàn)，測(cè)得其內(nèi)聚力c及內(nèi)摩擦角φ，對(duì)南寧市114項(xiàng)軌道交通勘察報(bào)告中的強(qiáng)度參數(shù)建議值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并將其結(jié)果與已有大型動(dòng)靜三軸儀試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為南寧市圓礫層強(qiáng)度參數(shù)取值提供依據(jù)。

公路；圓礫層；強(qiáng)度參數(shù)；內(nèi)聚力；內(nèi)摩擦角

南寧市處于邕江階地中，河流沖洪積物分布范圍廣且發(fā)育厚度大。深基坑的開挖揭露了河流的沖洪積物，河流的沖洪積物由于形成年代較晚尚未固結(jié)，其穩(wěn)定性較差，對(duì)于粒徑較小的土體尚可通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定其原狀樣的力學(xué)參數(shù)，但對(duì)于粒徑較大的圓礫層由于其易擾動(dòng)不易在室內(nèi)測(cè)定其原狀樣的力學(xué)性能。而圓礫層分布范圍廣且厚度大，在已開挖的基坑中多有分布，圓礫層力學(xué)參數(shù)取值問題成為基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中的一大難題。

國內(nèi)外目前對(duì)于圓礫層強(qiáng)度特性的研究成果相對(duì)較少。唐開順等采用大型三軸試驗(yàn)對(duì)南寧市兩種不同密實(shí)程度的圓礫土力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但室內(nèi)試驗(yàn)只能對(duì)圓礫層的擾動(dòng)樣進(jìn)行測(cè)定，且在試驗(yàn)中由于作者對(duì)原狀樣篩分之后采用其他地鐵站點(diǎn)勘察報(bào)告顆粒級(jí)配制作試驗(yàn)樣品，試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)結(jié)果存在一定差異。張油軍對(duì)南寧市軌道交通一號(hào)線沿線巖層組合模型及區(qū)劃進(jìn)行了研究，但對(duì)圓礫層僅做重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，未對(duì)圓礫層的強(qiáng)度特性進(jìn)行研究。

地鐵基坑開挖深、揭露的圓礫層面積大，為南寧市圓礫層強(qiáng)度特性的原位試驗(yàn)提供了千載難逢的好機(jī)會(huì)，此時(shí)又恰逢“南寧市基坑支護(hù)規(guī)范”編制，有必要對(duì)南寧市各地層的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行深入研究。該文根據(jù)南寧市勘察資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘等手段，利用地理信息系統(tǒng)平臺(tái)軟件對(duì)圓礫層發(fā)育分布特征進(jìn)行研究，然后通過現(xiàn)場(chǎng)原位直剪試驗(yàn)對(duì)其強(qiáng)度特性進(jìn)行研究，利用基坑連續(xù)墻位移監(jiān)測(cè)資料及相關(guān)設(shè)計(jì)資料對(duì)圓礫層M值進(jìn)行反演分析，為南寧市基坑支護(hù)地方規(guī)范的編制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為基坑支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 南寧市地質(zhì)背景

南寧市位于南寧盆地，南寧盆地地勢(shì)自東北向西南傾斜，四面山丘環(huán)繞。城區(qū)范圍為地形相對(duì)較平坦的邕江階地或河流堆積準(zhǔn)平原，地勢(shì)較開闊、平坦。根據(jù)潘順安的研究，區(qū)內(nèi)發(fā)育有邕江五級(jí)階地，二元結(jié)構(gòu)保存完好，分布面積大。南寧市地層巖性較豐富，分布廣泛的有第四系沖積層（巖性為淤泥、淤泥質(zhì)土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂、細(xì)砂、中砂、粗砂、礫砂、圓礫和卵石），第四系殘積黏土、粉質(zhì)黏土，新近系泥巖、粉砂巖、煤層，古近系砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖。該區(qū)的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以地殼緩慢上升、河谷下切為特征，主要表現(xiàn)為：在古近系組成的向斜盆地邊緣及內(nèi)部的斷層，切割了老第三紀(jì)地層；第四紀(jì)沉積物的輕微彎曲及相伴產(chǎn)生的斷層；第四紀(jì)以來的地殼升降、河谷下切，形成邕江兩岸Ⅰ～Ⅳ級(jí)階地。根據(jù)《中國地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》，該區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，相當(dāng)于地震基本烈度為Ⅵ度。

南寧盆地內(nèi)的地下水總體上分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖裂隙溶洞水四大類。

2 南寧市圓礫層力學(xué)性質(zhì)分析

2.1 力學(xué)參數(shù)原位試驗(yàn)分析

如前所述，南寧市圓礫層發(fā)育厚度較大、埋藏

深，對(duì)于細(xì)粒土尚可在室內(nèi)采用應(yīng)變控制式直剪儀來測(cè)定，而圓礫土的粒徑較大，不能采用應(yīng)變控制式直剪儀來測(cè)定，且圓礫容易擾動(dòng)不能取原狀樣進(jìn)行試驗(yàn)。為了保證圓礫的結(jié)構(gòu)不受擾動(dòng)，擬采用原位試驗(yàn)測(cè)定其強(qiáng)度參數(shù)。南寧市圓礫層埋藏深度普遍為10～30 m，若單獨(dú)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)則開挖費(fèi)用昂貴，而目前正值南寧市進(jìn)行大規(guī)模建設(shè)時(shí)期，大量建筑基坑及軌道交通基坑被揭露，鑒于此，對(duì)基坑開挖中揭露的圓礫層進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)采用應(yīng)力控制式直接剪切儀，其剪力盒為方形，長70.7 cm、高35 cm。當(dāng)試驗(yàn)位置離連續(xù)墻較遠(yuǎn)時(shí)，采用堆載的方法提供水平及豎直方向的反力［見圖1（a）］；在連續(xù)墻附近進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，水平反力由連續(xù)墻提供，豎直方向則采用地錨提供反力［見圖1（b）］。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)

對(duì)南寧市軌道交通白蒼嶺站、朝陽廣場(chǎng)站、金湖廣場(chǎng)站、民族廣場(chǎng)站、清川站圓礫層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 圓礫層直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

從表1可看出：圓礫層內(nèi)聚力平均值為2.2 k Pa，內(nèi)摩擦角平均值為31.3°。分站點(diǎn)來看，朝陽廣場(chǎng)站圓礫層的內(nèi)聚力為2.0～6.8 kPa，內(nèi)摩擦角為31.0°～34.2°；金湖廣場(chǎng)站圓礫層的內(nèi)聚力為0～0.2 k Pa，內(nèi)摩擦角為28.7°～30.0°；民族廣場(chǎng)站圓礫層的內(nèi)聚力為零，內(nèi)摩擦角為27°～29.5°；白蒼嶺站圓礫層的內(nèi)聚力為6.7 k Pa，內(nèi)摩擦角為31.0°；清川站圓礫層的內(nèi)聚力為零，內(nèi)摩擦角為36.9°。

2.2 力學(xué)參數(shù)建議值統(tǒng)計(jì)分析

巖土體物理力學(xué)參數(shù)建議值是工程建設(shè)人員通過室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)及工程類比等得出的，具有一定的代表性。收集南寧市114項(xiàng)軌道交通1、2、3號(hào)線工程勘察報(bào)告中巖土體物理力學(xué)建議值中的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可較好地反映圓礫層強(qiáng)度大小。圓礫層力學(xué)參數(shù)建議值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2，內(nèi)摩擦角頻率分布見圖2。

表2 圓礫層力學(xué)參數(shù)建議值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖2 圓礫層內(nèi)摩擦角φ頻率分布直方圖

從表2、圖2可看出：圓礫層內(nèi)聚力建議值除個(gè)別值非零外，其余均為零，說明圓礫層不含黏粒或僅含極少量黏粒；內(nèi)摩擦角φ的分布較集中，其中30°～36°分布較多，34°～36°最為集中，共有40個(gè)建設(shè)項(xiàng)目的圓礫層內(nèi)摩擦角為34°～36°。

2.3 力學(xué)參數(shù)對(duì)比分析

唐開順等采用TAJ-2000大型動(dòng)靜三軸儀對(duì)南寧市白沙大橋北岸節(jié)點(diǎn)交通整治工程的圓礫土體進(jìn)行了試驗(yàn)，將其試驗(yàn)結(jié)果與上述圓礫層原位剪切試驗(yàn)結(jié)果及軌道交通勘察報(bào)告中建議值統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見表3。

表3 圓礫層強(qiáng)度參數(shù)對(duì)比分析

從表3可看出：通過原位試驗(yàn)得出的中等密實(shí)圓礫層內(nèi)聚力為0～6.7 k Pa，內(nèi)摩擦角為27°～31.0°；大三軸試驗(yàn)得出的中等密實(shí)圓礫層內(nèi)聚力為零，內(nèi)摩擦角為41.0°，大三軸試驗(yàn)得出的中等密實(shí)圓礫層內(nèi)摩擦角較大。通過原位試驗(yàn)得出的密實(shí)圓礫層內(nèi)聚力為0～6.8 k Pa，內(nèi)摩擦角為29.5°～36.9°；大三軸試驗(yàn)得出的密實(shí)圓礫層內(nèi)聚力為零，內(nèi)摩擦角為45.0°，大三軸試驗(yàn)得出的密實(shí)圓礫層內(nèi)摩擦角較大。勘察報(bào)告中內(nèi)聚力平均值為0.3 kPa，內(nèi)摩擦角為32.5°。整體上圓礫層密實(shí)程度越高，內(nèi)摩擦角越大，主要是由于圓礫層越密實(shí)，土的接觸點(diǎn)增加，土體之間的連接增強(qiáng)，土的內(nèi)摩擦角增大。在進(jìn)行大三軸試驗(yàn)時(shí)，由于環(huán)向圍巖的存在，土體被擠密，空隙比減小，內(nèi)摩擦角增大，得出的內(nèi)摩擦角比原位試驗(yàn)得出的大。

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，得出南寧市圓礫層強(qiáng)度指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)值見表4。

表4 南寧市圓礫層強(qiáng)度指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)值

從表4可見，圓礫層強(qiáng)度指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)值比現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)中強(qiáng)度值小。這是由于原位試驗(yàn)中圓礫層未受擾動(dòng)，而表4中圓礫層均受不同程度的擾動(dòng)，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低。

3 結(jié)論

（1）通過現(xiàn)場(chǎng)原位剪切試驗(yàn)得出的圓礫層內(nèi)聚力為0～6.8 k Pa，內(nèi)摩擦角為27.0°～36.9°；大型三軸試驗(yàn)得出的內(nèi)聚力為零，內(nèi)摩擦角為41°～45°；勘察報(bào)告建議的內(nèi)聚力平均值為0.3 k Pa，內(nèi)摩擦角平均值為32.5°。工程實(shí)踐中強(qiáng)度參數(shù)應(yīng)根據(jù)圍壓大小、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式、地質(zhì)條件等因素綜合確定。

（2）隨著圓礫密實(shí)程度的增加，其強(qiáng)度參數(shù)不斷提高，這主要是由于圓礫密實(shí)程度增加，圓礫之間的接觸面積增大，強(qiáng)度參數(shù)增加。

（3）大型三軸試驗(yàn)得出的圓礫層強(qiáng)度參數(shù)較高，比現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)所得結(jié)果高4°～14°，其原因主要是大三軸試驗(yàn)過程中圍壓的存在增加了圓礫之間的接觸點(diǎn)。

（4）現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)所得強(qiáng)度參數(shù)比南寧市圓礫層強(qiáng)度參數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值大，這是由于原位試驗(yàn)試樣結(jié)構(gòu)保存較完整，其強(qiáng)度值較大。

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U416.1

A

1671-2668（2016）06-0080-03

2016-04-10

南寧市軌道公司《南寧市基坑工程主要巖土層物理力學(xué)參數(shù)取值研究》