深厚軟土抗剪強度指標分層量化對基坑支護安全的影響分析

張升鋒

(1.福建省建筑科學研究院有限責任公司 福建福州 350108；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350108)

0 引言

軟土具有顯著的地域性，是由其各自區域獨特的地質演變歷程、水體條件、沉積環境和應力歷史決定，每個地區軟土在微觀結構、物理力學性質、固結特性等方面將表現出明顯差異。

福州市區軟土主要為全新世地層，成因類型為海相沉積，可分為淤泥與淤泥質土兩類，具有含水量高、孔隙比大、流塑性強、壓縮性高、力學強度低等典型的軟土特征。其中，福州地區軟土含水量可達90%以上，孔隙比可高達2.4，厚度超過40m[1]。

根據諸多學者研究[2-4]，在軟土地基中，隨著深度增加，土體含水率下降，密度增大，孔隙比也增大，土體的物理力學指標和固結特性亦將有一定程度提高。其中，軟土抗剪強度指標隨深度變化對基坑支護受力及變形產生重要影響。

為了解軟土物理力學指標變化對基坑支護變形及穩定性影響，本文通過對福州地區近20個項目的軟土物理力學指標統計，了解軟土指標性質隨深度變化規律，并分析軟土抗剪強度指標對基坑變形、內力及穩定性影響。

1 軟土物理力學指標變化規律

1.1 含水率和孔隙比變化

天然含水率是軟土最直接的物理性質指標，對軟土而言，天然含水率與孔隙比共同反映了淤泥三相體積占比關系，是反映軟土固結程度的重要指標，也直接影響軟土的抗剪強度指標。

通過對福州地區近20個項目的統計，得到天然含水量隨深度變化規律如圖1所示。

圖1 含水率與取樣深度的相關性

由圖1可知，隨著取樣深度增大，軟土含水率呈逐漸減少趨勢，不同場地的含水率降低幅度略有不同，故統計出來的含水率所跨數值區間較大，最小含水率為40.8%，最大含水率達78.1%，存在較為明顯的離散性。

統計得到的孔隙比隨深度變化規律如圖2所示。

圖2 孔隙比與取樣深度的相關性

由圖2可知，隨著取樣深度增大，與天然含水率變化規律類似，軟土孔隙比亦呈逐漸減少趨勢，不同場地的孔隙比降低幅度不盡相同，其中最小孔隙比為1.12，最大孔隙比達2.22。

通過上述分析，也進一步驗證了福州地區軟土具有高含水率、高孔隙比特點。

1.2 抗剪強度指標變化

土的抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限強度，其強度指標包括粘聚力和內摩擦力，可通過抗剪強度試驗進行測定。當前，基坑支護設計過程，土體的抗剪強度指標將直接影響作用在圍護結構上的土壓力及土體的抗力，對于基坑的穩定性也將產生顯著影響[5]。

為了解軟土抗剪強度指標隨深度的變化規律，本研究整理了近20個項目的軟土直剪快剪強度指標，具體如圖3～圖4所示。

圖3 粘聚力與取樣深度的相關性

圖4 內摩擦角與取樣深度的相關性

由圖3～圖4可知，隨著取樣深度的增大，軟土的直剪快剪強度指標均明顯增大，呈現顯著的增長規律，其中粘聚力和內摩擦角增大幅度不同，具體擬合增長曲線如下式所示：

粘聚力：c=0.089d+9.183(kPa)

內摩擦角：φ=0.061d+2.637 (°)

式中c表示粘聚力，φ表示內摩擦角，d表示取樣深度。

顯然，統計得到的軟土快剪強度指標增長規律對于基坑支護的變形及穩定性產生顯著影響。

2 參數指標

為了分析抗剪強度指標沿深度變化對基坑變形及穩定性影響，本研究針對不同基坑開挖深度、分層抗剪強度指標對基坑變形、內力及穩定性的影響進行分析，具體指標如表1～表2所示。

表1 沿厚度分層后抗剪強度指標

表2 基坑計算參數

對于軟土指標不分層的情況，則取1/2的圍護樁長所在深度的抗剪強度指標進行計算分析。

3 抗剪強度指標分層量化對基坑支護影響

3.1 抗剪強度指標分層量化對支護結構變形影響

軟土抗剪強度指標分層量化對支護結構變形的影響分析結果，如表3～表4所示。

表3 支護結構變形計算結果(h=5m)

表4 支護結構變形計算結果(h=10m)

由表3～表4可知，隨著嵌固深度增大，支護結構變形基本呈現逐漸減少趨勢。

當軟土抗剪強度指標未進行分層量化時，土體深層水平位移最大值小于分層量化深層水平位移最大值，其因主要是未進行分層量化時，軟土自上而下的抗剪強度指標均取指標平均值，提高了淺層土體抗剪強度指標，降低了深層土體抗剪強度指標，間接提高了淺層土體m值[6]，從而使得未分層量化時的支護結構變形小于分層量化所得計算結果。

這表明，對于深厚軟土地基，當未進行軟土指標分層量化時，低估了實際圍護結構變形，使得計算所得支護結構變形偏于危險。故，深厚軟土抗剪強度指標的分層量化，對確保支護結構及周邊環境的安全具有重要意義。

3.2 抗剪強度指標分層量化對支護結構內力影響

軟土抗剪強度指標分層量化與否，對支護結構內力影響分析結果如表5～表6所示。

表5 支護結構內力計算結果(h=5m)

表6 支護結構內力計算結果(h=10m)

由表5～表6可知，當軟土的抗剪強度指標未進行分層量化時，支護結構的彎矩和剪力則小于分層量化的支護結構內力值，其因主要在于：未進行分層量化時，軟土抗剪強度指標均統一取指標的平均值，在提高了淺層土體的抗剪強度指標同時，降低了深層土體的抗剪強度指標，間接提高了淺層土體的m值[6]，使得未分層量化時的支護結構內力小于分層量化計算所得內力值。

這表明，同支護結構變形結果類似，對于深厚軟土地基，當未進行軟土指標分層量化時，低估了實際圍護結構內力值，使得計算所得支護結構內力偏于危險。故，進行軟土抗剪強度指標分層量化，對確保支護結構的安全具有重要的意義。

3.3 抗剪強度指標分層量化對基坑穩定性的影響

軟土抗剪強度指標分層量化對基坑整體穩定安全系數影響，如表7～表8所示。

表7 基坑整體穩定計算結果(h=5m)

表8 基坑整體穩定計算結果(h=10m)

由表7～表8可知，未進行抗剪強度分層量化時，基坑整體穩定安全系數明顯低于分層量化計算結果，其因主要在于：當進行抗剪強度指標分層量化后，深層土體的抗剪強度指標隨深度逐漸增大，計算所得的整體穩定安全系數亦更高。故，沿深度進行抗剪強度指標分層量化，對基坑整體穩定安全的控制有利，可更合理地反映實際基坑安全性。

對于開挖深度分別為5m和10m的基坑，在滿足規范對整體穩定安全系數要求前提下，分層量化時所得支護結構嵌固深度分別為18.5m和37m；未分層量化時，所得支護結構嵌固深度分別為22m和47m。這表明，當未對深厚軟土進行分層量化時，顯著增大圍護結構結構的嵌固深度，造成不必要浪費。

4 結論

通過對福州地區近20個項目的深厚軟土物理力學指標的統計，了解軟土指標性質隨深度變化規律，并分析軟土抗剪強度指標對基坑變形、內力及穩定性的影響，主要結論如下：

(1)隨著深度的增大，天然含水率、孔隙比均呈逐漸減少趨勢，抗剪強度指標隨深度則呈現顯著的增大趨勢，但粘聚力和內摩擦角的增大幅度不同。

(2)深厚軟土抗剪強度指標分層量化，將更為準確反映圍護結構的變形及內力值，對確保支護結構的安全具有重要意義。

(3)深厚軟土抗剪強度指標分層量化，可提高基坑整體穩定安全系數，在確保支護結構安全前提下，可減少圍護結構嵌固深度，提高基坑支護結構經濟性。