基坑內加固土物理力學參數取值研究

高志毓

中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510663

在電力和市政工程中經常遇到擬建工程區域下方存在淤泥或淤泥質土等軟弱地層的情況，在進行基坑開挖前往往需要采用水泥土攪拌樁或高壓旋噴樁等地基處理措施對軟弱地層進行地基處理，而在基坑支護結構中，基坑內進行地基處理后的坑內加固土的物理力學參數如何取值一直是巖土工程界的一個難題。因此，文章旨在對影響基坑內加固土物理力學參數的主要因素進行分析和探討，并提出了一種可行的坑內加固土物理力學參數取值的方法。

1 基坑內加固土物理力學參數的主要影響因素

1.1 面積置換率

根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79—2012）[1]，面積置換率是影響復合地基承載力特征值的主要因素，其機理主要是通過影響所處理土體的物理力學參數，以提高復合地基的承載力。

由《地基處理手冊》[2]對復合地基置換率的介紹可知，復合地基置換率m可采用如下公式進行計算：

式中：Ap為樁體面積，m2；A為對應的加固面積。

結合式（1）可知，隨著面積置換率的增大，即加固樁在數量上的增加和加固面積上的增大，基坑內加固土中增強體占比逐漸增大。從荷載傳遞路線來看，復合地基的本質是樁和樁間土共同承擔荷載，相應地樁所分擔的豎向荷載逐漸增加，同時樁間土的物理力學參數得到增強，進而最終體現為坑內加固土整體參數的提高。

1.2 加固土厚度和寬度

采用理正深基坑支護結構設計軟件進行大量理論試算后發現，加固土厚度和寬度是影響坑內加固土物理力學參數的重要因素。例如，采用高壓旋噴樁對基坑內側土體進行加固，在加固寬度一定的條件下，隨著高壓旋噴樁嵌入坑底深度即加固厚度的增加，坑內加固土的物理力學參數得到提高，具體表現為基坑整體穩定性、抗傾覆性和抗隆起穩定性得到顯著提高。

在加固土厚度一定的條件下，在不同加固形式下，隨著加固土寬度的增加，基坑的各項計算指標也得到了大幅改善。尤其在深厚軟土地基中，加固土的寬度和厚度與坑內加固土的物理力學參數以及復合地基承載力的相關性會更大。

1.3 加固材料

地基處理所采用的加固材料也是影響坑內加固土物理力學參數的重要因素。以水泥土攪拌樁為例，坑內加固土的各項物理力學參數與水泥品種、水泥強度等級、單位加固體的水泥含量、水泥漿稠度、外加劑和摻合料這些主要因素相關性最強。

1.4 施工工法和質量

施工工法和質量也是影響坑內加固土物理力學參數的重要因素。從高壓旋噴樁施工工法的作用機理來看，二重管法和三重管法由于采用了將水泥漿和壓縮空氣同時噴射的方法，在噴射液體的噴嘴周圍形成了環狀的氣體噴射環，當液體和氣體同時噴射時，液體噴射流周圍形成了一層空氣保護膜[2]，可有效減少噴射壓力的衰減，使得在土體中噴射時能盡可能接近在空氣中噴射的狀態，進而讓這兩種工法在加固效果上優于單管法。對于所采用的某一種施工工法而言，其加固效果又直接與以下7種影響因素有關：噴射流的噴射壓力、噴嘴的直徑、噴嘴的形狀、噴嘴的移動速度、巖土體的特性、噴射口處的靜水壓力、噴射口與土體的距離。

對于施工質量，在我國還不能完全用儀表控制的行業現狀下，施工質量控制受人為因素影響較大。

1.5 抗壓強度

根據《地基處理與托換技術》[3]和《軟土地基加固的理論、設計與施工》[4]，水泥土攪拌樁加固地基中水泥土的抗剪強度和抗壓強度存在以下關系：水泥土的抗剪強度隨抗壓強度的增大而提高，當抗壓強度Fcu為0.3～1.3MPa時，c=0.2813Fcu0.7078；當抗壓強度Fcu為0.3～4.0MPa時，其黏聚力c=0.1～1.0MPa，則取c=0.2Fcu～0.3Fcu，一般c為20～30kPa，內摩擦角φ為20°～30°。

該方法主要適用于采用水泥土攪拌樁進行地基處理的情況，并且對水泥土抗壓強度的范圍有一定要求，因此其適用性相對較弱，但是對于坑內加固土的抗剪強度的取值仍具有重要意義。

1.6 含水率

含水率是土體抗剪強度的重要影響因素。通過對廣州地區的粉質黏土、中砂和泥巖這三類有代表性的巖土體進行室內試驗，得到了含水率與巖土體物理力學參數的關系。

對于粉質黏土，含水率的變化使得土體狀態由流塑變化至硬塑再到堅硬時，其物理力學參數也相應變化。粉質黏土物理力學參數如表1所示。

表1 粉質黏土物理力學參數表

由表1可知，隨著含水率的減小，土體狀態由可塑變化至硬塑時，天然重度提高了0.9～1.5kN/m3，黏聚力提高了20%～33%，內摩擦角增大了20%～33%；當粉質黏土由硬塑變化至堅硬時，天然重度提高了0.1～1.1kN/m3，黏聚力提高了11%～25%，內摩擦角增大了11%～33%。其他黏性土也有相似的關系。

對于中砂，中砂在加固后主要表現為密實度的變化。中砂物理力學參數如表2所示。

表2 中砂物理力學參數表

由表2可知，隨著含水率的減小，中砂密實度由松散變化至稍密再到中密，中砂的天然重度和內摩擦角也有不同程度的增大。

巖石也有相似的規律，泥巖物理力學參數如表3所示。

表3 泥巖物理力學參數表

由表3可知，隨著含水率的減小，泥巖風化程度由強風化變化至中風化再到微風化，泥巖的各項參數也有不同程度的增大。

2 基坑內加固土物理力學參數的取值方法

在此提出一種新的且較為實用的坑內加固土物理力學參數取值的方法，詳述如下。

基于Midas-GTS對不同加固形式的數值分析得到墩式加固、裙邊式加固和抽條式加固支護結構彎矩包絡圖，如圖1所示。與相應加固形式下提取坑內加固土進行室內試驗得到的含水率進行對比分析，將不同加固形式下含水率所對應的土體狀態的物理力學參數代入數值分析軟件進行計算所得到的基坑支護結構計算指標與不同加固形式計算所得到的基坑支護結構計算指標進行對比分析，得出針對不同巖土體地層坑內加固土的取值方法。

圖1 墩式加固、裙邊式加固和抽條式加固支護結構彎矩包絡圖

例如，對于黏性土，如果未處理前土體的狀態為可塑，那么處理后對于墩式加固、裙邊式加固和抽條式加固這3種加固形式，根據含水率按硬塑即提高1級狀態所對應的物理力學參數來進行取值；同理，對于砂土，如果未處理前土體的密實度狀態為松散，那么處理后按稍密來考慮，其物理力學參數也相應按稍密所對應的參數取值；對于巖石也采用同樣的取值方法。

對于格柵式和滿堂式加固這2種加固形式，通過數值分析得到了格柵式、滿堂式加固支護結構彎矩包絡圖，如圖2所示。

圖2 格柵式、滿堂式加固支護結構彎矩包絡圖

根據含水率按堅硬即提高2級狀態所對應的物理力學參數進行取值；同理，對于砂土，如果未處理前土體的密實度狀態為松散，那么處理后按中密來考慮，其物理力學參數也相應按中密所對應的參數取值；對于巖石也采用同樣的取值方法。

3 結束語

文章通過采用地基處理措施對基坑內加固土進行處理，分析結果表明可通過含水率所反映的土體狀態來考慮坑內加固土物理力學參數的增大，為基坑支護結構設計坑內加固土的參數取值提供了一種可行的方法。