廈門地區(qū)某基坑項目提高卵石黏聚力取值的相關(guān)探索

摘 要：卵石自身特點決定了難以測得較為準確的黏聚力指標。工程實踐中往往保守取值，可能造成浪費。通過收集其他地區(qū)現(xiàn)場剪切試驗數(shù)據(jù)，現(xiàn)場坑探試驗和理論公式反算，對廈門地區(qū)某基坑項目提高卵石黏聚力取值的幾種方法進行了探索，并將探索成果應(yīng)用于實際，取得了較好的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：卵石；黏聚力；現(xiàn)場剪切試驗；反算

中圖分類號：TU411.7 " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2024）12-0108-03

0 引言

巖土界業(yè)內(nèi)一般認為，卵石本身不具黏聚力。一方面其骨架空隙間往往填充了砂礫土或黏性土，受到上覆壓力和自重作用就會表現(xiàn)出一定的“膠結(jié)力”或“似黏聚力”，另一方面在水流沖積條件下卵石粗顆粒間相互交錯鑲嵌亦會形成一種“咬合力”。這種“膠結(jié)力”或“咬合力”跟顆粒級配、組合關(guān)系以及充填物有關(guān)，雖有別于傳統(tǒng)意義上巖土層的“黏聚力”，但習(xí)慣上仍稱之為“黏聚力”，本文亦按此稱謂表述。

由于卵石自身顆粒組成的原因，不易采取原狀試樣進行室內(nèi)土工試驗，故難以測得較為準確的黏聚力指標。在福建地區(qū)，作為巖土行業(yè)指導(dǎo)標準的《巖土工程勘察標準》（DBJT 13-84—2022）附錄F“福建省常見土層物理力學(xué)指標”表中未提供“泥質(zhì)礫卵石”和“砂礫卵石”層的抗剪強度經(jīng)驗指標[1]。而《建筑與市政地基基礎(chǔ)技術(shù)標準》（DBJT13-07—2021）附錄C“基坑支護設(shè)計參考指標”表中提供“砂卵（碎）石”層黏聚力在稍密狀態(tài)取3～8 kPa、中密狀態(tài)取3～15 kPa、密實狀態(tài)取5～20 kPa[2]，參考取值的區(qū)間范圍較大。說明在福建地區(qū)，關(guān)于卵石黏聚力的取值存在大量不確定性。

因此在工程實踐中，為了工程安全，勘察單位一般參考此建議表保守地取小值。但抗剪強度指標、特別是黏聚力取值偏小，必將增加工程成本。特別是在基坑支護設(shè)計時，剪切強度指標直接影響了支護結(jié)構(gòu)的選擇、支護樁樁長、材料用量等，進而決定了經(jīng)濟效益。

1 工程實例

某項目場地位于福建省廈門市集美區(qū)，屬沖洪積地貌。場地表部1 m左右為黏性土為主的松散素填土層，其下為厚度6 m左右的主要呈稍密狀、部分中密狀的卵石層。地下水埋深約3.5 m。項目下設(shè)1層地下室，基坑開挖深度約5 m。

基坑側(cè)壁以卵石為主，坑底均為卵石層。該卵石層磨圓度較好，多呈次圓形、圓形，部分呈次棱角狀，粒徑多為5～7 cm，個別達10 cm以上，骨架充填物主要為黏性土及少量砂土。詳細勘察時主要采用常規(guī)的鉆探手段，對卵石進行了現(xiàn)場重探測試并取樣進行顆分試驗。勘察報告根據(jù)測試（試驗）結(jié)果并結(jié)合經(jīng)驗，按常規(guī)取值提供卵石黏聚力為3 kPa，內(nèi)摩擦角為35°。

基坑支護設(shè)計過程中，按此剪切指標進行初步驗算，較為經(jīng)濟的土釘墻方案基本不可行，結(jié)合類似場地經(jīng)驗擬采用SWM工法樁。設(shè)計人員現(xiàn)場踏勘時，發(fā)現(xiàn)鄰近項目基槽挖深2 m以上時，以卵石為主的基坑側(cè)壁仍較穩(wěn)定，于是考慮優(yōu)化支護方案的可能性。

在優(yōu)化過程中，設(shè)計人員對黏聚力和內(nèi)摩擦角取值變化前后的整體穩(wěn)定性進行了計算。結(jié)果表明：相同工況條件下，內(nèi)摩擦角的增加對基坑整體穩(wěn)定性的影響相對較小，而隨著黏聚力C的增加，整體穩(wěn)定性將大幅提高，若C值增加3 kPa，穩(wěn)定性系數(shù)提高約20%～25%，說明影響支護方案的關(guān)鍵因素就在于卵石層的黏聚力取值。因此，勘察單位針對提高卵石黏聚力取值的幾種方法進行了探索。

2 探索過程

2.1 現(xiàn)場剪切試驗

獲取卵石層抗剪強度指標最直接的手段就是進行現(xiàn)場直接剪切試驗，該試驗主要適用于現(xiàn)場測定巖體軟弱結(jié)構(gòu)面、巖石和土的接觸面、滑動面、混合土、粗顆粒土、殘積土的抗剪強度[1]。其試驗原理與室內(nèi)試驗的直剪儀基本相同，由于試樣的受剪面積比室內(nèi)試驗更大，且是在現(xiàn)場直接試驗，能最大限度保證土樣的原狀性，減少擾動影響，試驗數(shù)據(jù)能較準確反映試驗土體的實際強度指標。

由于現(xiàn)場剪切試驗需采用剪力盒（位移計、軸力計等）、承壓板、千斤頂、反力系統(tǒng)等各種設(shè)備，部分設(shè)備外購時間較長，無法滿足項目工期要求，本次探索未采用該手段。

據(jù)部分地區(qū)現(xiàn)場直剪試驗的研究成果，成都地區(qū)基坑支護設(shè)計計算中建議砂卵石的抗剪強度 C取10～15 kPa[3]，蘭州城區(qū)砂卵石土咬合力在7.92～49.6 kPa（標準值14.8 kPa）[4]，北京市白河流域（密云城區(qū)附近）呈中密狀態(tài)的（砂質(zhì)充填）卵石粘聚力可取10.18 kPa[5]。

據(jù)統(tǒng)計，砂質(zhì)卵石黏聚力基本可達8 kPa以上，理論上泥質(zhì)卵石黏聚力更大。本地區(qū)研究成果較少，但對比而言，本場地以泥質(zhì)卵石為主，黏聚力在3 kPa的基礎(chǔ)上應(yīng)該有上調(diào)空間。

2.2 現(xiàn)場坑探試驗

由于無法進行現(xiàn)場剪切試驗，而繼續(xù)采用詳勘時的鉆探手段結(jié)合取樣測試、試驗來提高卵石黏聚力取值依據(jù)不足。考慮到鉆探時受孔徑限制及機械擾動影響，相關(guān)的取樣和測試不能完全反映卵石的真實狀態(tài)，且鄰近場地類似地質(zhì)條件的基槽能自穩(wěn)，為查明本場地卵石的成份狀態(tài)和臨時自穩(wěn)性，勘察單位進行了現(xiàn)場坑探試驗。

試驗過程中，在基坑內(nèi)側(cè)角點附近采用機械開挖了4個探坑，探坑間距25～30 m，每個探坑平面尺寸約2 m×2 m，挖深約3 m。探坑平面位置圖如圖1所示。

開挖情況顯示，在3 m的挖深范圍內(nèi)，探坑側(cè)壁均能近乎垂直穩(wěn)定（據(jù)連續(xù)觀察，在無外部干擾時，基本能處于持續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)），開挖面卵石充填物以黏性土為主，部分為砂礫土，未見地下水。探坑開挖情況如圖2所示。

開挖后，勘察單位一方面在每個探坑代表性部位采用環(huán)刀對充填物采取原狀試樣6件、共24件進行室內(nèi)土工試驗，以確定充填物的準確名稱并測試剪切強度指標。黏聚力統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。另一方面安排多名經(jīng)驗豐富的技術(shù)員對開挖面及開挖出的近原狀卵石堆積物進行編錄，內(nèi)容除常規(guī)的顏色、狀態(tài)、成分等，主要觀察卵石顆粒與充填物的“分離”速度，以及充填物自身的“散體”速度，同時亦對卵石與充填物、充填物自身進行手工“剪切”或“掰開”。通過觀察，進而手工“剪切”，可粗略感受黏聚力情況。

受限于主觀上經(jīng)驗和認識的差異，客觀上“黏性”的差異，技術(shù)員的感受結(jié)果差異較大，但結(jié)合觀察情況發(fā)現(xiàn)：該場地卵石顆粒與充填黏性土間的黏聚力約為黏性土自身的30%～50%。根據(jù)表1統(tǒng)計結(jié)果，充填物黏聚力標準值為16.8 kPa，可粗略估算出卵石與充填黏性土間的黏聚力約為5～8.4 kPa。

2.3 理論公式反算

坑探試驗中采用環(huán)刀取樣測試的充填物剪切指標較為準確，但亦受限于充填物的性質(zhì)（若主要為砂質(zhì)充填物，環(huán)刀法亦難以取得原狀試樣），而通過觀察和手工“剪切”獲取的“感受”成果具有太大的主觀性，僅能非常粗略地反映卵石及充填物黏聚力的差異，是一種感性認識，基本無法直接作為結(jié)論使用。

經(jīng)查詢資料和行業(yè)專家指導(dǎo)，若將基坑側(cè)壁視為臨時邊坡，當邊坡坡面為傾斜、坡頂水平、無超載（探坑側(cè)壁正好滿足此條件）時，可以參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》第6.2.10條所列公式初步反算土體粘聚力C值，公式如式（1）所示。

（1）

反算公式如式（2）所示。

（2）

式中，h為邊坡的垂直高度，可取探坑開挖深度3 m；γ為土體重度，可取勘察報告中卵石重度建議值20 kN/m3；α'為坡面與水平面夾角，探坑近垂直開挖，可取85°；φ為內(nèi)摩擦角，可取勘察報告建議值35°。θ為臨界滑動面與水平面的夾角，根據(jù)該條規(guī)定條文說明：當α'=90°或傾斜邊坡坡高為臨界高度時，θ=（α'+φ）/2，探坑近垂直開挖，將挖深3 m視為自穩(wěn)的臨界高度后，θ為60°。

根據(jù)反算結(jié)果，黏聚力C值為6.57 kPa。此外，經(jīng)試算，若自穩(wěn)臨界高度增加0.5 m，C值將提高1 kPa左右。若開挖范圍內(nèi)考慮地下水的作用，C值將有所下降，但基坑施工一般要求將水位降至坑底下一定深度，故在反算過程中一般可不考慮地下水的影響。

3 應(yīng)用效果

綜合以上探索結(jié)果，勘察單位將本項目黏聚力建議值調(diào)整為6 kPa。調(diào)整后的數(shù)值經(jīng)施工圖審查后，設(shè)計人員采用該值將支護方案調(diào)整為土釘（擊入式錨管）墻。由于開挖揭露充填物主要為弱-微透水的黏性土，地下水治理方案也由攪拌樁止水帷幕變更為降、排水，總體上相比原來的工法樁方案節(jié)省造價近30%。該項目基坑目前已回填，施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計和規(guī)范要求，說明支護方案的合理性，也驗證了本場地上調(diào)卵石黏聚力取值的安全性。

4 結(jié)束語

關(guān)于卵石層抗剪強度指標、特別是黏聚力取值須慎重，應(yīng)根據(jù)不同顆粒級配、組合關(guān)系及充填物情況盡可能的挖掘黏聚力的潛力，以更準確地指導(dǎo)設(shè)計，安全、科學(xué)、合理的降低工程造價。

通過現(xiàn)場觀察、感性認識和實踐經(jīng)驗來大致判斷巖土體特征仍是巖土工程師必備技能之一。因此在無充分的研究數(shù)據(jù)及深入的地區(qū)工程經(jīng)驗總結(jié)時，通過現(xiàn)場開挖后主觀上的感性認識和客觀的室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合理想化的理論公式反算，并參考其他地區(qū)經(jīng)驗取值和研究成果，可以輔助本地區(qū)黏聚力指標的取值。

建議主管部門和行業(yè)單位對本地區(qū)砂卵石層開展全面、系統(tǒng)的現(xiàn)場剪切試驗，測試不同條件下的抗剪強度，進而形成經(jīng)驗數(shù)據(jù)或經(jīng)驗公式，以更好地指導(dǎo)區(qū)域內(nèi)工程項目建設(shè)。

參考文獻

[1] 福建省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳.DBJT 13-84-2022，巖土工程勘察標準[S].

[2] 福建省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳.DBJT13-07-2021，建筑與市政地基基礎(chǔ)技術(shù)標準[S].

[3] 趙兵，黃榮.成都地區(qū)砂卵石的抗剪強度探討[J].價值工程， 2011，30（18）：60-61.

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[5] 熊宗喜，李成旺，劉伍，等.關(guān)于卵石地層“粘聚力”的分析、探討及原位剪切試驗成果分析、驗證[J].城市地質(zhì)，2015， 10（S2）：6-11.