邯鄲金世紀(jì)新城基坑非飽和特性實(shí)驗(yàn)研究

王厚星，王偉

(河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北石家莊 050031)

1 引言

隨著城市化的深入，高層建筑、城市地鐵以及地下空間大量的修建與利用，伴隨這些大型土木工程的進(jìn)行，對(duì)構(gòu)造物基坑穩(wěn)定性的研究日益引起人們的關(guān)注。在自然狀態(tài)下，我國(guó)北方地區(qū)特別是河北地區(qū)，土層大多數(shù)處于非飽和土狀態(tài)，一般情況下非飽和土體比飽和土體穩(wěn)定系數(shù)高。正是由于基質(zhì)吸力的存在，在大量的工程實(shí)踐中，我們常會(huì)發(fā)現(xiàn)許多垂直開挖的穩(wěn)定基坑，而按著常規(guī)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)早已應(yīng)該失穩(wěn)了。目前，當(dāng)我們?cè)趯?duì)基坑穩(wěn)定性設(shè)計(jì)時(shí)，一般未能考慮基質(zhì)吸力對(duì)于基坑的影響，因此，在應(yīng)用中，用飽和土的理論參數(shù)去解決非飽和土的工程問(wèn)題是很不合理、不經(jīng)濟(jì)的。合理精確地確定參與邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算的各層土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是一項(xiàng)極具經(jīng)濟(jì)價(jià)值和科學(xué)價(jià)值的工作。

目前針對(duì)非飽和土基坑穩(wěn)定性影響的研究主要側(cè)重于下面三個(gè)方面:①關(guān)于非飽和土的力學(xué)、水力學(xué)室內(nèi)特性實(shí)驗(yàn)研究;②全尺寸的非飽和土現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn);③采用數(shù)值模擬的方法與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。完全的考慮水-力學(xué)特性耦合效應(yīng)的非飽和土理論十分復(fù)雜，對(duì)于工程實(shí)際應(yīng)用十分不便，本文將在通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究非飽和土的力學(xué)與水力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，分析簡(jiǎn)化的非飽和土抗剪強(qiáng)度理論。

2 工程概況

邯鄲金世紀(jì)新城為高層住宅樓，地上34層，地下3層，基礎(chǔ)筏板底標(biāo)高絕大部分為-15.15 m(電梯井標(biāo)高-16.9 m、-18.0 m)，墊層厚度為 150 mm，因此，基坑開挖深度15 m(自然地面起算)，局部開挖深度為16.75 m和 17.85 m(自然地面起算)。勘察顯示65.0 m深度范圍內(nèi)除表層雜填土、素填土外，地層以第四系沖洪積地層為主，根據(jù)其巖性及物理力學(xué)性質(zhì)，自上而下分為12層，分別為①層雜填土;層厚0.3 m～2.6 m。②層粉質(zhì)粘土:層厚1.9 m～4.7 m。③層粉質(zhì)粘土:層厚 2.0 m～5.6 m。④層粉質(zhì)粘土:層厚1.6 m～4.8 m。⑤層粉土:層厚0.9 m～4.1 m。⑥層粉質(zhì)粘土:層厚1.0 m～3.9 m;⑦層粉質(zhì)粘土。⑧層中粗砂、卵石:層厚2.2 m～10.8 m。⑨層粉質(zhì)粘土:層厚 5.0 m～11.4 m。⑩層卵石:層厚 2.0 m～6.0 m。[11]層粉質(zhì)粘土含卵石:層厚2.8 m～12.5 m。[12]層粉質(zhì)粘土:揭露最大厚度為16.70 m。

該擬建工程基坑開挖深度為15.0 m(局部開挖深度為16.75 m和17.85 m)，該工程基坑開挖時(shí)進(jìn)行地下水控制，水頭降至基底以下0.5 m，因此，基坑開挖區(qū)域土層均處于非飽和土區(qū)。

3 非飽和土土水特性曲線實(shí)驗(yàn)研究

測(cè)試土水特性曲線，需要控制兩個(gè)方面的基本參數(shù)［1］，一是對(duì)基質(zhì)吸力的精確控制，為了得到非飽和土的進(jìn)氣值，開始階段基質(zhì)吸力精度要求控制在3 kPa以內(nèi)，而基質(zhì)吸力的量測(cè)范圍一般都在1.5 MPa以上，這對(duì)基質(zhì)吸力的控制設(shè)備提出了很高的要求。二是，如何準(zhǔn)確地測(cè)試排出水的體積，為了提高實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定時(shí)間，一般情況下試樣的高度都在2 cm左右，在每級(jí)載荷作用下，排水量都比較小，因此需要較為精密的測(cè)量排水量的方法，有的實(shí)驗(yàn)采用有排水管法，也有的實(shí)驗(yàn)通過(guò)用高精密天平測(cè)試排水質(zhì)量的方法來(lái)確定。目前常用的儀器有美國(guó)Soilmoisture公司生產(chǎn)的水土特性壓力板儀以及Fredlund的土水特性曲線壓力儀，然而這些儀器在價(jià)格方面都非常昂貴，并且實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)，不利于工程中大量使用。

3.1 多終端土水特性曲線儀介紹

根據(jù)文獻(xiàn)［1］，配套的壓力板儀結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要由氮?dú)馄俊⒏邏很浌堋毫θ萜骷案哌M(jìn)氣值陶土板、排水量測(cè)系統(tǒng)等部分組成。具有以下特點(diǎn):①同時(shí)測(cè)試土樣多，測(cè)試系統(tǒng)的終端可以根據(jù)需要自由擴(kuò)展，目前我們有8個(gè)試驗(yàn)終端，3套壓力控制設(shè)備。也就是說(shuō)能夠同時(shí)進(jìn)行3種不同基質(zhì)吸力、8種不同土樣的SWCC試驗(yàn)，大大提高了試驗(yàn)效率。為土水特性曲線數(shù)據(jù)庫(kù)的完成奠定了基礎(chǔ)，也是本測(cè)試儀器的最大優(yōu)點(diǎn)。②高進(jìn)氣值陶土板壓力源采用氮?dú)馄浚瑲庠磯毫Υ螅瑹o(wú)噪音，使用安全，換氣方便及不受用電等限制的特點(diǎn);低進(jìn)氣值陶土板采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的空壓機(jī)作為氣源，能有效利用現(xiàn)有設(shè)備資源、且費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 多終端土水特性曲線測(cè)試儀

3.2 非飽和土土水特性曲線實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用土主要考慮對(duì)基坑穩(wěn)定性構(gòu)成影響的土層，取自金世紀(jì)新城基坑的第②、③、④層，各土層土性如表1所示。

試驗(yàn)土樣物理力學(xué)性質(zhì) 表1

圖2 各土層土水特性曲線比較

圖2為實(shí)測(cè)水土特性曲線圖，從圖中看，隨著各層土樣埋深的增加，土層的持水性能逐漸變好，第④層的土樣持水性能較埋深較淺的土樣好。另外，比較第②、③層土樣的土水特性曲線可以看出，粉土的持水性能比粉質(zhì)粘土較差。另外，第③、④層土樣的水分曲線差別不大，從表1可以看出兩種土樣土性接近，第④層土樣的持水性能要好于第③層，從表中可以看出第③層土樣的孔隙比較第④層土樣要大，毛細(xì)力與孔隙體積的大小成反比，而孔隙體積的大小與孔隙比成正比，因此空氣進(jìn)入值A(chǔ)EV與孔隙比成反比。因此孔隙比大的土樣，盡管土性相似，其保水性能也會(huì)降低，這與Kawai(2000)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看孔隙比的大小不僅僅對(duì)進(jìn)氣值有影響，同時(shí)也影響土樣的排水速度，主要表現(xiàn)在土樣在較高基質(zhì)吸力時(shí)(本實(shí)驗(yàn)大于100 kPa時(shí))，排水迅速。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)論正好說(shuō)明了堆積松散的土層，強(qiáng)度受含水量變化的影響比密實(shí)土樣要明顯。

圖3 不同性狀土水特性曲線比較

研究者們?cè)_展了大量的土水特性曲線的室內(nèi)試驗(yàn)研究，但這些研究大多數(shù)都是針對(duì)重塑土進(jìn)行的，而在實(shí)際工程中，如基坑開挖、邊坡穩(wěn)定性等等，都需要知道原狀土樣的土水特性曲線，因此研究原狀土的土水特性曲線就顯得十分重要了。本文進(jìn)行了原狀樣與重塑樣的土水特性曲線對(duì)比試驗(yàn)。圖3給出了第②層土樣的原位與重塑土樣土水特性曲線的對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中重塑土樣與原狀土樣干密度相同，在壓力容器內(nèi)壓實(shí)，飽和。從測(cè)試曲線上看，重塑土樣表現(xiàn)為較為明顯的倒“S”型，而原狀土試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中進(jìn)氣值不明顯，這主要是因?yàn)閷?duì)于原狀土樣中有原生的裂隙孔徑存在，也就是說(shuō)原狀土樣中的孔徑大小并不相同，這樣造成土樣的進(jìn)氣值不明顯;而土樣重塑后，較大的裂隙消失，最大孔徑趨于均勻，這樣就導(dǎo)致了進(jìn)氣值明顯。隨著基質(zhì)吸力的提高，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基質(zhì)吸力大于20 kPa后原狀土的保水能力比重塑土明顯提高，這表明原狀土樣中的孔徑分布極為不均勻，有明顯的大裂隙，同時(shí)也分布了較多的小空隙，而重塑土樣，孔徑分布就較為均勻。

4 非飽和土強(qiáng)度簡(jiǎn)化計(jì)算

根據(jù)梁金國(guó)，馮懷平等提出的非飽和土強(qiáng)度簡(jiǎn)化公式［2］，可以將非飽和土抗剪強(qiáng)度公式可以簡(jiǎn)化為:

式中:c'為飽和土的有效粘聚力，φ'為飽和土的有效摩擦角，cf為非飽和粘聚力，利用van Genuten土水特性曲線模型，非飽和土的粘聚力可以表示為:

式中:ua為孔隙氣壓;α、n分別為土水特性曲線參數(shù)，Sr為土樣的飽和度，令為體積含水量，θr為殘余體積含水量，θs為飽和體積含水量;ct為總粘聚力，ct=c'+cf。

式(1)就可稱之為不含基質(zhì)吸力的非飽和土強(qiáng)度公式。該公式結(jié)合土水特性曲線數(shù)據(jù)使用，具有應(yīng)用方便，避免了基質(zhì)吸力量測(cè)的難點(diǎn)，同時(shí)與包承剛等人的公式相比，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更接近，預(yù)測(cè)精度更高。

利用式(1)判斷邯鄲金世紀(jì)新城土樣非飽和土強(qiáng)度，土樣密度 1.92 g/cm3，GS為2.6，IP為 11.9。飽和土樣的三軸試驗(yàn)，得到該土樣的有效抗剪強(qiáng)度為c'=15.7 kPa;φ'=28.5°。

根據(jù)土樣的土水特性曲線圖2所示，可擬合［3］得到土水特性曲線方程的參數(shù) α，n，θs，θr的值分別為:0.077，1.413 6，1，0.017。并同時(shí)對(duì)該土樣進(jìn)行了非飽和三軸試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后測(cè)定土的含水量θw，推求飽和度為0.73，帶入預(yù)測(cè)式(1)，得到由于基質(zhì)吸力所提高了的非飽和粘聚力為:

因此此時(shí)總的強(qiáng)度為:

5 結(jié)論

本文利用自行研制的非飽和土土水特性曲線實(shí)驗(yàn)儀器，測(cè)試了邯鄲金世紀(jì)新城基坑的非飽和水力、強(qiáng)度特性，主要有如下結(jié)論:

(1)非飽和土樣隨著埋設(shè)深度(密實(shí)度)的增加持水能力顯著提高。

(2)相對(duì)于重塑土而言，原狀土的孔徑分布較為不均勻，表現(xiàn)在無(wú)明顯進(jìn)氣值，但隨著基質(zhì)吸力的增加，表現(xiàn)出較高的持水能力。

(3)非飽和土簡(jiǎn)化公式在確定非飽和粘聚力方面有著計(jì)算簡(jiǎn)便、容易操作等優(yōu)點(diǎn)。

［1］河北建設(shè)勘察研究院有限公司.區(qū)域非飽和原狀土抗剪強(qiáng)度特性及快速評(píng)價(jià)方法研究報(bào)告.2010

［2］梁金國(guó)，馮懷平.基于非飽和土理論的簡(jiǎn)化強(qiáng)度判斷公式研究［J］.工程勘察，2011(11):13

［3］梁金國(guó).河北地區(qū)土水特性曲線試驗(yàn)及數(shù)據(jù)庫(kù)研究［J］.工程勘察，2010(8):9～13

［4］沈珠江.非飽和土力學(xué)的回顧與展望［J］.水利水電科技進(jìn)展，1996(1)

［5］沈珠江.非飽和土力學(xué)實(shí)用化之路探索［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006(2):256～259