軟土特性及其基坑工程分析

梁建勛

摘要：在軟土類基坑工程中，由于軟土特殊的流變特性，給軟土基坑工程帶來了諸多困難。本文就軟土的概念及基本特性，軟土基坑的抗隆起穩(wěn)定性分析以及變形問題展開綜合敘述。

關鍵詞：軟土；深基坑；抗隆起穩(wěn)定性；變形

1引 言

基坑工程是一個復雜的系統(tǒng)工程，除了必須確保基坑側壁及周邊環(huán)境安全外，還應在安全可靠、經(jīng)濟合理的前提下最大限度地滿足土方及主體結構施工便利的要求。基坑工程的周邊環(huán)境越來越復雜、環(huán)境保護要求越來越嚴格、節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展等要求為軟土基坑工程新技術提供了很大的展示舞臺。但是軟土具有壓縮性高、含水量大、承載力低等特性，這決定了軟土基坑工程的設計和施工比一般的基坑工程要難。本文就軟土的概念及基本特性，軟土基坑的抗隆起穩(wěn)定性分析以及變形問題展開綜合敘述。

2軟土的基本特性

2.1.1軟土的物理特性

以珠江三角洲的軟土為例，軟土主要由以下特性：

（1）天然孔隙比大，含水量高。由土體的物理力學機理可知，軟土的高含水量和大孔隙比不僅僅反映土中礦物成分與介質相互作用的性質，同時也反映軟土的抗剪強度和壓縮性的大小，含水量愈大，將導致土的抗剪強度愈小，壓縮性愈大。

（2）垂直滲透性低。由于土層垂直方向的滲透系數(shù)在10-6～10-8cm/s，這造成了土體在荷載作用下固結速率很慢，強度無法提高。

（3）土體接近飽和。取樣的珠江三角洲軟土土樣的飽和度St=統(tǒng)計均值約為98.5%。

（4）壓縮性高。珠江三角洲地區(qū)土層多數(shù)為正常固結狀態(tài)，同時也有少部分淺層軟土是欠固結土層，相應的壓縮系數(shù)a1-2均值為1.17MPa-1，最大的達到3.3 MPa-1。

（5）結構性強。蜂窩狀、絮凝結構為主的珠三角軟土受到擾動會造成其強度的顯著降低，更甚者會呈現(xiàn)流動狀態(tài)。

（6）抗剪強度低。軟土的快剪強度隨著土層深度加深而逐漸提高，一般為1-27kPa。

（7）承載力低。軟土的地基承載力一般為20～130kPa，其均值約為 68kPa，如果不進行地基加固的話，通常很難滿足工程的建設需求。

2.1.2軟土的非線性特征

原狀軟土的三軸固結排水剪切實驗結果表明，軟土是一種屬于正常固結土的典型加工硬化性材料。

2.1.3軟土的蠕變性特征

蠕變性指的是材料在恒載下（外界載荷不變）的情況下，變形程度隨時間增加的現(xiàn)象。蠕變特性對軟土地基變形特性的影響很大，在很多情況下，在加載已經(jīng)結束后，土體的變形并不會停止，仍有可能長期發(fā)展，最終還可能導致土體結構的破壞。

3軟土基坑隆起穩(wěn)定性分析

極限平衡分析法是最早用在抗隆起穩(wěn)定性的分析的方法，傳統(tǒng)的兩種方法是分別由Terzaghi和Bjerrum提出的。Chang極限上限定理分析方法推導出了與Terzaghi相似的穩(wěn)定系數(shù)。Ukritchon et al.運用上下限定理，結合數(shù)值線性規(guī)劃計算方法，進行了相關研究。近來數(shù)值分析方法在巖土工程中得到了廣泛的應用，主要出現(xiàn)了強度折減有限元方法和極限分析有限元方法來進行基坑的抗隆起穩(wěn)定性分析。

4軟土基坑變形

參考工程實例上海地鐵M6號線某區(qū)間基坑工程資料，總結軟土地區(qū)基坑變形的特征和變化規(guī)律。

采用地下連續(xù)墻支護，根據(jù)不同的基坑保護等級設置不同深度和厚度的地連墻，深度25～33m，厚度有600mm和800mm兩種。沿深度方向設置四道內(nèi)撐（局部區(qū)段設置5道內(nèi)撐）。

4.1.1地連墻水平變形特征

在標準段變形整體呈現(xiàn)兩頭小，中間大的特點，與以往采用多到內(nèi)撐的圍護結構的變形規(guī)律相符。地連墻變形隨著開挖深度的加深而不斷增大，出現(xiàn)了踢腳的情況，累計最大變形71.22mm，踢腳變形37.32mm；有支撐的地方，變形較小，隨時間呈穩(wěn)定增長或不變；基坑暴露時間越長，變形的增長越快。

由于開挖和分段不嚴格，架設支撐不及時，挖土對被動區(qū)土體擾動和主動區(qū)軟土的流變特性，對地墻變形有較大影響。這充分驗證了軟土地區(qū)考慮時間和空間因素的必要性。

4.1.2變形的時空效應

以往的軟土類工程實踐表明，軟土具有明顯的流變特性。對于軟土類基坑工程，這個問題同樣不可忽視。

區(qū)別于其它的施工技術，基坑工程中的時空效應原理的施工方法有所不同，它主要強調及時的支撐架設和相應的挖土工藝（對稱、平衡、分層、分段等）。考慮到這些因素，所以在建立變形計算模型時必須要引入時間和空間變量的概念，常用的考慮土的流變特性的分析計算方法有彈粘性有限元計算方法。

在設計計算基坑支護結構時，一般采用常規(guī)的桿系有限元，只要賦予其相應的土壓力和被動抗力系數(shù)，便可求解出擋土結構對應的內(nèi)力與變形。

參考相關資料知基坑在開挖過程中，由于軟土的流變特性與被動區(qū)土壓力和開挖方式的差異性，被動區(qū)土壓力及水平抗力系數(shù)Kh都是變化的。可得到不同土層，工況條件下Kh的計算模型：

式中： 為第i層土體的重度；Ci是第i層土體的黏聚力； 是第i層土體的內(nèi)摩擦角；hi，hi-1是第i層和第i-1層土體的層底埋深； 為第j道工序的開挖寬度； 為第j道工序的開挖深度； 為第j道工序的開挖時間；A1，A2，…，A7是待定系數(shù)；具體函數(shù)f由具體的條件確定。

由監(jiān)測數(shù)據(jù)和統(tǒng)計規(guī)律得，墻后的主動土壓力與采用的梯形分布相當接近，因此可以按面積相等等效成梯形分布。引入綜合考慮時間、軟土流變特性等的綜合參數(shù) ，定義 為按實測值設定的等效梯形面積與按彈性計算的主動土壓力面積的比值，并且 約為0.7～1.0。

5.結語

軟土地區(qū)深基坑工程采取地下連續(xù)墻的支護形式能充分體現(xiàn)安全、經(jīng)濟的原則。地下連續(xù)墻剛度大，擋土止水效果好，采用地下連續(xù)墻，變形小，基坑土體位移增加速率隨開挖深度的增加逐漸變緩，并且有稍許回彈。當支護墻體剛度較小時，抗隆起安全系數(shù)隨支護墻體剛度的增加而增大，但增加到一定程度即可作剛性；基坑隆起失穩(wěn)面隨支護墻體剛度的增加而變深、變寬。基坑抗隆起安全系數(shù)隨基坑開挖深度的增加而降低，基坑隆起失穩(wěn)面隨開挖深度的增加而變深。

參考文獻：（References）：

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（作者單位：華南理工大學）