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(lái)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(wèn)題展開(kāi)綜合敘述。

關(guān)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(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，除了必須確保基坑側(cè)壁及周邊環(huán)境安全外，還應(yīng)在安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的前提下最大限度地滿足土方及主體結(jié)構(gòu)施工便利的要求。基坑工程的周邊環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜、環(huán)境保護(hù)要求越來(lái)越嚴(yán)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(shù)提供了很大的展示舞臺(tái)。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(shè)計(jì)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(wèn)題展開(kāi)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(xué)機(jī)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(zhì)相互作用的性質(zhì)，同時(shí)也反映軟土的抗剪強(qiáng)度和壓縮性的大小，含水量愈大，將導(dǎo)致土的抗剪強(qiáng)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(jié)速率很慢，強(qiáng)度無(wú)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(jì)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(jié)狀態(tài)，同時(shí)也有少部分淺層軟土是欠固結(jié)土層，相應(yīng)的壓縮系數(shù)a1-2均值為1.17MPa-1，最大的達(dá)到3.3 MPa-1。

（5）結(jié)構(gòu)性強(qiáng)。蜂窩狀、絮凝結(jié)構(gòu)為主的珠三角軟土受到擾動(dòng)會(huì)造成其強(qiáng)度的顯著降低，更甚者會(huì)呈現(xiàn)流動(dòng)狀態(tài)。

（6）抗剪強(qiáng)度低。軟土的快剪強(qiáng)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(jìn)行地基加固的話，通常很難滿足工程的建設(shè)需求。

2.1.2軟土的非線性特征

原狀軟土的三軸固結(jié)排水剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，軟土是一種屬于正常固結(jié)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(shí)間增加的現(xiàn)象。蠕變特性對(duì)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(jié)束后，土體的變形并不會(huì)停止，仍有可能長(zhǎng)期發(fā)展，最終還可能導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)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(dǎo)出了與Terzaghi相似的穩(wěn)定系數(shù)。Ukritchon et al.運(yùn)用上下限定理，結(jié)合數(shù)值線性規(guī)劃計(jì)算方法，進(jìn)行了相關(guān)研究。近來(lái)數(shù)值分析方法在巖土工程中得到了廣泛的應(yīng)用，主要出現(xiàn)了強(qiáng)度折減有限元方法和極限分析有限元方法來(lái)進(jìn)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(shí)例上海地鐵M6號(hào)線某區(qū)間基坑工程資料，總結(jié)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(hù)，根據(jù)不同的基坑保護(hù)等級(jí)設(shè)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(shè)置四道內(nèi)撐（局部區(qū)段設(shè)置5道內(nèi)撐）。

4.1.1地連墻水平變形特征

在標(biāo)準(zhǔn)段變形整體呈現(xiàn)兩頭小，中間大的特點(diǎn)，與以往采用多到內(nèi)撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律相符。地連墻變形隨著開(kāi)挖深度的加深而不斷增大，出現(xiàn)了踢腳的情況，累計(jì)最大變形71.22mm，踢腳變形37.32mm；有支撐的地方，變形較小，隨時(shí)間呈穩(wěn)定增長(zhǎng)或不變；基坑暴露時(shí)間越長(zhǎng)，變形的增長(zhǎng)越快。

由于開(kāi)挖和分段不嚴(yán)格，架設(shè)支撐不及時(shí)，挖土對(duì)被動(dòng)區(qū)土體擾動(dòng)和主動(dòng)區(qū)軟土的流變特性，對(duì)地墻變形有較大影響。這充分驗(yàn)證了軟土地區(qū)考慮時(shí)間和空間因素的必要性。

4.1.2變形的時(shí)空效應(yīng)

以往的軟土類工程實(shí)踐表明，軟土具有明顯的流變特性。對(duì)于軟土類基坑工程，這個(gè)問(wèn)題同樣不可忽視。

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

在設(shè)計(jì)計(jì)算基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，一般采用常規(guī)的桿系有限元，只要賦予其相應(yīng)的土壓力和被動(dòng)抗力系數(shù)，便可求解出擋土結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的內(nèi)力與變形。

參考相關(guān)資料知基坑在開(kāi)挖過(guò)程中，由于軟土的流變特性與被動(dòng)區(qū)土壓力和開(kāi)挖方式的差異性，被動(dòng)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(jì)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(kāi)挖寬度； 為第j道工序的開(kāi)挖深度； 為第j道工序的開(kāi)挖時(shí)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(cè)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)規(guī)律得，墻后的主動(dòng)土壓力與采用的梯形分布相當(dāng)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(shí)間、軟土流變特性等的綜合參數(shù) ，定義 為按實(shí)測(cè)值設(shè)定的等效梯形面積與按彈性計(jì)算的主動(dòng)土壓力面積的比值，并且 約為0.7～1.0。

5.結(jié)語(yǔ)

軟土地區(qū)深基坑工程采取地下連續(xù)墻的支護(hù)形式能充分體現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)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(kāi)挖深度的增加逐漸變緩，并且有稍許回彈。當(dāng)支護(hù)墻體剛度較小時(shí)，抗隆起安全系數(shù)隨支護(hù)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(hù)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(kāi)挖深度的增加而降低，基坑隆起失穩(wěn)面隨開(kāi)挖深度的增加而變深。

參考文獻(xiàn)：（References）：

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（作者單位：華南理工大學(xué)）