深厚軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分層量化對(duì)基坑支護(hù)安全的影響分析

張升鋒

(1.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 福建福州 350108；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建福州 350108)

0 引言

軟土具有顯著的地域性，是由其各自區(qū)域獨(dú)特的地質(zhì)演變歷程、水體條件、沉積環(huán)境和應(yīng)力歷史決定，每個(gè)地區(qū)軟土在微觀結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)、固結(jié)特性等方面將表現(xiàn)出明顯差異。

福州市區(qū)軟土主要為全新世地層，成因類型為海相沉積，可分為淤泥與淤泥質(zhì)土兩類，具有含水量高、孔隙比大、流塑性強(qiáng)、壓縮性高、力學(xué)強(qiáng)度低等典型的軟土特征。其中，福州地區(qū)軟土含水量可達(dá)90%以上，孔隙比可高達(dá)2.4，厚度超過40m[1]。

根據(jù)諸多學(xué)者研究[2-4]，在軟土地基中，隨著深度增加，土體含水率下降，密度增大，孔隙比也增大，土體的物理力學(xué)指標(biāo)和固結(jié)特性亦將有一定程度提高。其中，軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨深度變化對(duì)基坑支護(hù)受力及變形產(chǎn)生重要影響。

為了解軟土物理力學(xué)指標(biāo)變化對(duì)基坑支護(hù)變形及穩(wěn)定性影響，本文通過對(duì)福州地區(qū)近20個(gè)項(xiàng)目的軟土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，了解軟土指標(biāo)性質(zhì)隨深度變化規(guī)律，并分析軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)基坑變形、內(nèi)力及穩(wěn)定性影響。

1 軟土物理力學(xué)指標(biāo)變化規(guī)律

1.1 含水率和孔隙比變化

天然含水率是軟土最直接的物理性質(zhì)指標(biāo)，對(duì)軟土而言，天然含水率與孔隙比共同反映了淤泥三相體積占比關(guān)系，是反映軟土固結(jié)程度的重要指標(biāo)，也直接影響軟土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

通過對(duì)福州地區(qū)近20個(gè)項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)，得到天然含水量隨深度變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 含水率與取樣深度的相關(guān)性

由圖1可知，隨著取樣深度增大，軟土含水率呈逐漸減少趨勢，不同場地的含水率降低幅度略有不同，故統(tǒng)計(jì)出來的含水率所跨數(shù)值區(qū)間較大，最小含水率為40.8%，最大含水率達(dá)78.1%，存在較為明顯的離散性。

統(tǒng)計(jì)得到的孔隙比隨深度變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 孔隙比與取樣深度的相關(guān)性

由圖2可知，隨著取樣深度增大，與天然含水率變化規(guī)律類似，軟土孔隙比亦呈逐漸減少趨勢，不同場地的孔隙比降低幅度不盡相同，其中最小孔隙比為1.12，最大孔隙比達(dá)2.22。

通過上述分析，也進(jìn)一步驗(yàn)證了福州地區(qū)軟土具有高含水率、高孔隙比特點(diǎn)。

1.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化

土的抗剪強(qiáng)度是指土體抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度，其強(qiáng)度指標(biāo)包括粘聚力和內(nèi)摩擦力，可通過抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行測定。當(dāng)前，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)過程，土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)將直接影響作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力及土體的抗力，對(duì)于基坑的穩(wěn)定性也將產(chǎn)生顯著影響[5]。

為了解軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨深度的變化規(guī)律，本研究整理了近20個(gè)項(xiàng)目的軟土直剪快剪強(qiáng)度指標(biāo)，具體如圖3～圖4所示。

圖3 粘聚力與取樣深度的相關(guān)性

圖4 內(nèi)摩擦角與取樣深度的相關(guān)性

由圖3～圖4可知，隨著取樣深度的增大，軟土的直剪快剪強(qiáng)度指標(biāo)均明顯增大，呈現(xiàn)顯著的增長規(guī)律，其中粘聚力和內(nèi)摩擦角增大幅度不同，具體擬合增長曲線如下式所示：

粘聚力：c=0.089d+9.183(kPa)

內(nèi)摩擦角：φ=0.061d+2.637 (°)

式中c表示粘聚力，φ表示內(nèi)摩擦角，d表示取樣深度。

顯然，統(tǒng)計(jì)得到的軟土快剪強(qiáng)度指標(biāo)增長規(guī)律對(duì)于基坑支護(hù)的變形及穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。

2 參數(shù)指標(biāo)

為了分析抗剪強(qiáng)度指標(biāo)沿深度變化對(duì)基坑變形及穩(wěn)定性影響，本研究針對(duì)不同基坑開挖深度、分層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)基坑變形、內(nèi)力及穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析，具體指標(biāo)如表1～表2所示。

表1 沿厚度分層后抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

表2 基坑計(jì)算參數(shù)

對(duì)于軟土指標(biāo)不分層的情況，則取1/2的圍護(hù)樁長所在深度的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析。

3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分層量化對(duì)基坑支護(hù)影響

3.1 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分層量化對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響

軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分層量化對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響分析結(jié)果，如表3～表4所示。

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果(h=5m)

表4 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果(h=10m)

由表3～表4可知，隨著嵌固深度增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形基本呈現(xiàn)逐漸減少趨勢。

當(dāng)軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)未進(jìn)行分層量化時(shí)，土體深層水平位移最大值小于分層量化深層水平位移最大值，其因主要是未進(jìn)行分層量化時(shí)，軟土自上而下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均取指標(biāo)平均值，提高了淺層土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，降低了深層土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，間接提高了淺層土體m值[6]，從而使得未分層量化時(shí)的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形小于分層量化所得計(jì)算結(jié)果。

這表明，對(duì)于深厚軟土地基，當(dāng)未進(jìn)行軟土指標(biāo)分層量化時(shí)，低估了實(shí)際圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，使得計(jì)算所得支護(hù)結(jié)構(gòu)變形偏于危險(xiǎn)。故，深厚軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的分層量化，對(duì)確保支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的安全具有重要意義。

3.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分層量化對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響

軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分層量化與否，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響分析結(jié)果如表5～表6所示。

表5 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果(h=5m)

表6 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果(h=10m)

由表5～表6可知，當(dāng)軟土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)未進(jìn)行分層量化時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩和剪力則小于分層量化的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力值，其因主要在于：未進(jìn)行分層量化時(shí)，軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均統(tǒng)一取指標(biāo)的平均值，在提高了淺層土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)同時(shí)，降低了深層土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，間接提高了淺層土體的m值[6]，使得未分層量化時(shí)的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力小于分層量化計(jì)算所得內(nèi)力值。

這表明，同支護(hù)結(jié)構(gòu)變形結(jié)果類似，對(duì)于深厚軟土地基，當(dāng)未進(jìn)行軟土指標(biāo)分層量化時(shí)，低估了實(shí)際圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力值，使得計(jì)算所得支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力偏于危險(xiǎn)。故，進(jìn)行軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分層量化，對(duì)確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全具有重要的意義。

3.3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分層量化對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響

軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分層量化對(duì)基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)影響，如表7～表8所示。

表7 基坑整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果(h=5m)

表8 基坑整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果(h=10m)

由表7～表8可知，未進(jìn)行抗剪強(qiáng)度分層量化時(shí)，基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)明顯低于分層量化計(jì)算結(jié)果，其因主要在于：當(dāng)進(jìn)行抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分層量化后，深層土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨深度逐漸增大，計(jì)算所得的整體穩(wěn)定安全系數(shù)亦更高。故，沿深度進(jìn)行抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分層量化，對(duì)基坑整體穩(wěn)定安全的控制有利，可更合理地反映實(shí)際基坑安全性。

對(duì)于開挖深度分別為5m和10m的基坑，在滿足規(guī)范對(duì)整體穩(wěn)定安全系數(shù)要求前提下，分層量化時(shí)所得支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度分別為18.5m和37m；未分層量化時(shí)，所得支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度分別為22m和47m。這表明，當(dāng)未對(duì)深厚軟土進(jìn)行分層量化時(shí)，顯著增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的嵌固深度，造成不必要浪費(fèi)。

4 結(jié)論

通過對(duì)福州地區(qū)近20個(gè)項(xiàng)目的深厚軟土物理力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)，了解軟土指標(biāo)性質(zhì)隨深度變化規(guī)律，并分析軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)基坑變形、內(nèi)力及穩(wěn)定性的影響，主要結(jié)論如下：

(1)隨著深度的增大，天然含水率、孔隙比均呈逐漸減少趨勢，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨深度則呈現(xiàn)顯著的增大趨勢，但粘聚力和內(nèi)摩擦角的增大幅度不同。

(2)深厚軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分層量化，將更為準(zhǔn)確反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力值，對(duì)確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全具有重要意義。

(3)深厚軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分層量化，可提高基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)，在確保支護(hù)結(jié)構(gòu)安全前提下，可減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度，提高基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性。