楊洪磊

摘要：基于基坑邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，本文主要以工程實(shí)例為基礎(chǔ)，探討了在基坑邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)中，地下連續(xù)墻及水泥土攪拌樁等支護(hù)形式由于巖土參數(shù)選取的不同所得到的不同優(yōu)化，以及選取巖土參數(shù)的不同計(jì)算限值所對(duì)應(yīng)安全系數(shù)，最后建立基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中巖土參數(shù)選取模型，通過強(qiáng)度理論方面進(jìn)行論證和實(shí)際施工檢驗(yàn)，證明本文中所建立的模型的適用性。

關(guān)鍵詞：基坑邊坡支護(hù) 水泥土攪拌樁 地下連續(xù)墻 優(yōu)化 安全系數(shù) 適用性

前言

巖土材料的強(qiáng)度問題一直是巖土工程研究的焦點(diǎn)，巖土材料的強(qiáng)度理論也是巖土力學(xué)最早被研究和被提出的理論，目前已經(jīng)取得了很大的成果，并且解決了許多工程問題。目前比較認(rèn)同的強(qiáng)度準(zhǔn)則是Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則、Hoek-Brown準(zhǔn)則（Hoek E，1983）、統(tǒng)一強(qiáng)度準(zhǔn)則（俞茂宏，1994）、SMP準(zhǔn)則（MatsuokaH，1985）、Lade-Duncan準(zhǔn)則（Lade P V，1997），在上述強(qiáng)度準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上建立了巖石的非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則（咎月穩(wěn)等，2002；Mostafa M E，2003）和巖土材料的統(tǒng)一非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則（姚仰平等，2004）。

土的動(dòng)力非線性模型目前主要有兩大類，分別為黏彈性模型和彈塑性模型。土的黏彈性模型又分為等效線性模型和非線性黏彈性模型。用等效線性方法近似考慮土的非線性方法最早是由Seed（1968）提出的，該方法是將土體視為粘彈體，采用等效彈性模量或剪切模量和阻尼比來反映土體動(dòng)應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系得非線性和滯后性，并且將模量和阻尼比表示為動(dòng)應(yīng)變幅的函數(shù)。等效線性方法具有概念明確，應(yīng)用簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是不能反映土的變形累積，不能考慮應(yīng)力路徑對(duì)阻尼比的影響，不能考慮土的各向異性。

巖土材料統(tǒng)一破壞函數(shù)可以表達(dá)如下：

在基坑邊坡設(shè)計(jì)中巖土材料的極限狀態(tài)參數(shù)的選取，都直接或間接地與上述某個(gè)或某些強(qiáng)度準(zhǔn)則、模型相吻合。

1 基坑側(cè)壁土抗力標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算

總結(jié)目前國(guó)內(nèi)規(guī)程、規(guī)范對(duì)于邊坡土壓力的規(guī)定主要是：根據(jù)基坑土層特性、基坑規(guī)模、開挖方式及場(chǎng)地環(huán)境等條件，確定應(yīng)提供的巖土參數(shù)，是勘察評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容之一。在各類參數(shù)中，土體抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法和指標(biāo)的選用是至關(guān)重要的，其總的原則是應(yīng)盡可能與現(xiàn)場(chǎng)受力和排水條件相吻合，并按設(shè)計(jì)需要進(jìn)行選擇。當(dāng)前國(guó)內(nèi)基坑工程設(shè)計(jì)的側(cè)向壓力計(jì)算中，土壓力與水壓力合算或分算的方法均有采用，習(xí)慣上以采用直接剪切試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度峰值指標(biāo)居多，因此一般規(guī)定：一般情況下，即開挖較淺、面積較小的基坑，應(yīng)同時(shí)提供各類土層的直剪快剪和固結(jié)快剪峰值強(qiáng)度指標(biāo)；但因粉土、砂類土的直接快剪試驗(yàn)難以符合實(shí)際，所以當(dāng)需要不排水剪試驗(yàn)指標(biāo)時(shí)，此類透水性較好的土層應(yīng)進(jìn)行三軸試驗(yàn)；由于淤泥類土易于擾動(dòng)，影響室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)的可靠性，因此必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn)，提供原位條件下的不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。對(duì)于開挖較深、面積較大或場(chǎng)地條件較復(fù)雜的基坑，因工程的重要性和復(fù)雜性，在勘察評(píng)價(jià)內(nèi)容和方法上理應(yīng)更充實(shí)、更可靠，所以在抗剪強(qiáng)度、滲透性等重要指標(biāo)的試驗(yàn)方法上，以及應(yīng)有原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)相互印證綜合評(píng)價(jià)土層工程性質(zhì)等方面，不能無的放矢。

現(xiàn)狀：由于在設(shè)計(jì)、勘察過程中重復(fù)使用安全系數(shù)，采用的土體參數(shù)指標(biāo)偏低，一般只有室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)的0.5～0.6左右，導(dǎo)致邊坡開挖邊坡坡比大、護(hù)坡樁樁徑較大埋深大、地下連續(xù)墻及攪拌樁等嵌固深度偏大、支護(hù)形式單一且保守等現(xiàn)象非常普遍，建筑前期投資較大，造成很大的浪費(fèi)。那么能不能提高土體的參數(shù)呢？有沒有提高的依據(jù)呢？對(duì)工程（基坑）的安全性有沒有保證呢？結(jié)合本工程基坑開挖、支護(hù)設(shè)計(jì)、應(yīng)力變形量測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)、原位測(cè)試及室內(nèi)土體模型建立、試驗(yàn)等方面進(jìn)行探討。

2 工程實(shí)例

城廂東路公寓樓工程位于天津市南開區(qū)城廂東路與北馬路交口以南，地上25層，地下3層，基礎(chǔ)埋深9.5m。場(chǎng)地為舊房拆遷地。場(chǎng)地大部分范圍內(nèi)，較為平坦，局部由于分布有建筑垃圾，地面稍有起伏，地面標(biāo)高一般為5.02m～5.85m。

2.1地質(zhì)概況

2.1.1人工填土層

由上部的雜填土及下部的素填土組成，層厚3.70m～7.00m，頂界標(biāo)高4.31m～7.66m，從勘探情況來看，分布連續(xù)，由于場(chǎng)地為近期拆遷地，場(chǎng)地西部堆有填土，厚約2.00m～3.00m，局部較為低洼，故厚度變化大。

雜填土：一般厚度為1.20m～3.30m，局部分布較厚，約5.90m，雜色，松散，以建筑垃圾為主，局部為生活垃圾，分布連續(xù)。

素填土：一般厚度為0.70m～3.10m，局部分布較厚，約4.00m～5.00m，褐色，軟——可塑，以黏性土為主，局部層底有黑色淤泥質(zhì)土分布，為坑底淤積，工程力學(xué)性質(zhì)差。屬高～中壓縮性土，分布連續(xù)，填墊年限大于十年。

2.1.2上部陸相河床-河漫灘相沉積層

受人工填土及故坑影響，該層厚度、頂板標(biāo)高變化較大，厚度1.30m～4.80m左右，其頂板標(biāo)高為-0.88m～1.42m，局部頂板分布較高，為-2.40m。由單一的粉質(zhì)黏土組成。黃褐色，可塑，局部軟可塑，含鐵質(zhì)、有機(jī)質(zhì)及腐殖質(zhì)，屬高——中壓縮性土，分布連續(xù)。

2.1.3全新統(tǒng)中組第Ⅰ海相沉積層

厚度8.80m～9.80m左右，其頂板標(biāo)高為-2.09m～3.85m。主要由上部的粉土及下部的粉質(zhì)黏土組成。

粉土：一般厚度為2.30m～5.40m，灰色，稍——中密，砂粘互層，含貝殼及砂性較大的粉質(zhì)黏土薄層，屬中——低壓縮性土，分布連續(xù)。

粉質(zhì)黏土：一般厚度為3.90m～7.20m，灰色，軟塑，砂粘互層，含貝殼，屬高——中壓縮性土，分布連續(xù)。

2.1.4全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層：

厚度1.30m～2.30m，層頂標(biāo)高一般為-1 1.82m～-13.29m。主要由粉質(zhì)黏土、黏土組成，灰黑-灰白色，可塑狀態(tài)，含有機(jī)質(zhì)，中壓縮性。分布穩(wěn)定。

2.1.5全新統(tǒng)下組第Ⅱ陸相河床——河漫灘相沉積層

厚度1.20m～3.70m，層頂標(biāo)高-13.50m～-15.49m左右。主要由粉質(zhì)黏土組成，呈褐黃色，可塑狀態(tài)，局部夾黏土及粉土薄層，含鐵質(zhì)及礓石，中壓縮性，分布連續(xù)。

2.1.6上更新統(tǒng)五組第Ⅲ陸相河床——河漫灘相沉積層

厚度一般為5.70m～7.90m，層頂標(biāo)高-15.10m～-17.71m。由上部的粉質(zhì)黏土、中部的粉砂及下部的粉質(zhì)黏土組成。

粉質(zhì)黏土：一般厚度1.00m～3.00m，黃褐色，可塑，含鐵質(zhì)、礓石，夾粉土層。中壓縮性。分布不連續(xù)，以透鏡體形式分布于粉砂層頂部。

粉砂：一般厚度2.00m～7.90m，局部較薄，為1.40m～1.60m，黃褐色，中——密實(shí)，礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，含鐵質(zhì)、礓石，低壓縮性。分布連續(xù)，層厚變化較大。

2.2地下水特征

表層地下水屬于孔隙潛水類型，以大氣降水補(bǔ)給，蒸發(fā)和側(cè)向排泄為主，水位隨季節(jié)略有變化。地下水位年變化幅度一般在0.50m～1.00m左右。探期間測(cè)得場(chǎng)地地下水穩(wěn)定水位埋深一般為3.45m～5.90m，標(biāo)高1.25m～1.80m。

3 基坑支護(hù)方案

據(jù)建設(shè)方介紹，高層住宅樓基坑預(yù)采用逆做法，本次勘察查明：場(chǎng)地上部分布有厚層雜填土，埋深8.0m～14.0m段為粉土層，該層土在動(dòng)水壓力作用下易產(chǎn)生流沙現(xiàn)象。場(chǎng)地土質(zhì)較為復(fù)雜，因此，若采用逆做法，建議高層住宅樓基坑采用地下連續(xù)墻進(jìn)行支護(hù)，兼起止水與擋土雙重作用，并可作為擬建物地下室外墻，實(shí)行“二墻合一”方案。

我們此次地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)中采用的巖土參數(shù)選用五種組合，即大值、大值平均值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)值、小值平均值，分別計(jì)算地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì)厚度及穩(wěn)定性等各種參數(shù)，繼而采用巖土體強(qiáng)度理論和等效線性模型從安全性、使用的時(shí)間效應(yīng)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)等角度來分析：哪種工況更符合實(shí)際情況。

我們僅選用對(duì)方案有影響的20m以上的土層來進(jìn)行分析。

先找出對(duì)土壓力計(jì)算影響最大的抗剪強(qiáng)度參數(shù)及容重。

然后估算地下連續(xù)墻的厚度，見表1-2：

Ⅰ組合采用小值；Ⅱ組合采用標(biāo)準(zhǔn)值；Ⅲ組合采用平均值；Ⅳ組合采用大平值；Ⅴ組合采用大值，計(jì)算公式采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-99）中標(biāo)準(zhǔn)。

計(jì)算簡(jiǎn)圖：

假設(shè)基坑開挖深度為10.0m，采用厚度為500mm的地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，墻長(zhǎng)度為16m，墻頂標(biāo)高為5.00m（大沽高程）。共設(shè)2道支撐。未考慮地面荷載，詳見下圖：

4 基坑穩(wěn)定性分析

為了確保基坑工程的安全，基坑施工充分考慮土層、支護(hù)樁墻、支撐體系三者的“時(shí)空效應(yīng)”，坑底穩(wěn)定驗(yàn)算，以最下道支撐與地下墻的交點(diǎn)為滑弧中心，地下墻底面為滑裂圓弧的分層法計(jì)算，計(jì)算得Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組合穩(wěn)定安全系數(shù)K=2.16>2.0，滿足基坑開挖的穩(wěn)定要求。經(jīng)驗(yàn)算，圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性系數(shù)、基坑底抗隆起安全系數(shù)均符合規(guī)范要求，可以證明：Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組合圍護(hù)結(jié)構(gòu)均滿足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性要求。以上數(shù)據(jù)均為經(jīng)典法計(jì)算結(jié)果。但是采用Ⅳ組合計(jì)算的地下連續(xù)墻厚度僅為400mm，嵌固深度僅為5.0m；而Ⅱ、Ⅲ組合計(jì)算的地下連續(xù)墻厚度卻為600mm，嵌固深度卻均超過6.0m。

可以看出：在計(jì)算地下連續(xù)墻的厚度及穩(wěn)定性時(shí)，是可以同時(shí)考慮選用不同的巖土參數(shù)的，但是小值和大值是不能選用的，標(biāo)準(zhǔn)值、平均值及大值平均值都是可以選用的，但由于地下連續(xù)墻為主體的一部分，出于安全考慮，我們選用平均值與大值平均值的平均值作為計(jì)算的依據(jù)進(jìn)行重新計(jì)算得出：墻體厚度468mm，嵌固深度5.3m，整體穩(wěn)定安全系數(shù)：2.35；墻體抗隆起安全系數(shù)4.68；坑底抗隆起安全系數(shù)3.68，均符合規(guī)程規(guī)范的要求。

為了驗(yàn)證我們想法的可行性，我們又對(duì)該工程北側(cè)的水泥土攪拌樁進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果見下表：

可以看出：在計(jì)算水泥土攪拌樁的直徑、樁長(zhǎng)及穩(wěn)定性時(shí)，是可以同時(shí)考慮選用不同的巖土參數(shù)的，但是小值和大值是不能選用的，標(biāo)準(zhǔn)值、平均值及大值平均值都是可以選用的，選用大值平均值作為計(jì)算的依據(jù)符合規(guī)程規(guī)范的要求，僅這一項(xiàng)就可以節(jié)省大量的人力物力。

5 理論解釋

土體的強(qiáng)度發(fā)揮程度是與土體的變形緊密聯(lián)系在一起的，黏聚分量、剪脹分量和摩擦分量并不是同時(shí)達(dá)到最大值的，黏聚分量通常在其他分量充分發(fā)揮作用之前在較小的應(yīng)變下達(dá)到它的最大值，并迅速破壞；繼而剪脹充分發(fā)揮作用，達(dá)到某一應(yīng)變后，試樣體積不再增加，剪脹分量也就逐漸消失；當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變曲線趨于水平，唯一的強(qiáng)度分量是摩擦分量。黏聚分量與外加法向應(yīng)力無關(guān)，而剪脹與摩擦提供的剪阻力是剪切面上法向應(yīng)力的正比函數(shù)；在地質(zhì)過程中土顆粒之間形成了不同的膠結(jié)作用，和排列方式，根據(jù)沈珠江的二元介質(zhì)模型[根據(jù)地質(zhì)材料的形成過程和破損機(jī)理，將結(jié)構(gòu)性土體看作膠結(jié)元；將非均質(zhì)結(jié)構(gòu)性土體看作膠結(jié)元與軟弱帶組成，膠結(jié)元由膠結(jié)作用強(qiáng)的土顆粒組成，軟弱帶（摩擦元）由膠結(jié)作用弱的土顆粒組成，在受荷過程中，膠結(jié)元逐漸破損，轉(zhuǎn)化為摩擦元，兩者共同承受外部荷載]。根據(jù)均勻化理論可以得到如下的應(yīng)力分擔(dān)表達(dá)式：

{σ}：（1-λ）{σ_b}+λ{(lán)σ_f}

上式中{σ}為代表性單元的平均應(yīng)力；{σ_b）為代表性單元內(nèi)膠結(jié)元的平均應(yīng)力；{σ_f}為代表性單元內(nèi)摩擦元的平均應(yīng)力；λ為破損率。

土體作為非均質(zhì)材料，當(dāng)處于破壞或臨界狀態(tài)時(shí)，強(qiáng)度高的土層或土顆粒最先發(fā)揮作用，之后才是平均強(qiáng)度的土層或土顆粒，因此當(dāng)土體達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，其強(qiáng)度發(fā)揮應(yīng)該是高于平均強(qiáng)度的，因此選用大值平均值是有安全保證的。

驗(yàn)證：目前采用上述組合進(jìn)行設(shè)計(jì)的邊坡支護(hù)方案正在實(shí)施，穩(wěn)定性較好，下圖為應(yīng)力量測(cè)曲線，表明：應(yīng)力控制較好，墻體受力均勻，異常點(diǎn)較少。

6 結(jié)論

（1）基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中巖土參數(shù)的選取對(duì)支護(hù)形式的各種設(shè)計(jì)參數(shù)影響很大，尤其是對(duì)于時(shí)間效應(yīng)短的工程，特別是一些臨時(shí)性支護(hù)形式；

（2）對(duì)于巖土參數(shù)的選取建議對(duì)于地下連續(xù)墻采用平均值與大值平均值兩者的平均值；對(duì)于其他臨時(shí)性支護(hù)形式建議采用大值平均值；

（3）考慮到基坑開挖前提前降水，基坑邊坡土體固結(jié)導(dǎo)致工程性質(zhì)增強(qiáng)，抗剪強(qiáng)度提高幅度很大等方面也是上述取值合理的又一安全儲(chǔ)備。

（4）本文編寫同時(shí)，按照實(shí)際工況制作的室內(nèi)模型的試驗(yàn)工作正在進(jìn)行，數(shù)據(jù)采集工作已經(jīng)開始，待數(shù)據(jù)分析工作結(jié)束，作者將對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行繼續(xù)探討。