廈門(mén)地區(qū)某基坑項(xiàng)目提高卵石黏聚力取值的相關(guān)探索

摘 要：卵石自身特點(diǎn)決定了難以測(cè)得較為準(zhǔn)確的黏聚力指標(biāo)。工程實(shí)踐中往往保守取值，可能造成浪費(fèi)。通過(guò)收集其他地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)坑探試驗(yàn)和理論公式反算，對(duì)廈門(mén)地區(qū)某基坑項(xiàng)目提高卵石黏聚力取值的幾種方法進(jìn)行了探索，并將探索成果應(yīng)用于實(shí)際，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：卵石；黏聚力；現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)；反算

中圖分類(lèi)號(hào)：TU411.7 " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號(hào)：2096-6903（2024）12-0108-03

0 引言

巖土界業(yè)內(nèi)一般認(rèn)為，卵石本身不具黏聚力。一方面其骨架空隙間往往填充了砂礫土或黏性土，受到上覆壓力和自重作用就會(huì)表現(xiàn)出一定的“膠結(jié)力”或“似黏聚力”，另一方面在水流沖積條件下卵石粗顆粒間相互交錯(cuò)鑲嵌亦會(huì)形成一種“咬合力”。這種“膠結(jié)力”或“咬合力”跟顆粒級(jí)配、組合關(guān)系以及充填物有關(guān)，雖有別于傳統(tǒng)意義上巖土層的“黏聚力”，但習(xí)慣上仍稱(chēng)之為“黏聚力”，本文亦按此稱(chēng)謂表述。

由于卵石自身顆粒組成的原因，不易采取原狀試樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，故難以測(cè)得較為準(zhǔn)確的黏聚力指標(biāo)。在福建地區(qū)，作為巖土行業(yè)指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)的《巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》（DBJT 13-84—2022）附錄F“福建省常見(jiàn)土層物理力學(xué)指標(biāo)”表中未提供“泥質(zhì)礫卵石”和“砂礫卵石”層的抗剪強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)[1]。而《建筑與市政地基基礎(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（DBJT13-07—2021）附錄C“基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參考指標(biāo)”表中提供“砂卵（碎）石”層黏聚力在稍密狀態(tài)取3～8 kPa、中密狀態(tài)取3～15 kPa、密實(shí)狀態(tài)取5～20 kPa[2]，參考取值的區(qū)間范圍較大。說(shuō)明在福建地區(qū)，關(guān)于卵石黏聚力的取值存在大量不確定性。

因此在工程實(shí)踐中，為了工程安全，勘察單位一般參考此建議表保守地取小值。但抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、特別是黏聚力取值偏小，必將增加工程成本。特別是在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，剪切強(qiáng)度指標(biāo)直接影響了支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇、支護(hù)樁樁長(zhǎng)、材料用量等，進(jìn)而決定了經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程實(shí)例

某項(xiàng)目場(chǎng)地位于福建省廈門(mén)市集美區(qū)，屬?zèng)_洪積地貌。場(chǎng)地表部1 m左右為黏性土為主的松散素填土層，其下為厚度6 m左右的主要呈稍密狀、部分中密狀的卵石層。地下水埋深約3.5 m。項(xiàng)目下設(shè)1層地下室，基坑開(kāi)挖深度約5 m。

基坑側(cè)壁以卵石為主，坑底均為卵石層。該卵石層磨圓度較好，多呈次圓形、圓形，部分呈次棱角狀，粒徑多為5～7 cm，個(gè)別達(dá)10 cm以上，骨架充填物主要為黏性土及少量砂土。詳細(xì)勘察時(shí)主要采用常規(guī)的鉆探手段，對(duì)卵石進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)重探測(cè)試并取樣進(jìn)行顆分試驗(yàn)?？辈靾?bào)告根據(jù)測(cè)試（試驗(yàn)）結(jié)果并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，按常規(guī)取值提供卵石黏聚力為3 kPa，內(nèi)摩擦角為35°。

基坑支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，按此剪切指標(biāo)進(jìn)行初步驗(yàn)算，較為經(jīng)濟(jì)的土釘墻方案基本不可行，結(jié)合類(lèi)似場(chǎng)地經(jīng)驗(yàn)擬采用SWM工法樁。設(shè)計(jì)人員現(xiàn)場(chǎng)踏勘時(shí)，發(fā)現(xiàn)鄰近項(xiàng)目基槽挖深2 m以上時(shí)，以卵石為主的基坑側(cè)壁仍較穩(wěn)定，于是考慮優(yōu)化支護(hù)方案的可能性。

在優(yōu)化過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角取值變化前后的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明：相同工況條件下，內(nèi)摩擦角的增加對(duì)基坑整體穩(wěn)定性的影響相對(duì)較小，而隨著黏聚力C的增加，整體穩(wěn)定性將大幅提高，若C值增加3 kPa，穩(wěn)定性系數(shù)提高約20%～25%，說(shuō)明影響支護(hù)方案的關(guān)鍵因素就在于卵石層的黏聚力取值。因此，勘察單位針對(duì)提高卵石黏聚力取值的幾種方法進(jìn)行了探索。

2 探索過(guò)程

2.1 現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)

獲取卵石層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)最直接的手段就是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)直接剪切試驗(yàn)，該試驗(yàn)主要適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定巖體軟弱結(jié)構(gòu)面、巖石和土的接觸面、滑動(dòng)面、混合土、粗顆粒土、殘積土的抗剪強(qiáng)度[1]。其試驗(yàn)原理與室內(nèi)試驗(yàn)的直剪儀基本相同，由于試樣的受剪面積比室內(nèi)試驗(yàn)更大，且是在現(xiàn)場(chǎng)直接試驗(yàn)，能最大限度保證土樣的原狀性，減少擾動(dòng)影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)能較準(zhǔn)確反映試驗(yàn)土體的實(shí)際強(qiáng)度指標(biāo)。

由于現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)需采用剪力盒（位移計(jì)、軸力計(jì)等）、承壓板、千斤頂、反力系統(tǒng)等各種設(shè)備，部分設(shè)備外購(gòu)時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法滿(mǎn)足項(xiàng)目工期要求，本次探索未采用該手段。

據(jù)部分地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)的研究成果，成都地區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算中建議砂卵石的抗剪強(qiáng)度 C取10～15 kPa[3]，蘭州城區(qū)砂卵石土咬合力在7.92～49.6 kPa（標(biāo)準(zhǔn)值14.8 kPa）[4]，北京市白河流域（密云城區(qū)附近）呈中密狀態(tài)的（砂質(zhì)充填）卵石粘聚力可取10.18 kPa[5]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，砂質(zhì)卵石黏聚力基本可達(dá)8 kPa以上，理論上泥質(zhì)卵石黏聚力更大。本地區(qū)研究成果較少，但對(duì)比而言，本場(chǎng)地以泥質(zhì)卵石為主，黏聚力在3 kPa的基礎(chǔ)上應(yīng)該有上調(diào)空間。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)坑探試驗(yàn)

由于無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)，而繼續(xù)采用詳勘時(shí)的鉆探手段結(jié)合取樣測(cè)試、試驗(yàn)來(lái)提高卵石黏聚力取值依據(jù)不足?？紤]到鉆探時(shí)受孔徑限制及機(jī)械擾動(dòng)影響，相關(guān)的取樣和測(cè)試不能完全反映卵石的真實(shí)狀態(tài)，且鄰近場(chǎng)地類(lèi)似地質(zhì)條件的基槽能自穩(wěn)，為查明本場(chǎng)地卵石的成份狀態(tài)和臨時(shí)自穩(wěn)性，勘察單位進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)坑探試驗(yàn)。

試驗(yàn)過(guò)程中，在基坑內(nèi)側(cè)角點(diǎn)附近采用機(jī)械開(kāi)挖了4個(gè)探坑，探坑間距25～30 m，每個(gè)探坑平面尺寸約2 m×2 m，挖深約3 m。探坑平面位置圖如圖1所示。

開(kāi)挖情況顯示，在3 m的挖深范圍內(nèi)，探坑側(cè)壁均能近乎垂直穩(wěn)定（據(jù)連續(xù)觀察，在無(wú)外部干擾時(shí)，基本能處于持續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)），開(kāi)挖面卵石充填物以黏性土為主，部分為砂礫土，未見(jiàn)地下水。探坑開(kāi)挖情況如圖2所示。

開(kāi)挖后，勘察單位一方面在每個(gè)探坑代表性部位采用環(huán)刀對(duì)充填物采取原狀試樣6件、共24件進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，以確定充填物的準(zhǔn)確名稱(chēng)并測(cè)試剪切強(qiáng)度指標(biāo)。黏聚力統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。另一方面安排多名經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)員對(duì)開(kāi)挖面及開(kāi)挖出的近原狀卵石堆積物進(jìn)行編錄，內(nèi)容除常規(guī)的顏色、狀態(tài)、成分等，主要觀察卵石顆粒與充填物的“分離”速度，以及充填物自身的“散體”速度，同時(shí)亦對(duì)卵石與充填物、充填物自身進(jìn)行手工“剪切”或“掰開(kāi)”。通過(guò)觀察，進(jìn)而手工“剪切”，可粗略感受黏聚力情況。

受限于主觀上經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)的差異，客觀上“黏性”的差異，技術(shù)員的感受結(jié)果差異較大，但結(jié)合觀察情況發(fā)現(xiàn)：該場(chǎng)地卵石顆粒與充填黏性土間的黏聚力約為黏性土自身的30%～50%。根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果，充填物黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值為16.8 kPa，可粗略估算出卵石與充填黏性土間的黏聚力約為5～8.4 kPa。

2.3 理論公式反算

坑探試驗(yàn)中采用環(huán)刀取樣測(cè)試的充填物剪切指標(biāo)較為準(zhǔn)確，但亦受限于充填物的性質(zhì)（若主要為砂質(zhì)充填物，環(huán)刀法亦難以取得原狀試樣），而通過(guò)觀察和手工“剪切”獲取的“感受”成果具有太大的主觀性，僅能非常粗略地反映卵石及充填物黏聚力的差異，是一種感性認(rèn)識(shí)，基本無(wú)法直接作為結(jié)論使用。

經(jīng)查詢(xún)資料和行業(yè)專(zhuān)家指導(dǎo)，若將基坑側(cè)壁視為臨時(shí)邊坡，當(dāng)邊坡坡面為傾斜、坡頂水平、無(wú)超載（探坑側(cè)壁正好滿(mǎn)足此條件）時(shí)，可以參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》第6.2.10條所列公式初步反算土體粘聚力C值，公式如式（1）所示。

（1）

反算公式如式（2）所示。

（2）

式中，h為邊坡的垂直高度，可取探坑開(kāi)挖深度3 m；γ為土體重度，可取勘察報(bào)告中卵石重度建議值20 kN/m3；α'為坡面與水平面夾角，探坑近垂直開(kāi)挖，可取85°；φ為內(nèi)摩擦角，可取勘察報(bào)告建議值35°。θ為臨界滑動(dòng)面與水平面的夾角，根據(jù)該條規(guī)定條文說(shuō)明：當(dāng)α'=90°或傾斜邊坡坡高為臨界高度時(shí)，θ=（α'+φ）/2，探坑近垂直開(kāi)挖，將挖深3 m視為自穩(wěn)的臨界高度后，θ為60°。

根據(jù)反算結(jié)果，黏聚力C值為6.57 kPa。此外，經(jīng)試算，若自穩(wěn)臨界高度增加0.5 m，C值將提高1 kPa左右。若開(kāi)挖范圍內(nèi)考慮地下水的作用，C值將有所下降，但基坑施工一般要求將水位降至坑底下一定深度，故在反算過(guò)程中一般可不考慮地下水的影響。

3 應(yīng)用效果

綜合以上探索結(jié)果，勘察單位將本項(xiàng)目黏聚力建議值調(diào)整為6 kPa。調(diào)整后的數(shù)值經(jīng)施工圖審查后，設(shè)計(jì)人員采用該值將支護(hù)方案調(diào)整為土釘（擊入式錨管）墻。由于開(kāi)挖揭露充填物主要為弱-微透水的黏性土，地下水治理方案也由攪拌樁止水帷幕變更為降、排水，總體上相比原來(lái)的工法樁方案節(jié)省造價(jià)近30%。該項(xiàng)目基坑目前已回填，施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，說(shuō)明支護(hù)方案的合理性，也驗(yàn)證了本場(chǎng)地上調(diào)卵石黏聚力取值的安全性。

4 結(jié)束語(yǔ)

關(guān)于卵石層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、特別是黏聚力取值須慎重，應(yīng)根據(jù)不同顆粒級(jí)配、組合關(guān)系及充填物情況盡可能的挖掘黏聚力的潛力，以更準(zhǔn)確地指導(dǎo)設(shè)計(jì)，安全、科學(xué)、合理的降低工程造價(jià)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察、感性認(rèn)識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)大致判斷巖土體特征仍是巖土工程師必備技能之一。因此在無(wú)充分的研究數(shù)據(jù)及深入的地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖后主觀上的感性認(rèn)識(shí)和客觀的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合理想化的理論公式反算，并參考其他地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值和研究成果，可以輔助本地區(qū)黏聚力指標(biāo)的取值。

建議主管部門(mén)和行業(yè)單位對(duì)本地區(qū)砂卵石層開(kāi)展全面、系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)，測(cè)試不同條件下的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而形成經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)公式，以更好地指導(dǎo)區(qū)域內(nèi)工程項(xiàng)目建設(shè)。

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