邯郸金世纪新城基坑非饱和特性实验研究

王厚星，王伟

(河北建设勘察研究院有限公司，河北石家庄 050031)

1 引言

随着城市化的深入，高层建筑、城市地铁以及地下空间大量的修建与利用，伴随这些大型土木工程的进行，对构造物基坑稳定性的研究日益引起人们的关注。在自然状态下，我国北方地区特别是河北地区，土层大多数处于非饱和土状态，一般情况下非饱和土体比饱和土体稳定系数高。正是由于基质吸力的存在，在大量的工程实践中，我们常会发现许多垂直开挖的稳定基坑，而按着常规稳定性设计早已应该失稳了。目前，当我们在对基坑稳定性设计时，一般未能考虑基质吸力对于基坑的影响，因此，在应用中，用饱和土的理论参数去解决非饱和土的工程问题是很不合理、不经济的。合理精确地确定参与边坡稳定性验算的各层土的抗剪强度指标是一项极具经济价值和科学价值的工作。

目前针对非饱和土基坑稳定性影响的研究主要侧重于下面三个方面:①关于非饱和土的力学、水力学室内特性实验研究;②全尺寸的非饱和土现场试验;③采用数值模拟的方法与实测数据进行对比。完全的考虑水-力学特性耦合效应的非饱和土理论十分复杂，对于工程实际应用十分不便，本文将在通过实验方法研究非饱和土的力学与水力学特性的基础上，分析简化的非饱和土抗剪强度理论。

2 工程概况

邯郸金世纪新城为高层住宅楼，地上34层，地下3层，基础筏板底标高绝大部分为-15.15 m(电梯井标高-16.9 m、-18.0 m)，垫层厚度为 150 mm，因此，基坑开挖深度15 m(自然地面起算)，局部开挖深度为16.75 m和 17.85 m(自然地面起算)。勘察显示65.0 m深度范围内除表层杂填土、素填土外，地层以第四系冲洪积地层为主，根据其岩性及物理力学性质，自上而下分为12层，分别为①层杂填土;层厚0.3 m～2.6 m。②层粉质粘土:层厚1.9 m～4.7 m。③层粉质粘土:层厚 2.0 m～5.6 m。④层粉质粘土:层厚1.6 m～4.8 m。⑤层粉土:层厚0.9 m～4.1 m。⑥层粉质粘土:层厚1.0 m～3.9 m;⑦层粉质粘土。⑧层中粗砂、卵石:层厚2.2 m～10.8 m。⑨层粉质粘土:层厚 5.0 m～11.4 m。⑩层卵石:层厚 2.0 m～6.0 m。[11]层粉质粘土含卵石:层厚2.8 m～12.5 m。[12]层粉质粘土:揭露最大厚度为16.70 m。

该拟建工程基坑开挖深度为15.0 m(局部开挖深度为16.75 m和17.85 m)，该工程基坑开挖时进行地下水控制，水头降至基底以下0.5 m，因此，基坑开挖区域土层均处于非饱和土区。

3 非饱和土土水特性曲线实验研究

测试土水特性曲线，需要控制两个方面的基本参数［1］，一是对基质吸力的精确控制，为了得到非饱和土的进气值，开始阶段基质吸力精度要求控制在3 kPa以内，而基质吸力的量测范围一般都在1.5 MPa以上，这对基质吸力的控制设备提出了很高的要求。二是，如何准确地测试排出水的体积，为了提高实验的稳定时间，一般情况下试样的高度都在2 cm左右，在每级载荷作用下，排水量都比较小，因此需要较为精密的测量排水量的方法，有的实验采用有排水管法，也有的实验通过用高精密天平测试排水质量的方法来确定。目前常用的仪器有美国Soilmoisture公司生产的水土特性压力板仪以及Fredlund的土水特性曲线压力仪，然而这些仪器在价格方面都非常昂贵，并且实验耗时较长，不利于工程中大量使用。

3.1 多终端土水特性曲线仪介绍

根据文献［1］，配套的压力板仪结构组成如图1所示，主要由氮气瓶、高压软管、压力容器及高进气值陶土板、排水量测系统等部分组成。具有以下特点:①同时测试土样多，测试系统的终端可以根据需要自由扩展，目前我们有8个试验终端，3套压力控制设备。也就是说能够同时进行3种不同基质吸力、8种不同土样的SWCC试验，大大提高了试验效率。为土水特性曲线数据库的完成奠定了基础，也是本测试仪器的最大优点。②高进气值陶土板压力源采用氮气瓶，气源压力大，无噪音，使用安全，换气方便及不受用电等限制的特点;低进气值陶土板采用实验室现有的空压机作为气源，能有效利用现有设备资源、且费用低等优点。

图1 多终端土水特性曲线测试仪

3.2 非饱和土土水特性曲线实验

实验用土主要考虑对基坑稳定性构成影响的土层，取自金世纪新城基坑的第②、③、④层，各土层土性如表1所示。

试验土样物理力学性质 表1

图2 各土层土水特性曲线比较

图2为实测水土特性曲线图，从图中看，随着各层土样埋深的增加，土层的持水性能逐渐变好，第④层的土样持水性能较埋深较浅的土样好。另外，比较第②、③层土样的土水特性曲线可以看出，粉土的持水性能比粉质粘土较差。另外，第③、④层土样的水分曲线差别不大，从表1可以看出两种土样土性接近，第④层土样的持水性能要好于第③层，从表中可以看出第③层土样的孔隙比较第④层土样要大，毛细力与孔隙体积的大小成反比，而孔隙体积的大小与孔隙比成正比，因此空气进入值AEV与孔隙比成反比。因此孔隙比大的土样，尽管土性相似，其保水性能也会降低，这与Kawai(2000)的实验结果相一致。从实验结果上看孔隙比的大小不仅仅对进气值有影响，同时也影响土样的排水速度，主要表现在土样在较高基质吸力时(本实验大于100 kPa时)，排水迅速。这一实验结论正好说明了堆积松散的土层，强度受含水量变化的影响比密实土样要明显。

图3 不同性状土水特性曲线比较

研究者们曾开展了大量的土水特性曲线的室内试验研究，但这些研究大多数都是针对重塑土进行的，而在实际工程中，如基坑开挖、边坡稳定性等等，都需要知道原状土样的土水特性曲线，因此研究原状土的土水特性曲线就显得十分重要了。本文进行了原状样与重塑样的土水特性曲线对比试验。图3给出了第②层土样的原位与重塑土样土水特性曲线的对比。实验中重塑土样与原状土样干密度相同，在压力容器内压实，饱和。从测试曲线上看，重塑土样表现为较为明显的倒“S”型，而原状土试样的实验结果中进气值不明显，这主要是因为对于原状土样中有原生的裂隙孔径存在，也就是说原状土样中的孔径大小并不相同，这样造成土样的进气值不明显;而土样重塑后，较大的裂隙消失，最大孔径趋于均匀，这样就导致了进气值明显。随着基质吸力的提高，进一步的实验发现，当基质吸力大于20 kPa后原状土的保水能力比重塑土明显提高，这表明原状土样中的孔径分布极为不均匀，有明显的大裂隙，同时也分布了较多的小空隙，而重塑土样，孔径分布就较为均匀。

4 非饱和土强度简化计算

根据梁金国，冯怀平等提出的非饱和土强度简化公式［2］，可以将非饱和土抗剪强度公式可以简化为:

式中:c'为饱和土的有效粘聚力，φ'为饱和土的有效摩擦角，cf为非饱和粘聚力，利用van Genuten土水特性曲线模型，非饱和土的粘聚力可以表示为:

式中:ua为孔隙气压;α、n分别为土水特性曲线参数，Sr为土样的饱和度，令为体积含水量，θr为残余体积含水量，θs为饱和体积含水量;ct为总粘聚力，ct=c'+cf。

式(1)就可称之为不含基质吸力的非饱和土强度公式。该公式结合土水特性曲线数据使用，具有应用方便，避免了基质吸力量测的难点，同时与包承刚等人的公式相比，与实验数据更接近，预测精度更高。

利用式(1)判断邯郸金世纪新城土样非饱和土强度，土样密度 1.92 g/cm3，GS为2.6，IP为 11.9。饱和土样的三轴试验，得到该土样的有效抗剪强度为c'=15.7 kPa;φ'=28.5°。

根据土样的土水特性曲线图2所示，可拟合［3］得到土水特性曲线方程的参数 α，n，θs，θr的值分别为:0.077，1.413 6，1，0.017。并同时对该土样进行了非饱和三轴试验，实验结束后测定土的含水量θw，推求饱和度为0.73，带入预测式(1)，得到由于基质吸力所提高了的非饱和粘聚力为:

因此此时总的强度为:

5 结论

本文利用自行研制的非饱和土土水特性曲线实验仪器，测试了邯郸金世纪新城基坑的非饱和水力、强度特性，主要有如下结论:

(1)非饱和土样随着埋设深度(密实度)的增加持水能力显著提高。

(2)相对于重塑土而言，原状土的孔径分布较为不均匀，表现在无明显进气值，但随着基质吸力的增加，表现出较高的持水能力。

(3)非饱和土简化公式在确定非饱和粘聚力方面有着计算简便、容易操作等优点。

［1］河北建设勘察研究院有限公司.区域非饱和原状土抗剪强度特性及快速评价方法研究报告.2010

［2］梁金国，冯怀平.基于非饱和土理论的简化强度判断公式研究［J］.工程勘察，2011(11):13

［3］梁金国.河北地区土水特性曲线试验及数据库研究［J］.工程勘察，2010(8):9～13

［4］沈珠江.非饱和土力学的回顾与展望［J］.水利水电科技进展，1996(1)

［5］沈珠江.非饱和土力学实用化之路探索［J］.岩土工程学报，2006(2):256～259