岩土参数的取值与强度理论的关系分析

杨洪磊

摘要：基于基坑边坡支护设计的现状，本文主要以工程实例为基础，探讨了在基坑边坡支护设计中，地下连续墙及水泥土搅拌桩等支护形式由于岩土参数选取的不同所得到的不同优化，以及选取岩土参数的不同计算限值所对应安全系数，最后建立基坑支护设计中岩土参数选取模型，通过强度理论方面进行论证和实际施工检验，证明本文中所建立的模型的适用性。

关键词：基坑边坡支护 水泥土搅拌桩 地下连续墙 优化 安全系数 适用性

前言

岩土材料的强度问题一直是岩土工程研究的焦点，岩土材料的强度理论也是岩土力学最早被研究和被提出的理论，目前已经取得了很大的成果，并且解决了许多工程问题。目前比较认同的强度准则是Mohr-Coulomb强度准则、Hoek-Brown准则（Hoek E，1983）、统一强度准则（俞茂宏，1994）、SMP准则（MatsuokaH，1985）、Lade-Duncan准则（Lade P V，1997），在上述强度准则的基础上建立了岩石的非线性强度准则（咎月稳等，2002；Mostafa M E，2003）和岩土材料的统一非线性强度准则（姚仰平等，2004）。

土的动力非线性模型目前主要有两大类，分别为黏弹性模型和弹塑性模型。土的黏弹性模型又分为等效线性模型和非线性黏弹性模型。用等效线性方法近似考虑土的非线性方法最早是由Seed（1968）提出的，该方法是将土体视为粘弹体，采用等效弹性模量或剪切模量和阻尼比来反映土体动应力——应变关系得非线性和滞后性，并且将模量和阻尼比表示为动应变幅的函数。等效线性方法具有概念明确，应用简便的优点，缺点是不能反映土的变形累积，不能考虑应力路径对阻尼比的影响，不能考虑土的各向异性。

岩土材料统一破坏函数可以表达如下：

在基坑边坡设计中岩土材料的极限状态参数的选取，都直接或间接地与上述某个或某些强度准则、模型相吻合。

1 基坑侧壁土抗力标准值的计算

总结目前国内规程、规范对于边坡土压力的规定主要是：根据基坑土层特性、基坑规模、开挖方式及场地环境等条件，确定应提供的岩土参数，是勘察评价的主要内容之一。在各类参数中，土体抗剪强度的试验方法和指标的选用是至关重要的，其总的原则是应尽可能与现场受力和排水条件相吻合，并按设计需要进行选择。当前国内基坑工程设计的侧向压力计算中，土压力与水压力合算或分算的方法均有采用，习惯上以采用直接剪切试验抗剪强度峰值指标居多，因此一般规定：一般情况下，即开挖较浅、面积较小的基坑，应同时提供各类土层的直剪快剪和固结快剪峰值强度指标；但因粉土、砂类土的直接快剪试验难以符合实际，所以当需要不排水剪试验指标时，此类透水性较好的土层应进行三轴试验；由于淤泥类土易于扰动，影响室内试验强度指标的可靠性，因此必要时应进行十字板剪切试验，提供原位条件下的不排水抗剪强度指标。对于开挖较深、面积较大或场地条件较复杂的基坑，因工程的重要性和复杂性，在勘察评价内容和方法上理应更充实、更可靠，所以在抗剪强度、渗透性等重要指标的试验方法上，以及应有原位测试和室内试验相互印证综合评价土层工程性质等方面，不能无的放矢。

现状：由于在设计、勘察过程中重复使用安全系数，采用的土体参数指标偏低，一般只有室内试验指标的0.5～0.6左右，导致边坡开挖边坡坡比大、护坡桩桩径较大埋深大、地下连续墙及搅拌桩等嵌固深度偏大、支护形式单一且保守等现象非常普遍，建筑前期投资较大，造成很大的浪费。那么能不能提高土体的参数呢？有没有提高的依据呢？对工程（基坑）的安全性有没有保证呢？结合本工程基坑开挖、支护设计、应力变形量测、室内试验、原位测试及室内土体模型建立、试验等方面进行探讨。

2 工程实例

城厢东路公寓楼工程位于天津市南开区城厢东路与北马路交口以南，地上25层，地下3层，基础埋深9.5m。场地为旧房拆迁地。场地大部分范围内，较为平坦，局部由于分布有建筑垃圾，地面稍有起伏，地面标高一般为5.02m～5.85m。

2.1地质概况

2.1.1人工填土层

由上部的杂填土及下部的素填土组成，层厚3.70m～7.00m，顶界标高4.31m～7.66m，从勘探情况来看，分布连续，由于场地为近期拆迁地，场地西部堆有填土，厚约2.00m～3.00m，局部较为低洼，故厚度变化大。

杂填土：一般厚度为1.20m～3.30m，局部分布较厚，约5.90m，杂色，松散，以建筑垃圾为主，局部为生活垃圾，分布连续。

素填土：一般厚度为0.70m～3.10m，局部分布较厚，约4.00m～5.00m，褐色，软——可塑，以黏性土为主，局部层底有黑色淤泥质土分布，为坑底淤积，工程力学性质差。属高～中压缩性土，分布连续，填垫年限大于十年。

2.1.2上部陆相河床-河漫滩相沉积层

受人工填土及故坑影响，该层厚度、顶板标高变化较大，厚度1.30m～4.80m左右，其顶板标高为-0.88m～1.42m，局部顶板分布较高，为-2.40m。由单一的粉质黏土组成。黄褐色，可塑，局部软可塑，含铁质、有机质及腐殖质，属高——中压缩性土，分布连续。

2.1.3全新统中组第Ⅰ海相沉积层

厚度8.80m～9.80m左右，其顶板标高为-2.09m～3.85m。主要由上部的粉土及下部的粉质黏土组成。

粉土：一般厚度为2.30m～5.40m，灰色，稍——中密，砂粘互层，含贝壳及砂性较大的粉质黏土薄层，属中——低压缩性土，分布连续。

粉质黏土：一般厚度为3.90m～7.20m，灰色，软塑，砂粘互层，含贝壳，属高——中压缩性土，分布连续。

2.1.4全新统下组沼泽相沉积层：

厚度1.30m～2.30m，层顶标高一般为-1 1.82m～-13.29m。主要由粉质黏土、黏土组成，灰黑-灰白色，可塑状态，含有机质，中压缩性。分布稳定。

2.1.5全新统下组第Ⅱ陆相河床——河漫滩相沉积层

厚度1.20m～3.70m，层顶标高-13.50m～-15.49m左右。主要由粉质黏土组成，呈褐黄色，可塑状态，局部夹黏土及粉土薄层，含铁质及礓石，中压缩性，分布连续。

2.1.6上更新统五组第Ⅲ陆相河床——河漫滩相沉积层

厚度一般为5.70m～7.90m，层顶标高-15.10m～-17.71m。由上部的粉质黏土、中部的粉砂及下部的粉质黏土组成。

粉质黏土：一般厚度1.00m～3.00m，黄褐色，可塑，含铁质、礓石，夹粉土层。中压缩性。分布不连续，以透镜体形式分布于粉砂层顶部。

粉砂：一般厚度2.00m～7.90m，局部较薄，为1.40m～1.60m，黄褐色，中——密实，矿物成分以石英、长石为主，含铁质、礓石，低压缩性。分布连续，层厚变化较大。

2.2地下水特征

表层地下水属于孔隙潜水类型，以大气降水补给，蒸发和侧向排泄为主，水位随季节略有变化。地下水位年变化幅度一般在0.50m～1.00m左右。探期间测得场地地下水稳定水位埋深一般为3.45m～5.90m，标高1.25m～1.80m。

3 基坑支护方案

据建设方介绍，高层住宅楼基坑预采用逆做法，本次勘察查明：场地上部分布有厚层杂填土，埋深8.0m～14.0m段为粉土层，该层土在动水压力作用下易产生流沙现象。场地土质较为复杂，因此，若采用逆做法，建议高层住宅楼基坑采用地下连续墙进行支护，兼起止水与挡土双重作用，并可作为拟建物地下室外墙，实行“二墙合一”方案。

我们此次地下连续墙设计中采用的岩土参数选用五种组合，即大值、大值平均值、平均值、标准值、小值平均值，分别计算地下连续墙的设计厚度及稳定性等各种参数，继而采用岩土体强度理论和等效线性模型从安全性、使用的时间效应、技术经济等角度来分析：哪种工况更符合实际情况。

我们仅选用对方案有影响的20m以上的土层来进行分析。

先找出对土压力计算影响最大的抗剪强度参数及容重。

然后估算地下连续墙的厚度，见表1-2：

Ⅰ组合采用小值；Ⅱ组合采用标准值；Ⅲ组合采用平均值；Ⅳ组合采用大平值；Ⅴ组合采用大值，计算公式采用《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）中标准。

计算简图：

假设基坑开挖深度为10.0m，采用厚度为500mm的地下连续墙围护结构，墙长度为16m，墙顶标高为5.00m（大沽高程）。共设2道支撑。未考虑地面荷载，详见下图：

4 基坑稳定性分析

为了确保基坑工程的安全，基坑施工充分考虑土层、支护桩墙、支撑体系三者的“时空效应”，坑底稳定验算，以最下道支撑与地下墙的交点为滑弧中心，地下墙底面为滑裂圆弧的分层法计算，计算得Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组合稳定安全系数K=2.16>2.0，满足基坑开挖的稳定要求。经验算，围护结构整体稳定性系数、基坑底抗隆起安全系数均符合规范要求，可以证明：Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组合围护结构均满足强度、刚度及稳定性要求。以上数据均为经典法计算结果。但是采用Ⅳ组合计算的地下连续墙厚度仅为400mm，嵌固深度仅为5.0m；而Ⅱ、Ⅲ组合计算的地下连续墙厚度却为600mm，嵌固深度却均超过6.0m。

可以看出：在计算地下连续墙的厚度及稳定性时，是可以同时考虑选用不同的岩土参数的，但是小值和大值是不能选用的，标准值、平均值及大值平均值都是可以选用的，但由于地下连续墙为主体的一部分，出于安全考虑，我们选用平均值与大值平均值的平均值作为计算的依据进行重新计算得出：墙体厚度468mm，嵌固深度5.3m，整体稳定安全系数：2.35；墙体抗隆起安全系数4.68；坑底抗隆起安全系数3.68，均符合规程规范的要求。

为了验证我们想法的可行性，我们又对该工程北侧的水泥土搅拌桩进行验算，结果见下表：

可以看出：在计算水泥土搅拌桩的直径、桩长及稳定性时，是可以同时考虑选用不同的岩土参数的，但是小值和大值是不能选用的，标准值、平均值及大值平均值都是可以选用的，选用大值平均值作为计算的依据符合规程规范的要求，仅这一项就可以节省大量的人力物力。

5 理论解释

土体的强度发挥程度是与土体的变形紧密联系在一起的，黏聚分量、剪胀分量和摩擦分量并不是同时达到最大值的，黏聚分量通常在其他分量充分发挥作用之前在较小的应变下达到它的最大值，并迅速破坏；继而剪胀充分发挥作用，达到某一应变后，试样体积不再增加，剪胀分量也就逐渐消失；当应力应变曲线趋于水平，唯一的强度分量是摩擦分量。黏聚分量与外加法向应力无关，而剪胀与摩擦提供的剪阻力是剪切面上法向应力的正比函数；在地质过程中土颗粒之间形成了不同的胶结作用，和排列方式，根据沈珠江的二元介质模型[根据地质材料的形成过程和破损机理，将结构性土体看作胶结元；将非均质结构性土体看作胶结元与软弱带组成，胶结元由胶结作用强的土颗粒组成，软弱带（摩擦元）由胶结作用弱的土颗粒组成，在受荷过程中，胶结元逐渐破损，转化为摩擦元，两者共同承受外部荷载]。根据均匀化理论可以得到如下的应力分担表达式：

{σ}：（1-λ）{σ_b}+λ{σ_f}

上式中{σ}为代表性单元的平均应力；{σ_b）为代表性单元内胶结元的平均应力；{σ_f}为代表性单元内摩擦元的平均应力；λ为破损率。

土体作为非均质材料，当处于破坏或临界状态时，强度高的土层或土颗粒最先发挥作用，之后才是平均强度的土层或土颗粒，因此当土体达到临界状态时，其强度发挥应该是高于平均强度的，因此选用大值平均值是有安全保证的。

验证：目前采用上述组合进行设计的边坡支护方案正在实施，稳定性较好，下图为应力量测曲线，表明：应力控制较好，墙体受力均匀，异常点较少。

6 结论

（1）基坑支护设计中岩土参数的选取对支护形式的各种设计参数影响很大，尤其是对于时间效应短的工程，特别是一些临时性支护形式；

（2）对于岩土参数的选取建议对于地下连续墙采用平均值与大值平均值两者的平均值；对于其他临时性支护形式建议采用大值平均值；

（3）考虑到基坑开挖前提前降水，基坑边坡土体固结导致工程性质增强，抗剪强度提高幅度很大等方面也是上述取值合理的又一安全储备。

（4）本文编写同时，按照实际工况制作的室内模型的试验工作正在进行，数据采集工作已经开始，待数据分析工作结束，作者将对这个问题进行继续探讨。