浅谈湿陷性粉土基坑支护设计时物理力学指标的选择

王晓庆

（中核第七研究设计院有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

湿陷性黄土主要分布在我国西北的陕西、山西、甘肃、宁夏、内蒙古及河南的北部等地区，分布面积广，对我国工业民用建筑、水利、电力等各行各业的建设都产生了很大的影响[1]。 由于其自身独特的结构特征，在未受水浸湿的情况下，湿陷性黄土具有强度高、压缩性小、抗剪强度高、垂直节理发育的特点，这些特征决定了湿陷性黄土在较陡的坡度下依然能保持其稳定性[2]。但是随着近些年海绵城市的建设、工程施工用水、绿化用水和大气降水的长期影响，湿陷性黄土的含水率发生增大， 湿陷性黄土的结构会迅速发生破坏[3]，产生较大的附加沉降，强度指标会迅速降低，造成已开挖基坑局部变形较大甚至失稳现象。 针对此现象，文章研究了不同含水率对湿陷性粉土的物理力学指标的影响，对支护设计时物理力学指标的选择提出建议。

1 工程概况

我公司承担勘察设计的国家技术支持中心项目位于山西省晋中市榆次区乌金山镇胡家湾村西南约1 km 处，于2020 年3 月完成详细勘察工作。 拟建场地现为荒地， 场地地形有一定起伏， 最大高差约2.5 m，钻孔孔口标高介于952.89～955.37 m，场地地貌单元为山前黄土台地丘陵。勘察过程中采用钻探和井探相结合手段，井探主要采取Ⅰ级原状土样进行湿陷性试验和普通试验，最大钻孔深度30 m，最大探井深度17 m。 拟建工程场地整平标高为952.90 m，拟建建筑物为8 层，基础埋深约为6.0m，基底面积约7200 m2（120 m×60 m），拟采用筏板基础，要求地基承载力为180 kPa，地下水埋深-23.5 m，地下水对工程建设影响较小。

2 实例分析

2.1 地层及试验结果

根据本次钻孔揭露的地层情况来看，场地上部为①填土层，平均厚度0.5m，向下依次为②第四系全新统（Q4）风积湿陷性粉土层，平均厚度12.4 m，承载力约110 kPa；③坡洪积粉质黏土层，平均厚度7.0 m，承载力约190 kPa；④坡洪积粉质黏土层，该层本次勘察为穿透，承载力约230 kPa。 根据地层情况看，②湿陷性粉土基主要持力层为层。

根据土工试验结果，②湿陷性粉土密度为1.48 g/cm3，含水率为9.0%，孔隙比为0.994，塑限16.1，压缩系数为0.138 MPa-1，压缩模量为15.01 MPa，黏聚力为72.3 kPa，内摩擦角为45o，湿陷系数平均值为0.074，自重湿陷系数为0.045，为Ⅳ级严重湿陷。

2.2 基坑施工方案

拟采用灰土挤密桩进行地基处理，基坑开挖深度为6.5 m。 2020 年6 月2 日，拟建国家技术支持中心项目开始进行基坑开挖， 根据现场及其周边环境条件，结合专家评审意见，拟建项目基坑支护采取分级放坡进行开挖，第一级放坡坡度为1:0.5，坡高3.5 m，第二级放坡坡度为1:0.75，坡高3.0 m，中间过渡平台宽1.5 m，坡面采用喷射混凝土护面，坡顶设置有截水沟。

2.3 基坑变形监测

基坑开挖过程中，在基坑四周每隔15 m 设置一个观测点，基坑自6 月2 日开挖到6 月15 日施工完成，观测基坑最大变形了为8 mm，满足规范要求。

2020 年6 月29 日出现降雨，降雨持续3 天，雨后对基坑周边进行巡查和监测发现基坑西北角出现失稳，水平位移达到8cm，垂直位移为3 cm。 随即对西北角进行卸荷和1:1.5 削坡处理，局部采用钢板桩支护。

2.4 基坑失稳原因分析

为查找失稳原因，在西北角开挖人工探井，采取土样进行分析， 通过试验得出，6 m 深度范围内的湿陷性黄土密度为1.70 g/cm3，含水率为17.1%，孔隙比为0.953，塑限16.2，压缩系数为0.239 MPa-1，压缩模量为8.78 MPa，黏聚力为22.3 kPa，内摩擦角为21o，湿陷系数平均值为0.033，自重湿陷系数为0.021。 与原试验参数相比，6 m 深度范围内湿陷性土的密度和含水率明显增大，土的压缩模量、黏聚力及内摩擦角显著下降， 湿陷性土的物理力学参数的显著变化，造成基坑稳定性发生改变。

通过分析场地西北角整体地势较低， 施工中为保护环境的防尘用水时有在此聚集情况， 加之长时间大气降水，排水不畅，导致雨水聚集，水的下渗改变了原有湿陷性土的物理力学性质[4]，造成本次基坑局部失稳。 这也说明基坑支护设计时，选择天然状态下湿陷性粉土的物理力学指标进行支护设计是不安全的。

3 不同含水率时黄土的物理力学参数

为了进一步研究湿陷性粉土物理力学指标，为后期基坑支护设计提供理论依据，特在拟建场地附近开挖人工探井，每延米采取多个探井土样，对个别土样进行增湿，分别测定不同含水率情况下，湿陷性粉土的物理力学指标，具体对比如表所示。

表1 不同含水率情况下湿陷性粉土的物理力学指标对比

表1 中，土样1 为天然原状样，土样2～5 是增湿不同含水率情况下的实样。 通过试验对比发现，当含水率增大时，湿陷性粉土的密度和压缩系数增大，压缩模量、内摩擦角和黏聚力均显著降低。 当含水率大于塑限后，含水率变化对湿陷性粉土的物理力学参数影响将明显减小；当含水率接近液限时湿陷性粉土的结构彻底发生破坏，试验数据已经不具有代表性。 综合分析，为保证基坑支护结构的安全，对于湿陷性粉土，基坑支护设计时不应采用天然状态下物理力学指标，宜选择增湿后塑限含水率状态下的物理力学指标。

4 结论

（1）基坑支护设计时，选择天然状态下湿陷性粉土的物理力学指标进行支护设计是不安全的。

（2）当含水率增大时，湿陷性粉土的密度和压缩系数增大，压缩模量、内摩擦角和黏聚力均显著降低。当含水率大于塑限后，含水率变化对湿陷性粉土的物理力学参数影响将明显减小；当含水率接近液限时湿陷性粉土的结构彻底发生破坏，试验数据已经不具有代表性。

（3）为保证基坑支护结构的安全，对于湿陷性粉土， 基坑支护设计时不应采用天然状态下物理力学指标，宜选择增湿后塑限含水率状态下的物理力学指标。