基坑内加固土物理力学参数取值研究

高志毓

中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663

在电力和市政工程中经常遇到拟建工程区域下方存在淤泥或淤泥质土等软弱地层的情况，在进行基坑开挖前往往需要采用水泥土搅拌桩或高压旋喷桩等地基处理措施对软弱地层进行地基处理，而在基坑支护结构中，基坑内进行地基处理后的坑内加固土的物理力学参数如何取值一直是岩土工程界的一个难题。因此，文章旨在对影响基坑内加固土物理力学参数的主要因素进行分析和探讨，并提出了一种可行的坑内加固土物理力学参数取值的方法。

1 基坑内加固土物理力学参数的主要影响因素

1.1 面积置换率

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）[1]，面积置换率是影响复合地基承载力特征值的主要因素，其机理主要是通过影响所处理土体的物理力学参数，以提高复合地基的承载力。

由《地基处理手册》[2]对复合地基置换率的介绍可知，复合地基置换率m可采用如下公式进行计算：

式中：Ap为桩体面积，m2；A为对应的加固面积。

结合式（1）可知，随着面积置换率的增大，即加固桩在数量上的增加和加固面积上的增大，基坑内加固土中增强体占比逐渐增大。从荷载传递路线来看，复合地基的本质是桩和桩间土共同承担荷载，相应地桩所分担的竖向荷载逐渐增加，同时桩间土的物理力学参数得到增强，进而最终体现为坑内加固土整体参数的提高。

1.2 加固土厚度和宽度

采用理正深基坑支护结构设计软件进行大量理论试算后发现，加固土厚度和宽度是影响坑内加固土物理力学参数的重要因素。例如，采用高压旋喷桩对基坑内侧土体进行加固，在加固宽度一定的条件下，随着高压旋喷桩嵌入坑底深度即加固厚度的增加，坑内加固土的物理力学参数得到提高，具体表现为基坑整体稳定性、抗倾覆性和抗隆起稳定性得到显著提高。

在加固土厚度一定的条件下，在不同加固形式下，随着加固土宽度的增加，基坑的各项计算指标也得到了大幅改善。尤其在深厚软土地基中，加固土的宽度和厚度与坑内加固土的物理力学参数以及复合地基承载力的相关性会更大。

1.3 加固材料

地基处理所采用的加固材料也是影响坑内加固土物理力学参数的重要因素。以水泥土搅拌桩为例，坑内加固土的各项物理力学参数与水泥品种、水泥强度等级、单位加固体的水泥含量、水泥浆稠度、外加剂和掺合料这些主要因素相关性最强。

1.4 施工工法和质量

施工工法和质量也是影响坑内加固土物理力学参数的重要因素。从高压旋喷桩施工工法的作用机理来看，二重管法和三重管法由于采用了将水泥浆和压缩空气同时喷射的方法，在喷射液体的喷嘴周围形成了环状的气体喷射环，当液体和气体同时喷射时，液体喷射流周围形成了一层空气保护膜[2]，可有效减少喷射压力的衰减，使得在土体中喷射时能尽可能接近在空气中喷射的状态，进而让这两种工法在加固效果上优于单管法。对于所采用的某一种施工工法而言，其加固效果又直接与以下7种影响因素有关：喷射流的喷射压力、喷嘴的直径、喷嘴的形状、喷嘴的移动速度、岩土体的特性、喷射口处的静水压力、喷射口与土体的距离。

对于施工质量，在我国还不能完全用仪表控制的行业现状下，施工质量控制受人为因素影响较大。

1.5 抗压强度

根据《地基处理与托换技术》[3]和《软土地基加固的理论、设计与施工》[4]，水泥土搅拌桩加固地基中水泥土的抗剪强度和抗压强度存在以下关系：水泥土的抗剪强度随抗压强度的增大而提高，当抗压强度Fcu为0.3～1.3MPa时，c=0.2813Fcu0.7078；当抗压强度Fcu为0.3～4.0MPa时，其黏聚力c=0.1～1.0MPa，则取c=0.2Fcu～0.3Fcu，一般c为20～30kPa，内摩擦角φ为20°～30°。

该方法主要适用于采用水泥土搅拌桩进行地基处理的情况，并且对水泥土抗压强度的范围有一定要求，因此其适用性相对较弱，但是对于坑内加固土的抗剪强度的取值仍具有重要意义。

1.6 含水率

含水率是土体抗剪强度的重要影响因素。通过对广州地区的粉质黏土、中砂和泥岩这三类有代表性的岩土体进行室内试验，得到了含水率与岩土体物理力学参数的关系。

对于粉质黏土，含水率的变化使得土体状态由流塑变化至硬塑再到坚硬时，其物理力学参数也相应变化。粉质黏土物理力学参数如表1所示。

表1 粉质黏土物理力学参数表

由表1可知，随着含水率的减小，土体状态由可塑变化至硬塑时，天然重度提高了0.9～1.5kN/m3，黏聚力提高了20%～33%，内摩擦角增大了20%～33%；当粉质黏土由硬塑变化至坚硬时，天然重度提高了0.1～1.1kN/m3，黏聚力提高了11%～25%，内摩擦角增大了11%～33%。其他黏性土也有相似的关系。

对于中砂，中砂在加固后主要表现为密实度的变化。中砂物理力学参数如表2所示。

表2 中砂物理力学参数表

由表2可知，随着含水率的减小，中砂密实度由松散变化至稍密再到中密，中砂的天然重度和内摩擦角也有不同程度的增大。

岩石也有相似的规律，泥岩物理力学参数如表3所示。

表3 泥岩物理力学参数表

由表3可知，随着含水率的减小，泥岩风化程度由强风化变化至中风化再到微风化，泥岩的各项参数也有不同程度的增大。

2 基坑内加固土物理力学参数的取值方法

在此提出一种新的且较为实用的坑内加固土物理力学参数取值的方法，详述如下。

基于Midas-GTS对不同加固形式的数值分析得到墩式加固、裙边式加固和抽条式加固支护结构弯矩包络图，如图1所示。与相应加固形式下提取坑内加固土进行室内试验得到的含水率进行对比分析，将不同加固形式下含水率所对应的土体状态的物理力学参数代入数值分析软件进行计算所得到的基坑支护结构计算指标与不同加固形式计算所得到的基坑支护结构计算指标进行对比分析，得出针对不同岩土体地层坑内加固土的取值方法。

图1 墩式加固、裙边式加固和抽条式加固支护结构弯矩包络图

例如，对于黏性土，如果未处理前土体的状态为可塑，那么处理后对于墩式加固、裙边式加固和抽条式加固这3种加固形式，根据含水率按硬塑即提高1级状态所对应的物理力学参数来进行取值；同理，对于砂土，如果未处理前土体的密实度状态为松散，那么处理后按稍密来考虑，其物理力学参数也相应按稍密所对应的参数取值；对于岩石也采用同样的取值方法。

对于格栅式和满堂式加固这2种加固形式，通过数值分析得到了格栅式、满堂式加固支护结构弯矩包络图，如图2所示。

图2 格栅式、满堂式加固支护结构弯矩包络图

根据含水率按坚硬即提高2级状态所对应的物理力学参数进行取值；同理，对于砂土，如果未处理前土体的密实度状态为松散，那么处理后按中密来考虑，其物理力学参数也相应按中密所对应的参数取值；对于岩石也采用同样的取值方法。

3 结束语

文章通过采用地基处理措施对基坑内加固土进行处理，分析结果表明可通过含水率所反映的土体状态来考虑坑内加固土物理力学参数的增大，为基坑支护结构设计坑内加固土的参数取值提供了一种可行的方法。