素填土抗剪强度参数取值问题的探讨

于晓洋，杨鑫卿

（山东省鲁南地质工程勘察院（山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队），济宁272100）

1 引言

工程建设中，素填土一般会被挖除或不作为持力层考虑，此外，素填土因其回填成分复杂、回填时间差异较大，在勘察工作中对这层土往往不会投入过多精力进行测试。勘察报告中的素填土抗剪强度参数，大多根据工程经验提供，参数普遍偏低，使基坑工程支护设计方案过于保守，造成浪费。

目前，有很多专家学者[1-3]已通过不同的试验，得到了不同性质填土的抗剪强度指标，这些成果都是基于大量试验数据获取的。在工程中，经常会见到一些弃土堆填的高边坡和未加任何支护手段开挖的素填土基坑侧壁，形成自稳坡体，对于这些工况，可通过圆弧条分法进行反演分析，得到抗剪强度参数。

2 工程案例

2.1 工程勘察概况

威海某场地原地形起伏较大，进行了多次回填整平，自上而下揭露地层如下：

①素填土：杂色，干燥～潮湿，松散～中密，密实度不均，以稍密状态为主，主要成分风化片麻岩碎屑，中下部含较多大块石，粒径0.3～0.5 m，局部1.0～1.5 m；场区进行了多次回填，回填时间5～10 年以上。厚度4.50～17.90 m，平均9.81 m。该层进行重型动力触探试验295 次，实测击数最大值25 击，最小值7击，平均值13.1 击。该层性质不均匀，工程特性差。

②强风化片麻岩：灰白、黄褐色，中粗粒变晶结构，片麻状构造，裂隙较发育，结构面有铁质侵染，岩芯呈碎块状，短柱状，锤击易碎，成分以石英、长石、黑云母为主，场地普遍分布，厚度不均，厚度：0.50～5.30 m，平均1.94 m。岩石坚硬程度为软岩，据野外特征鉴别，完整程度为破碎，岩石基本质量等级为Ⅴ级。

各土层相关参数如表1 所示。

表1 各土层相关参数取值建议表

场地地下水类型主要为上层滞水，含水层为填土底部，因场区填土较厚，基岩面起伏较大，地下水具有典型的不均匀性，勘察期间测得地下水最浅埋深9.60 m。

2.2 基坑开挖情况

由于工期紧且周边环境简单，因此，建设单位未采取任何支护措施便进行基槽开挖。设计采用天然地基，以②层强风化片麻岩作为基础持力层。场地基岩面起伏较大，开挖后的基坑深度5.5～12.0 m，揭露的地层均为素填土。

由于局部需超挖换填，开挖后基坑最深处达12.0 m，坡率仅为1∶0.5，开挖深度已超过地下水埋深，自坡脚以上2 m 处有少量地下水流出。坡顶地面做硬化处理，距坡顶线5 m 外设有临建设施。从土方开挖形成边坡到基坑回填的一个多月时间，坡顶地面仅出现少量裂纹，未发现有明显过大的变形和位移，边坡总体处于稳定状态，其他开挖较浅形成的坡体，也未见异常。

2.3 工程简析

本工程中开挖形成并处于稳定状态的素填土边坡，如按勘察报告的岩土参数进行圆弧条分[4]验算，基槽换填后10 m 高、坡率1∶0.5 的边坡稳定系数仅为0.730，处于破坏状态，这与实际情况是不符的，勘察单位提供的抗剪强度参数显然偏于保守。

根据现场坡体开挖揭露的情况，素填土主要成分为风化岩碎屑、碎石及块石，碎石、块石呈不规则的棱角形，构成了填土的主要框架，块体间的空隙被细粒风化岩碎屑所填充。粗粒土内摩擦主要涉及土颗粒间的相对滑动，包括滑动摩擦及咬合摩擦[5]，本工程填土碎石之间的摩擦显然是以咬合摩擦为主，历经长时间固结，其强度已有所增加。因此，本工程中，素填土φ 值是影响坡体稳定性的重要因素。

3 影响素填土抗剪强度参数取值的因素

3.1 固结时间

新近回填的素填土，土体处于欠固结状态，随着时间增长，在自重应力作用下，土颗粒之间的空隙逐渐被压缩，气体与水被排出，颗粒间的有效联结随之增大。自然状态下，随着降水下渗，土的有效应力进一步增大，也加快了固结速度。因此，素填土的回填时间越长，其抗剪强度参数往往越大。

3.2 主要成分及结构

素填土的成分主要为砂性土或黏性土。对于砂性土φ 值起主要作用，黏性土在回填的过程中，原状结构已扰动损坏，c值较原状土有一定的减弱。如回填土主要成分本身强度不高，诸如淤泥质土、淤泥一类的软土，回填后其抗剪强度依然不会有太大改变。而主要成分为碎石土类的填土，回填后其抗剪强度仍然较高。不同成分的土混杂，需要分析各成分土的构成比例、联结关系等对c、φ 值的影响。

在不同填土颗粒组合的过程中，砂性土的结构性作用比较明显，颗粒形状如果呈棱角状，回填后的抗剪强度指标相对较高，颗粒形状较为圆滑，则回填后抗剪指标稍差。碎石类填土也具有以上类似特征。

3.3 地下水作用

自然状态下，位于地下水位上下两侧的素填土抗剪强度是不同的，地下水位以下的填土抗剪强度指标一般会有所折减。动水条件下，尤其存在地下水长期水平渗流时，该规律依然适用，其影响程度明显更大一些。

3.4 回填方式

素填土为人工回填形成，回填过程中对土的不同处理方式，也会影响抗剪强度指标。如同一场地分批次、历经不同时间间隔回填较一次性回填，每次回填不同类型的土较回填相同类型的土，所形成的土体性质必然有所不同。回填过程中如果进行了分层碾压或强夯处理，填土的抗剪强度较简单堆填的方式明显更高一些。

4 素填土抗剪强度参数取值方法

素填土抗剪强度参数的取值受综合因素影响，因此，对其参数的取值应建立在对填土回填时间、回填成分、回填方式等信息进行充分调查分析的基础上。另外，根据工程条件应采用不同的勘察手段。

4.1 原位测试法

原位测试法是工程勘察中针对素填土的常用手段，根据填土回填成分的不同或根据现场条件可采用以下3 种测试手段。

1）标准贯入试验：该试验适用于填土成分较为简单的砂土、粉土和一般黏性土，如果填土中夹有大块碎石，标贯试验是不适宜的。根据标贯试验实测击数，参照《工程地质手册》（第四版）表3-3-9、3-3-10 及图3-3-9、3-3-10[6]，可以求得φ 值的大小。按照文献[3]中的研究成果，在已知φ 值的前提下，根据标贯实测值，可确定填土的地基承载力，根据国家标准GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》第5.2.5 条[7]地基承载力计算公式，可以反算出c 值。

2）重型圆锥动力触探试验：重型圆锥动力触探试验可以针对回填土成分为砂土、碎石土及风化岩石的地层，根据实测击数，参照《工程地质手册》（第四版）表3-2-29，可以查表求得φ值的标准值，按照文献[3]中的研究成果，可以反算出c值。

3）现场剪切试验：如果具备条件，现场剪切试验可以在试洞、试坑、探槽或大口径钻孔内进行，并采用平推法进行试验。此方法往往可以直观且真实地反映土体的抗剪强度。

4.2 土工试验法

土工试验法主要针对现场可以采取原状样的黏性土，由于回填土成分存在不均匀性，选取土样时，应具有代表性。对于土样的室内试验，主要采用三轴剪切试验或直剪试验，并根据现场土体的固结排水情况或后期施工工序，合理确定固结条件及排水条件，从而获得与现场更为接近的抗剪强度参数。

4.3 工程经验分析法

通常情况下，圆弧条分法通过给定已知c、φ 值，可求得边坡稳定安全系数Fs。如果假定现状稳定边坡处于极限平衡状态，则边坡稳定系数Fs=1.00，根据《工程地质手册》（第四版）可以查得不同类型土体的抗剪强度经验值，或根据地区经验值，代入圆弧条分公式反复验算，使求得的稳定性系数Fs无限接近1.00，这样就可以在工程经验基础上得到一组抗剪强度参数，这是一种简单的反演过程。

以前面的工程为例，素填土中φ 值是需要进行调整的对象，因此，c 值和假定的Fs值可作为已知量，未知量φ 可通过不断试算求得。由于瑞典条分法较其他圆弧滑动法所得到的安全系数偏低[8]，在达到相同安全系数的情况下，反演所得的c、φ 值反而偏大，不安全，因此，反演可采用现行GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》中简化毕肖普法[9]进行。将现场处于稳定状态且坡率仅为1∶0.5 的10 m 高边坡作为反演对象，借助边坡稳定性分析软件进行试算，边坡达到极限平衡状态下的φ 值至少为39°。但由于填土大部分存在回填不均的现象，从整个场地综合考虑，φ 值可以进行一定的折减，如按折减系数0.9 考虑，φ=35°，在此条件下的边坡稳定计算安全系数Fs=0.922。因此，在充分考虑不利因素的情况下，φ 取35°可以满足支护工程设计的需要，相比于原参数，也更加合理一些。

如场地不具备已形成的边坡，可现场开挖探槽、探坑，暴露的剖面和坡体不仅能直观地揭露填土的组成成分，也可形成自稳的坡体。相对于原位测试、室内试验法，工程经验反演分析法得到的抗剪强度参数虽然具有一定随机性，但这是建立在工程经验和一系列科学分析的基础上，相对于勘察过程中不采用任何试验、测试而凭“经验”提供参数的做法更具有参考价值。

5 结语

素填土在其形成的过程中由于受到不同因素的作用，其抗剪强度本身就具有一定离散性。在对素填土形成过程进行充分调查的基础上，根据其特性，选取合适的方法尤为重要。

1）影响素填土抗剪强度因素主要有固结时间、成分结构、地下水、回填方式等因素。

2）素填土抗剪强度参数的获得可采用原位测试法（标准贯入试验、重型圆锥动力试验、现场剪切试验）、室内试验法及工程经验反演分析法。

3）在某些特殊情况下，基于简化毕肖普法的工程经验反演分析法可以作为一种快速便捷的手段。