高志毓

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663

在電力和市政工程中經(jīng)常遇到擬建工程區(qū)域下方存在淤泥或淤泥質(zhì)土等軟弱地層的情況，在進(jìn)行基坑開(kāi)挖前往往需要采用水泥土攪拌樁或高壓旋噴樁等地基處理措施對(duì)軟弱地層進(jìn)行地基處理，而在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中，基坑內(nèi)進(jìn)行地基處理后的坑內(nèi)加固土的物理力學(xué)參數(shù)如何取值一直是巖土工程界的一個(gè)難題。因此，文章旨在對(duì)影響基坑內(nèi)加固土物理力學(xué)參數(shù)的主要因素進(jìn)行分析和探討，并提出了一種可行的坑內(nèi)加固土物理力學(xué)參數(shù)取值的方法。

1 基坑內(nèi)加固土物理力學(xué)參數(shù)的主要影響因素

1.1 面積置換率

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2012）[1]，面積置換率是影響復(fù)合地基承載力特征值的主要因素，其機(jī)理主要是通過(guò)影響所處理土體的物理力學(xué)參數(shù)，以提高復(fù)合地基的承載力。

由《地基處理手冊(cè)》[2]對(duì)復(fù)合地基置換率的介紹可知，復(fù)合地基置換率m可采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Ap為樁體面積，m2；A為對(duì)應(yīng)的加固面積。

結(jié)合式（1）可知，隨著面積置換率的增大，即加固樁在數(shù)量上的增加和加固面積上的增大，基坑內(nèi)加固土中增強(qiáng)體占比逐漸增大。從荷載傳遞路線來(lái)看，復(fù)合地基的本質(zhì)是樁和樁間土共同承擔(dān)荷載，相應(yīng)地樁所分擔(dān)的豎向荷載逐漸增加，同時(shí)樁間土的物理力學(xué)參數(shù)得到增強(qiáng)，進(jìn)而最終體現(xiàn)為坑內(nèi)加固土整體參數(shù)的提高。

1.2 加固土厚度和寬度

采用理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行大量理論試算后發(fā)現(xiàn)，加固土厚度和寬度是影響坑內(nèi)加固土物理力學(xué)參數(shù)的重要因素。例如，采用高壓旋噴樁對(duì)基坑內(nèi)側(cè)土體進(jìn)行加固，在加固寬度一定的條件下，隨著高壓旋噴樁嵌入坑底深度即加固厚度的增加，坑內(nèi)加固土的物理力學(xué)參數(shù)得到提高，具體表現(xiàn)為基坑整體穩(wěn)定性、抗傾覆性和抗隆起穩(wěn)定性得到顯著提高。

在加固土厚度一定的條件下，在不同加固形式下，隨著加固土寬度的增加，基坑的各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)也得到了大幅改善。尤其在深厚軟土地基中，加固土的寬度和厚度與坑內(nèi)加固土的物理力學(xué)參數(shù)以及復(fù)合地基承載力的相關(guān)性會(huì)更大。

1.3 加固材料

地基處理所采用的加固材料也是影響坑內(nèi)加固土物理力學(xué)參數(shù)的重要因素。以水泥土攪拌樁為例，坑內(nèi)加固土的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)與水泥品種、水泥強(qiáng)度等級(jí)、單位加固體的水泥含量、水泥漿稠度、外加劑和摻合料這些主要因素相關(guān)性最強(qiáng)。

1.4 施工工法和質(zhì)量

施工工法和質(zhì)量也是影響坑內(nèi)加固土物理力學(xué)參數(shù)的重要因素。從高壓旋噴樁施工工法的作用機(jī)理來(lái)看，二重管法和三重管法由于采用了將水泥漿和壓縮空氣同時(shí)噴射的方法，在噴射液體的噴嘴周?chē)纬闪谁h(huán)狀的氣體噴射環(huán)，當(dāng)液體和氣體同時(shí)噴射時(shí)，液體噴射流周?chē)纬闪艘粚涌諝獗Ｗo(hù)膜[2]，可有效減少噴射壓力的衰減，使得在土體中噴射時(shí)能盡可能接近在空氣中噴射的狀態(tài)，進(jìn)而讓這兩種工法在加固效果上優(yōu)于單管法。對(duì)于所采用的某一種施工工法而言，其加固效果又直接與以下7種影響因素有關(guān)：噴射流的噴射壓力、噴嘴的直徑、噴嘴的形狀、噴嘴的移動(dòng)速度、巖土體的特性、噴射口處的靜水壓力、噴射口與土體的距離。

對(duì)于施工質(zhì)量，在我國(guó)還不能完全用儀表控制的行業(yè)現(xiàn)狀下，施工質(zhì)量控制受人為因素影響較大。

1.5 抗壓強(qiáng)度

根據(jù)《地基處理與托換技術(shù)》[3]和《軟土地基加固的理論、設(shè)計(jì)與施工》[4]，水泥土攪拌樁加固地基中水泥土的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度存在以下關(guān)系：水泥土的抗剪強(qiáng)度隨抗壓強(qiáng)度的增大而提高，當(dāng)抗壓強(qiáng)度Fcu為0.3～1.3MPa時(shí)，c=0.2813Fcu0.7078；當(dāng)抗壓強(qiáng)度Fcu為0.3～4.0MPa時(shí)，其黏聚力c=0.1～1.0MPa，則取c=0.2Fcu～0.3Fcu，一般c為20～30kPa，內(nèi)摩擦角φ為20°～30°。

該方法主要適用于采用水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理的情況，并且對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的范圍有一定要求，因此其適用性相對(duì)較弱，但是對(duì)于坑內(nèi)加固土的抗剪強(qiáng)度的取值仍具有重要意義。

1.6 含水率

含水率是土體抗剪強(qiáng)度的重要影響因素。通過(guò)對(duì)廣州地區(qū)的粉質(zhì)黏土、中砂和泥巖這三類(lèi)有代表性的巖土體進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，得到了含水率與巖土體物理力學(xué)參數(shù)的關(guān)系。

對(duì)于粉質(zhì)黏土，含水率的變化使得土體狀態(tài)由流塑變化至硬塑再到堅(jiān)硬時(shí)，其物理力學(xué)參數(shù)也相應(yīng)變化。粉質(zhì)黏土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 粉質(zhì)黏土物理力學(xué)參數(shù)表

由表1可知，隨著含水率的減小，土體狀態(tài)由可塑變化至硬塑時(shí)，天然重度提高了0.9～1.5kN/m3，黏聚力提高了20%～33%，內(nèi)摩擦角增大了20%～33%；當(dāng)粉質(zhì)黏土由硬塑變化至堅(jiān)硬時(shí)，天然重度提高了0.1～1.1kN/m3，黏聚力提高了11%～25%，內(nèi)摩擦角增大了11%～33%。其他黏性土也有相似的關(guān)系。

對(duì)于中砂，中砂在加固后主要表現(xiàn)為密實(shí)度的變化。中砂物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 中砂物理力學(xué)參數(shù)表

由表2可知，隨著含水率的減小，中砂密實(shí)度由松散變化至稍密再到中密，中砂的天然重度和內(nèi)摩擦角也有不同程度的增大。

巖石也有相似的規(guī)律，泥巖物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 泥巖物理力學(xué)參數(shù)表

由表3可知，隨著含水率的減小，泥巖風(fēng)化程度由強(qiáng)風(fēng)化變化至中風(fēng)化再到微風(fēng)化，泥巖的各項(xiàng)參數(shù)也有不同程度的增大。

2 基坑內(nèi)加固土物理力學(xué)參數(shù)的取值方法

在此提出一種新的且較為實(shí)用的坑內(nèi)加固土物理力學(xué)參數(shù)取值的方法，詳述如下。

基于Midas-GTS對(duì)不同加固形式的數(shù)值分析得到墩式加固、裙邊式加固和抽條式加固支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩包絡(luò)圖，如圖1所示。與相應(yīng)加固形式下提取坑內(nèi)加固土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)得到的含水率進(jìn)行對(duì)比分析，將不同加固形式下含水率所對(duì)應(yīng)的土體狀態(tài)的物理力學(xué)參數(shù)代入數(shù)值分析軟件進(jìn)行計(jì)算所得到的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)與不同加固形式計(jì)算所得到的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，得出針對(duì)不同巖土體地層坑內(nèi)加固土的取值方法。

圖1 墩式加固、裙邊式加固和抽條式加固支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩包絡(luò)圖

例如，對(duì)于黏性土，如果未處理前土體的狀態(tài)為可塑，那么處理后對(duì)于墩式加固、裙邊式加固和抽條式加固這3種加固形式，根據(jù)含水率按硬塑即提高1級(jí)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)來(lái)進(jìn)行取值；同理，對(duì)于砂土，如果未處理前土體的密實(shí)度狀態(tài)為松散，那么處理后按稍密來(lái)考慮，其物理力學(xué)參數(shù)也相應(yīng)按稍密所對(duì)應(yīng)的參數(shù)取值；對(duì)于巖石也采用同樣的取值方法。

對(duì)于格柵式和滿堂式加固這2種加固形式，通過(guò)數(shù)值分析得到了格柵式、滿堂式加固支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩包絡(luò)圖，如圖2所示。

圖2 格柵式、滿堂式加固支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩包絡(luò)圖

根據(jù)含水率按堅(jiān)硬即提高2級(jí)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行取值；同理，對(duì)于砂土，如果未處理前土體的密實(shí)度狀態(tài)為松散，那么處理后按中密來(lái)考慮，其物理力學(xué)參數(shù)也相應(yīng)按中密所對(duì)應(yīng)的參數(shù)取值；對(duì)于巖石也采用同樣的取值方法。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)采用地基處理措施對(duì)基坑內(nèi)加固土進(jìn)行處理，分析結(jié)果表明可通過(guò)含水率所反映的土體狀態(tài)來(lái)考慮坑內(nèi)加固土物理力學(xué)參數(shù)的增大，為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)坑內(nèi)加固土的參數(shù)取值提供了一種可行的方法。