于曉洋，楊鑫卿

（山東省魯南地質(zhì)工程勘察院（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊(duì)），濟(jì)寧272100）

1 引言

工程建設(shè)中，素填土一般會(huì)被挖除或不作為持力層考慮，此外，素填土因其回填成分復(fù)雜、回填時(shí)間差異較大，在勘察工作中對(duì)這層土往往不會(huì)投入過多精力進(jìn)行測試?？辈靾?bào)告中的素填土抗剪強(qiáng)度參數(shù)，大多根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)提供，參數(shù)普遍偏低，使基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)方案過于保守，造成浪費(fèi)。

目前，有很多專家學(xué)者[1-3]已通過不同的試驗(yàn)，得到了不同性質(zhì)填土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，這些成果都是基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取的。在工程中，經(jīng)常會(huì)見到一些棄土堆填的高邊坡和未加任何支護(hù)手段開挖的素填土基坑側(cè)壁，形成自穩(wěn)坡體，對(duì)于這些工況，可通過圓弧條分法進(jìn)行反演分析，得到抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

2 工程案例

2.1 工程勘察概況

威海某場地原地形起伏較大，進(jìn)行了多次回填整平，自上而下揭露地層如下：

①素填土：雜色，干燥～潮濕，松散～中密，密實(shí)度不均，以稍密狀態(tài)為主，主要成分風(fēng)化片麻巖碎屑，中下部含較多大塊石，粒徑0.3～0.5 m，局部1.0～1.5 m；場區(qū)進(jìn)行了多次回填，回填時(shí)間5～10 年以上。厚度4.50～17.90 m，平均9.81 m。該層進(jìn)行重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)295 次，實(shí)測擊數(shù)最大值25 擊，最小值7擊，平均值13.1 擊。該層性質(zhì)不均勻，工程特性差。

②強(qiáng)風(fēng)化片麻巖：灰白、黃褐色，中粗粒變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，裂隙較發(fā)育，結(jié)構(gòu)面有鐵質(zhì)侵染，巖芯呈碎塊狀，短柱狀，錘擊易碎，成分以石英、長石、黑云母為主，場地普遍分布，厚度不均，厚度：0.50～5.30 m，平均1.94 m。巖石堅(jiān)硬程度為軟巖，據(jù)野外特征鑒別，完整程度為破碎，巖石基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。

各土層相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 各土層相關(guān)參數(shù)取值建議表

場地地下水類型主要為上層滯水，含水層為填土底部，因場區(qū)填土較厚，基巖面起伏較大，地下水具有典型的不均勻性，勘察期間測得地下水最淺埋深9.60 m。

2.2 基坑開挖情況

由于工期緊且周邊環(huán)境簡單，因此，建設(shè)單位未采取任何支護(hù)措施便進(jìn)行基槽開挖。設(shè)計(jì)采用天然地基，以②層強(qiáng)風(fēng)化片麻巖作為基礎(chǔ)持力層。場地基巖面起伏較大，開挖后的基坑深度5.5～12.0 m，揭露的地層均為素填土。

由于局部需超挖換填，開挖后基坑最深處達(dá)12.0 m，坡率僅為1∶0.5，開挖深度已超過地下水埋深，自坡腳以上2 m 處有少量地下水流出。坡頂?shù)孛孀鲇不幚恚嗥马斁€5 m 外設(shè)有臨建設(shè)施。從土方開挖形成邊坡到基坑回填的一個(gè)多月時(shí)間，坡頂?shù)孛鎯H出現(xiàn)少量裂紋，未發(fā)現(xiàn)有明顯過大的變形和位移，邊坡總體處于穩(wěn)定狀態(tài)，其他開挖較淺形成的坡體，也未見異常。

2.3 工程簡析

本工程中開挖形成并處于穩(wěn)定狀態(tài)的素填土邊坡，如按勘察報(bào)告的巖土參數(shù)進(jìn)行圓弧條分[4]驗(yàn)算，基槽換填后10 m 高、坡率1∶0.5 的邊坡穩(wěn)定系數(shù)僅為0.730，處于破壞狀態(tài)，這與實(shí)際情況是不符的，勘察單位提供的抗剪強(qiáng)度參數(shù)顯然偏于保守。

根據(jù)現(xiàn)場坡體開挖揭露的情況，素填土主要成分為風(fēng)化巖碎屑、碎石及塊石，碎石、塊石呈不規(guī)則的棱角形，構(gòu)成了填土的主要框架，塊體間的空隙被細(xì)粒風(fēng)化巖碎屑所填充。粗粒土內(nèi)摩擦主要涉及土顆粒間的相對(duì)滑動(dòng)，包括滑動(dòng)摩擦及咬合摩擦[5]，本工程填土碎石之間的摩擦顯然是以咬合摩擦為主，歷經(jīng)長時(shí)間固結(jié)，其強(qiáng)度已有所增加。因此，本工程中，素填土φ 值是影響坡體穩(wěn)定性的重要因素。

3 影響素填土抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值的因素

3.1 固結(jié)時(shí)間

新近回填的素填土，土體處于欠固結(jié)狀態(tài)，隨著時(shí)間增長，在自重應(yīng)力作用下，土顆粒之間的空隙逐漸被壓縮，氣體與水被排出，顆粒間的有效聯(lián)結(jié)隨之增大。自然狀態(tài)下，隨著降水下滲，土的有效應(yīng)力進(jìn)一步增大，也加快了固結(jié)速度。因此，素填土的回填時(shí)間越長，其抗剪強(qiáng)度參數(shù)往往越大。

3.2 主要成分及結(jié)構(gòu)

素填土的成分主要為砂性土或黏性土。對(duì)于砂性土φ 值起主要作用，黏性土在回填的過程中，原狀結(jié)構(gòu)已擾動(dòng)損壞，c值較原狀土有一定的減弱。如回填土主要成分本身強(qiáng)度不高，諸如淤泥質(zhì)土、淤泥一類的軟土，回填后其抗剪強(qiáng)度依然不會(huì)有太大改變。而主要成分為碎石土類的填土，回填后其抗剪強(qiáng)度仍然較高。不同成分的土混雜，需要分析各成分土的構(gòu)成比例、聯(lián)結(jié)關(guān)系等對(duì)c、φ 值的影響。

在不同填土顆粒組合的過程中，砂性土的結(jié)構(gòu)性作用比較明顯，顆粒形狀如果呈棱角狀，回填后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相對(duì)較高，顆粒形狀較為圓滑，則回填后抗剪指標(biāo)稍差。碎石類填土也具有以上類似特征。

3.3 地下水作用

自然狀態(tài)下，位于地下水位上下兩側(cè)的素填土抗剪強(qiáng)度是不同的，地下水位以下的填土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)一般會(huì)有所折減。動(dòng)水條件下，尤其存在地下水長期水平滲流時(shí)，該規(guī)律依然適用，其影響程度明顯更大一些。

3.4 回填方式

素填土為人工回填形成，回填過程中對(duì)土的不同處理方式，也會(huì)影響抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。如同一場地分批次、歷經(jīng)不同時(shí)間間隔回填較一次性回填，每次回填不同類型的土較回填相同類型的土，所形成的土體性質(zhì)必然有所不同。回填過程中如果進(jìn)行了分層碾壓或強(qiáng)夯處理，填土的抗剪強(qiáng)度較簡單堆填的方式明顯更高一些。

4 素填土抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值方法

素填土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的取值受綜合因素影響，因此，對(duì)其參數(shù)的取值應(yīng)建立在對(duì)填土回填時(shí)間、回填成分、回填方式等信息進(jìn)行充分調(diào)查分析的基礎(chǔ)上。另外，根據(jù)工程條件應(yīng)采用不同的勘察手段。

4.1 原位測試法

原位測試法是工程勘察中針對(duì)素填土的常用手段，根據(jù)填土回填成分的不同或根據(jù)現(xiàn)場條件可采用以下3 種測試手段。

1）標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)：該試驗(yàn)適用于填土成分較為簡單的砂土、粉土和一般黏性土，如果填土中夾有大塊碎石，標(biāo)貫試驗(yàn)是不適宜的。根據(jù)標(biāo)貫試驗(yàn)實(shí)測擊數(shù)，參照《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第四版）表3-3-9、3-3-10 及圖3-3-9、3-3-10[6]，可以求得φ 值的大小。按照文獻(xiàn)[3]中的研究成果，在已知φ 值的前提下，根據(jù)標(biāo)貫實(shí)測值，可確定填土的地基承載力，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.5 條[7]地基承載力計(jì)算公式，可以反算出c 值。

2）重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)：重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)可以針對(duì)回填土成分為砂土、碎石土及風(fēng)化巖石的地層，根據(jù)實(shí)測擊數(shù)，參照《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第四版）表3-2-29，可以查表求得φ值的標(biāo)準(zhǔn)值，按照文獻(xiàn)[3]中的研究成果，可以反算出c值。

3）現(xiàn)場剪切試驗(yàn)：如果具備條件，現(xiàn)場剪切試驗(yàn)可以在試洞、試坑、探槽或大口徑鉆孔內(nèi)進(jìn)行，并采用平推法進(jìn)行試驗(yàn)。此方法往往可以直觀且真實(shí)地反映土體的抗剪強(qiáng)度。

4.2 土工試驗(yàn)法

土工試驗(yàn)法主要針對(duì)現(xiàn)場可以采取原狀樣的黏性土，由于回填土成分存在不均勻性，選取土樣時(shí)，應(yīng)具有代表性。對(duì)于土樣的室內(nèi)試驗(yàn)，主要采用三軸剪切試驗(yàn)或直剪試驗(yàn)，并根據(jù)現(xiàn)場土體的固結(jié)排水情況或后期施工工序，合理確定固結(jié)條件及排水條件，從而獲得與現(xiàn)場更為接近的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

4.3 工程經(jīng)驗(yàn)分析法

通常情況下，圓弧條分法通過給定已知c、φ 值，可求得邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs。如果假定現(xiàn)狀穩(wěn)定邊坡處于極限平衡狀態(tài)，則邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.00，根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第四版）可以查得不同類型土體的抗剪強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)值，或根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值，代入圓弧條分公式反復(fù)驗(yàn)算，使求得的穩(wěn)定性系數(shù)Fs無限接近1.00，這樣就可以在工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上得到一組抗剪強(qiáng)度參數(shù)，這是一種簡單的反演過程。

以前面的工程為例，素填土中φ 值是需要進(jìn)行調(diào)整的對(duì)象，因此，c 值和假定的Fs值可作為已知量，未知量φ 可通過不斷試算求得。由于瑞典條分法較其他圓弧滑動(dòng)法所得到的安全系數(shù)偏低[8]，在達(dá)到相同安全系數(shù)的情況下，反演所得的c、φ 值反而偏大，不安全，因此，反演可采用現(xiàn)行GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中簡化畢肖普法[9]進(jìn)行。將現(xiàn)場處于穩(wěn)定狀態(tài)且坡率僅為1∶0.5 的10 m 高邊坡作為反演對(duì)象，借助邊坡穩(wěn)定性分析軟件進(jìn)行試算，邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)下的φ 值至少為39°。但由于填土大部分存在回填不均的現(xiàn)象，從整個(gè)場地綜合考慮，φ 值可以進(jìn)行一定的折減，如按折減系數(shù)0.9 考慮，φ=35°，在此條件下的邊坡穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)Fs=0.922。因此，在充分考慮不利因素的情況下，φ 取35°可以滿足支護(hù)工程設(shè)計(jì)的需要，相比于原參數(shù)，也更加合理一些。

如場地不具備已形成的邊坡，可現(xiàn)場開挖探槽、探坑，暴露的剖面和坡體不僅能直觀地揭露填土的組成成分，也可形成自穩(wěn)的坡體。相對(duì)于原位測試、室內(nèi)試驗(yàn)法，工程經(jīng)驗(yàn)反演分析法得到的抗剪強(qiáng)度參數(shù)雖然具有一定隨機(jī)性，但這是建立在工程經(jīng)驗(yàn)和一系列科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，相對(duì)于勘察過程中不采用任何試驗(yàn)、測試而憑“經(jīng)驗(yàn)”提供參數(shù)的做法更具有參考價(jià)值。

5 結(jié)語

素填土在其形成的過程中由于受到不同因素的作用，其抗剪強(qiáng)度本身就具有一定離散性。在對(duì)素填土形成過程進(jìn)行充分調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)其特性，選取合適的方法尤為重要。

1）影響素填土抗剪強(qiáng)度因素主要有固結(jié)時(shí)間、成分結(jié)構(gòu)、地下水、回填方式等因素。

2）素填土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的獲得可采用原位測試法（標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、重型圓錐動(dòng)力試驗(yàn)、現(xiàn)場剪切試驗(yàn)）、室內(nèi)試驗(yàn)法及工程經(jīng)驗(yàn)反演分析法。

3）在某些特殊情況下，基于簡化畢肖普法的工程經(jīng)驗(yàn)反演分析法可以作為一種快速便捷的手段。