土体抗剪强度指标的选用及各种规范的对比.doc

精品文档土体抗剪强度指标的选用及各种规范的对比土体抗剪强度指标的选用及各种规范的对比（2009年10月20日下午所会议室）蒋 力一、土强度指标概述在深基坑设计中，土压力的计算是支护设计的基础依据和关键所在，而在土压力计算中，土体的粘聚力c、内摩擦角又是最基本的参数。例如，同一种饱和粘性土，在固结排水和固结不排水试验中就表现出不同的摩擦角，而在不固结不排水试验中，内摩擦角为零。为了尽可能模拟基坑工程中的各种复杂排水条件，在进行土强度指标试验时，分为三种情况考虑，即三轴的不固结不排水剪（UU），固结不排水剪（CU）及固结排水剪（CD），与其相对应的直接剪切试验分别为快剪，固结快剪和慢剪。所谓的不排水是指在三轴试验中，施加主应力差（13）时仪器的排水阀门是关闭的，这就能保证土试样中的水不能排出，与荷载施加的快慢没有任何关系。有人将直剪试验的固结快剪说成是固结不排水试验，将快剪称为不排水试验，也是错误的。对于粘性土，很快的剪切速度对于粘土确实限制了排水，其固结快剪指标往往与三轴固结不排水试验相近；但是对于粉土、砂土来说，固结快剪和固结不排水可能就完全不同。由于直剪试验上下盒之间存在缝隙，对于渗透系数比较大的砂土，即便在快剪过程中，这种缝隙也足以排水。因此，对于砂土而言，固结快剪、快剪试验得到的指标基本上就是有效应力指标。把三轴固结不排水试验指标和固结快剪指标不加区别是错误的。充分了解不同的固结排水条件剪切的实质，在基坑设计显得尤为重要。正确选用合理的土参数指标，是基坑围护设计成功的保证。但目前地铁基坑中，许多勘察人员拿不准针对具体的基坑工程提出合理的剪切试验类型；有的设计人员在计算土压力时，对勘察报告提供的各种c，fai值感到棘手。有时为了保险起见人为的取小值，造成浪费；或者走向另一面，酿成基坑事故。因此，弄清楚三种固结排水条件的本质及其在基坑工程中的运用，很有必要。二、各种规范对土压力计算参数的规定各种规范中关于土压力的计算参数的规定五花八门：1、建设部行业标准建筑基坑支护技术规程（JGJ12099）对于砂性土，采用水土分算，取土的固结不排水抗剪强度指标或者固结快剪强度指标计算；对于粘性土及粉性土，采用水土合算，地下水以下取饱和重度和总应力固结不排水（固结快剪）抗剪强度指标计算。解释：按照土力学的有效应力原理和渗流固结理论，水土分算时应采用土的有效应力强度指标，但勘察单位一般能提供该值的不多。同时基坑工程中，由于基坑开挖和土卸载的影响，造成围护结构前移和基坑底土体的隆起，使得各部分土体均有膨胀的趋势，在土中会形成负的超静孔隙水压力，这种孔隙水压力对于砂土，消散比较快可不予考虑，但是对于渗透性小的粘性土，负孔压持续的时间很长，不能够忽略该压力，然后由于土中的超静孔隙水压力的值计算起来也很复杂，因此，用有效应力指标计算基坑的水土压力是非常复杂的事情，大多数规范就把超静孔隙水压力的影响反映在土的参数指标上，实际上这并非真正的分算，也是一种“狭义”的水土合算方法。在本规范中，关于水土分算的计算公式如下所示，公式型式过于复杂，只要说明采用郎肯土压力理论，地下水位以下采用水土分算，以及坑底以下土压力和水压力保持不变就可以。水土合算，采用固结快剪峰值强度指标有争议。2、冶金工业部标准建筑基坑工程技术规范（YB925897） 一般情况宜按照水土分算原则计算，有效土压力取有效应力抗剪强度指标指标，粘性土无条件取得有效应力强度指标时，可采用固结不排水（固结快剪）指标代替。当具有地区工程实践经验时，对粘性土也可采用水土合算原则，取总应力固结不排水抗剪强度指标计算。解释：虽然直剪试验存在一些明显缺点，受力条件比较复杂，排水条件不能控制等，但出于仪器和操作比较简单，又有大量实践经验，因此比较广泛采用直剪仪作快剪及固结快剪试验取得土的抗剪强度指标。一般推荐固结快剪指标，因为固结快剪是在垂直压力下固结后再进行剪切，使试验成果反映正常固结土的天然强度，充分固结的条件也使试样受拢动以及土样中夹薄砂层的影响都减到最低限度，从而使试验指标比较稳定。3、建筑地基基础设计规范（GB500072002）对于砂性土，宜按照水土分算原则计算，对粘性土宜按照水土合算的原则计算。对于饱和粘性土，用在“自重应力预固结的不固结不排水三轴试验（UU）确定抗剪强度指标”。解释：对于饱和软粘土，由于灵敏度高，取土易扰动，为了使结果不致于过低，按照现行的岩土工程勘察规范（GB50021），可以在自重压力下进行固结后再进行UU试验。该值大小介于UU和CU之间。34、上海市基坑工程设计规程（DBJ086197）按水土分算原则计算土压力时，可采用总应力抗剪强度指标，其中计算点处的总应力抗剪强度指标，按三轴固结不排水试验或直剪固结快剪试验峰值强度指标取用。对粘性土，有工程经验时可按水土合算计算，采用经验土压力系数。解释：水土合算不采用直剪固结快剪指标。45、上海市工程建设规范地基基础设计规范（DGJ08111999）推荐采用水土分算原则，土的抗剪强度指标采用计算点处土的内摩擦角、粘聚力直剪固结快剪试验的峰值平均值确定。56、浙江省标准建筑基坑工程技术规程（DB33/T1008-2000）按照浙江基坑规范5.1.3规定：侧压力应根据不同类型土层、排水条件分别采用采用以下方法计算。a、对淤泥、淤泥质土，应采用土的不排水试验强度指标和饱和重度按水土合算计算侧压力。b、对砂性土，应采用有效应力强度指标和土的有效重度按水土分算原则计算侧压力。c、对粉性土、粘性土等，宜采用有效应力强度指标和土的有效重度按水土分算原则计算。有工程经验时，也可采用三轴固结不排水试验总应力强度指标按水土合算原则计算侧压力。67、深圳市标准深圳地区建筑深基坑支护技术规范（SJG 0596）对粘土采用快剪或者三轴不固结不排水（UU）试验指标，对饱和软粘土， 对砂土，粉土采用直剪固结快剪或者三轴固结不排水试验强度指标。在进行快剪或者不固结不排水时，应在自重应力下预固结后，再进行剪切。二、各种规范对基坑稳定性计算参数的规定各种规范的规定方法如下表所示：表1 各规范推荐采用的土层抗剪强度指标调查表规范名称推荐的抗剪强度指标整体圆弧滑动计算坑底、墙底抗隆起计算抗倾覆计算建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）三轴固结不排水剪、固结快剪，安全系数大于1.3。不作验算不作验算。建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）安全系数大于1.2，经过预压固结的地基，采用三轴固结不排水剪（CU），未固结地基，采用有效自重应力预固结下的UU指标对基坑底为饱和软土时，Ks大于1.6，采用十字板剪切试验指标或者有效自重应力预固结下的UU指标。整体抗倾覆稳定大于1.3。浙江省标准建筑基坑工程技术规程B33/T1008-2000 固结快剪，安全系数大于1.3。对多支撑围护体系可不验算，除非支撑系统破坏对一级基坑，Ks大于1.76，二级基坑Ks大于1.6，三级基坑Ks大于1.44，取固结快剪峰值。对一级基坑，Ks大于1.265，二级基坑Ks大于1.15，三级基坑Ks大于1.035，取固结快剪峰值。上海市基坑工程设计规程（DBJ086197）固结快剪，安全系数大于1.25，对多支撑围护体系可不验算，除非支撑系统破坏。绕最下一道支撑的圆弧滑动计算，对一级基坑，Ks大于2.5，二级基坑Ks大于2.0，三级基坑Ks大于1.7，取固结快剪峰值。绕最下一道支撑的力矩平衡计算，对一级基坑，Ks大于1.2，二级基坑Ks大于1.1，三级基坑Ks大于1.05，取固结快剪峰值。上海市城市轨道交通设计规范（DGJ081092004）固结快剪，安全系数大于1.3，对多支撑围护体系可不验算，除非支撑系统破坏。绕最下一道支撑的圆弧滑动计算，对一级基坑，Ks大于1.8，二级基坑Ks大于1.6，三级基坑Ks大于1.4，取固结快剪峰值的0.7倍。绕最下一道支撑的力矩平衡计算，对一级基坑，Ks大于1.2，二级基坑Ks大于1.1，三级基坑Ks大于1.05，取固结快剪峰值。建筑基坑工程技术规范（YB925897）固结快剪，安全系数对于砂土大于1.2，对于粘性土大于1.4。绕坑底垫层的圆弧滑动计算，大于1.3。对基坑底为软土情况，墙底隆起大于1.4。无三、讨论1、基坑稳定性验算时，所选用的土强度指标的类别对计算结果影响很大，选用不同的强度指标，必须配以相应的安全系数。即安全系数是和抗剪强度指标配套使用的，不能混用。用哪一本规范就全部跟到底，计算方法（分算还是合算）、强度指标（CU还是UU）和安全系数配套使用。2、关于土层参数打折的问题：（1）抗隆起稳定性验算的概念各本规范并不完全一致，如建筑地基基础设计规范附录V和冶金部规范用的是验算地基承载力的概念，建筑基坑支护技术规程中就没有这项验算的内容，上海的基坑工程设计规程中，第7.1.9.1条用地基承载力的概念验算抗隆起稳定性，而在第7.1.9.2条则是用绕最下一道支撑的小圆弧滑动验算；（2）上海过去的经验，对峰值强度打七折的做法是缘起于地基承载力，有一段时间什么都打七折，在80年代末，编制89规范时经过研究，将地基承载力和其他的计算区别开来了，即计算地基承载力打七折，计算土压力用峰值。3、关于水土压力分算、合算的问题：对于砂性土、粉性土、粉质粘土层，采用水土分算原则、固结快剪峰值强度指标是没有异议的。对于淤泥和淤泥质粘土，认为其存在结合水，无法传递静水压力，土中水的重量可能需要通过土骨架传递。因而水土合算也许有道理，按照上海规范，水土分算、合算均可行，上海规范对水土合算的土压力采用经验系数法，给出了经验公式，其经验土压力系数约在0.550.75范围。按照建设部规范，采用水土合算，固结快剪峰值指标。该方法有争议。在杭州地铁设计实践中，淤泥质土考虑用水土合算原则计算时，不宜采用固结快剪峰值强度指标，也不宜采用UU指标。结合杭州地铁的相关经验，水土合算的指标宜采用固结快剪峰值强度的0.7倍或者有效应力预固结下的不固结不排水剪（UU）进行水土压力计算，在稳定性验算中，采用固结快剪峰值强度的0.7倍，基坑整体稳定安全系数大于1.3，坑底、墙底抗隆起稳定安全系数大于2.0。不宜采用固结快剪峰值强度的原因如下：（1）若采用固结快剪峰值指标，水土合算方法来计算土压力，计算误差会随着摩擦角的增大而逐渐增大，原因是水压力这一块乘以了土压力系数，经过计算，发现如果摩擦角等于0，则土压力系数等于1，而采用固结快剪指标，有的土质摩擦角高达20度，则K0.49，也就是说计算的水压力误差达到51。（2）目前地铁基坑普遍存在抢工期，赶进度的现象，施工速度较快，对于渗透性很小的淤泥质土来说，土体的固结程度一般很难达到100，如果采用固结快剪峰值强度，则高估了淤泥质土的抗剪能力，计算偏于危险。不宜采用不固结不排水剪切指标的原因如下：（1）按照不固结不排水剪（UU）计算，在基坑开挖深度较大而粘聚力c值较小时，会出现围护结构内侧被动土压力无法平衡主动土压力的情况，使得设计无法进行。（2）一般粘土层在历史阶段均进行了一定时间的沉积，即其固结度大于0，若采用不固结不排水剪切指标（UU），计算偏于保守，使得设计偏于保守。并且随基坑深度增加，浪费增加。而且一般勘察单位在进行UU试验时，往往忽略对软土进行预固结处理，给设计带来困难。经过分析，这种方法计算下来的土压力系数在0.70.85左右，基本符合杭州软土地区的实际测试结果。需要强调的是，采用水土合算的实际原因是工程中实测的结构内力往往很小，是一种经验计算法，但水土合算与土力学基本理论冲突，很少见到解释和分析水土合算方法的微观机理和试验验证方面的工作。造成实际结构内力比理论计算值小得多的原因有以下原因：（1）原状土的结构性；取样的扰动会大大降低原状土的强度指标。对于砂土可能将其结构强度丧失殆尽。在实际工程中，可以在一般粘性土中，甚至在砂质土中垂直开挖几米而不加支护；只要保持比较快的开挖速度，在淤泥土中也可以无支护垂直开挖。这种垂直开挖的深度远大于z0=2c/（gka），其中c 是试验得到的粘聚力，ka是朗肯主动土压力系数。原状土的在长期沉积固结过程中形成的颗粒间的胶结、咬合和土层间的物质渗透和约束作用有时是十分强烈的。（2）土的应力历史（补偿式基础）；一般计算土压力时，基坑内的垂直应力是从坑底算起的自重应力，被动土压力按Pp= KpZ计算。其中Z是从基底起算的深度。实际上，由于基坑开挖面积是有限的，基坑以下土体的垂直向应力应当是从原地面起算的自重应力加上由于开挖引起的“负附加应力Z”，即（Z+Z）z它远大于由基坑底起算的“自重应力”（Z）。（3）土体的超固结；如果地基土是正常固结土，在开挖减压后由于其平均主应力与围压减少而变成超固结土。使强度包线提高，减少了主动土压力，增加被动土压力。（4）土体的应力路径：基坑开挖的应力路径不同于常见的工程问题，即以竖直方向的重力增加为主的的应力路径(如常规三轴与侧限应力路径)，而是以侧向开挖引起的侧向压力减小(墙后)或者竖向应力减少(基坑内)为主的应力路径。4、过于国家标准与地方或者行业标准冲突时，该如何处理？（1）. 要具体分析是什么问题上发生矛盾，不同问题的处理原则是不同的；（2）. 属于法规性质的规定，应该以国家标准为准； （3）. 属于计算方法类的规定，应该尊重行业的习惯； （4）. 属于经验系数的规定，应该尊重地方经验，岩土工程的地方经验特别重要； （5）. 还有颁布先后的问题，后颁布的标准已经征求过已有规范的意见了，有矛盾应以后颁布为准。四、m、k的选用m值在地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范（GB50307-1999）及岩土工程勘察规范（GB50021-2001）没有明