略论深基坑土体c、φ值的某些影响因素<sup>[]<⼀sup>

随着社会的发展和经济建设的需要，高层建筑越来越多，由其稳定性的要求，随之遇到的深基坑开挖与支护工程也增多。在基坑开挖支护设计中，基坑土体土压力的确定是支护设计根本依据，而基坑侧壁土体的抗剪强度指标c、φ值，又是土压力计算的关键性因素。

无论国内或国外，尽管在深基坑支护的支护形式、土压力计算方法或施工方法上取得了一定的成就，并积累了宝贵的成功经验，但在深基坑侧向土压力计算参数（c、φ值）方面的研究不太多，而基坑土体c、φ值恰恰是土压力计算的关键，也可以说是影响深基坑支护成败的一个很重要因素。

在许多深基坑支护工程中发现，计算的土压力值与现场实测土压力值相差较大，其中一个重要原因是支护设计所采用的土压力计算参数c、φ值与基坑土体实际的c、φ值有出入，甚至相差较大。

影响深基坑土压力计算参数c、φ值的因素很多，但主要为：基坑土体成分、结构和构造；土工试验仪器和试验排水条件；另外，土的应力历史条件、应力路径也是一个很重要的因素，但这一因素往往被工程技术设计人员所忽略。

4.4.1　应力历史条件对深基坑土体c、φ值的影响

土体的抗剪强度c、φ值代表一定荷重历史和试验条件下所测定的强度线倾角及其在纵轴上的截距。在不同的条件下，它们可表现为可变的数值。例如，同一种土，在正常固结条件下，凝聚力为零，而在超固结条件下，又可表现为决定于不同前期固结压力的各种大小的凝聚力，这就是土体的应力历史（前期固结压力）对c、φ值的影响。不考虑土体的应力历史，也就是意味着不考虑其前期固结压力和现有固结压力作用的差异，忽略其是正常固结土或超固结土。具体表现为，在直剪试验中，一概用100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的竖向加荷，或在三轴剪切试验中一律用周围压力σ₃为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa，这种情况目前相当普遍，这样就忽略了土体的实际受力状态。对正常固结土来说，一般的工民建工程，地基压缩层厚度一般在10 m 以内，其固结压力最大值一般在200kPa左右，而基坑工程土体竖向影响深度甚至可达30 m，即其土体最大固结压力γh可达600kPa，此时，如果还是用上述100kPa、200kPa、300kPa、400kPa，的加荷或围压进行剪切试验，显然不合理。

传统土力学认为，土体破坏的实质主要是剪切破坏，并且符合莫尔—库伦强度理论，该理论认为，土中某点的剪应力τ达到该点的抗剪强度τ_f时，该点便处于极限平衡状态，即土的破坏条件为τ＝τ_f，且破坏面是发生在法向应力与剪应力最不利的组合面上。该理论认为破坏面上的剪应力与法向定力应满足函数关系τ_f=f（σ），这个函数在τ－σ坐标中实际上是一条曲线，称为莫尔破坏线，如图4.3 所示。该包线反映材料性质，可通过试验确定。过去在一般的工民建工程中，由于地基土的应力不是太大，通常近似地用直线代替，如图4.3的虚线所示，这也与库伦线性公式完全一致，即τ_f=c＋σ ·tanφ。但对于深基坑工程，其土层垂向应力较大，如果还是用线性关系表达，将产生一定的误差。

图4.3 莫尔破坏包线Fig.4.3 Mohr failure envelopes curve

深基坑工程不同于一般工民建工程，基坑侧壁土体的自重固结压力可在0～600kPa范围内，而一般工民建工程地基压缩层土体自重固结压力在0～200 kPa。一般来说，抗剪强度试验的垂直压力或三轴周围压力，至少应有3级或4级，其中的一级压力应该小于土样自重固结压力，一级与自重压力相近。一至两级大于土样自重压力。直剪试验竖向压力和三轴试验围压可取100kPa、200kPa、300kPa、400kPa（软土取50kPa、100kPa、150kPa、200 kPa），对一般的工民建工程是合理的。但对于深基坑工程，应根据基坑土体所受的自重固结压力大小，相应地调整合适的竖向加荷压力或围压，这样考虑了土体的应力历史，得出的试验结果更符合土体的实际情况。

作者在桂林市华南塑料电器厂综合楼工程中采取了两组土样进行直接剪切试验。土样为可塑状态粘土，取样深度分别为3 m 和4 m，土样的自重固结压力σ_c分别约为60kPa和80kPa（σ_c＝γh），其试验得出的c、φ值结果，如表4.3。

表4.3 桂林市华南塑料电器厂综合楼直接剪切试验Table 4.3 Direct shear test of com prehensive building for south China plastic and electric plant in Guilin

试验结果表明，考虑土体的应力历史差异，采用不同的相应竖向加荷，得出的c、φ值结果不同。为了进一步说明考虑应力历史，不同的试验围压σ₃，也将得出不同的c、φ值结果，作者还进行了三轴剪切试验。在桂林市橡胶机械厂职工宿舍C、D 楼工程中，在5 m 处采取了两组同一土样（这时土样自重固结压力σ_c≈100kPa），先将土样在P=300kPa的压力中进行固结，这时，可认为土样的前期固结压力p_cm =300kPa，然后再将土样分别进行围压σ₃=100kPa、200kPa、300kPa及σ₃=150kPa、300kPa、450kPa的两组三轴固结不排水剪切试验，其结果见表4.4。

表4.4 不同围压σ₃的三轴固结不排水剪切试验Table 4.4 Triaxial shear test of consolidated undrained with different confining pressure σ₃

三轴试验也表明，不考虑土体应力历史得出的土样c、φ值，与考虑应力历史时的结果有差异。并且，上述常规围压加荷得出的结果c、φ值偏小，对支护造成浪费。

4.4.2　应力路径对深基坑土体c、φ值的影响

所谓应力路径，是指土体在受荷过程中，土中一点某一方向面上应力发生和发展变化的轨迹。由于地质环境条件的各异，经过各种地质作用所形成的土体并非是均质，也并非是完全弹性，有可能是黏弹性或弹塑性，那么同一土体受拉加荷和受压加荷的顺序不同，其试验所得出的工程力学指标可能不一样，也就是说，同一土体的应力路径不同，其抗剪强度指标c、φ值就有可能不同。

深基坑在开挖前，其土体中某一点所受的应力状态如图4.4a所示，而在开挖后，其应力状态如图4.4b。

图4.4 深基坑开挖前后土体中一点的应力状态Fig.4.4 The stress state of soil before and after deep excavation

图4.4中，基坑开挖前，在深度为h的某一点处的应力为σ₁＝γ·h，σ₂＝σ₃ =K₀ · γ·h；而开挖后σ₁、σ₂不变，σ₃由原来的K₀ ·γ·h逐渐减小至某一数值，这一数值大于或等于朗肯主动土压力E。的大小，否则，基坑将垮塌。对于这么一个基坑土体的应力变化过程，与现在的三轴试验剪切过程相反，现有常规的三轴试验通常是施加水平方向σ₂＝σ₃压力，然后再在排水或不排水条件下，逐渐增加σ₁直至试样破坏。这种条件下测得的土体c、φ值参数不能反映实际加荷方式、先后次序及加荷过程中应力变化对土体的影响，即没有考虑应力路径对土体c、φ值的影响。

通常土体中一点的应力状态，可用摩尔圆表示，如基坑开挖，保持σ₁＝γ·h不变，而σ₃ 逐渐减小至朗肯主动土压力E _a，则可画出一系列应力图，如图4.5a。而常规三轴试验，保持σ₂＝σ₃不变，σ₁不断增大直至土样破坏，也可画出一系列应力图，如图4.5b。

图4.5 剪切面上的总应力路径图Fig.4.5 The map of totalstress path on shear surface

为了说明如图4.5所示的两种不同应力路径试验，是否对土体c、φ值有影响，本人在桂林市西门菜市主体工程场地，采取了2组同一土样分别进行三轴固结不排水试验，结果见表4.5。

表4.5 不同应力路径的三轴试验结果对比Table 4.5 Comparison of triaxial test results with different stress paths

由试验可知，由于试验的应力路径不同，同一土样，其测得的c、φ值不同。

需要说明的是，对于基坑坑底被动土压力区，由于其土体中任一点的应力状态为σ₁＝γh保持不变，而开挖前的σ₃=K₀ ·γh逐渐增大为朗肯被动土压力值E _p，其土体任一点的应力路径与常规三轴试验相同。

4.4.3　结语

了解基坑土体的应力历史（前期固结压力），用相适宜的直剪竖向加荷或三轴剪切围压σ3进行剪切试验，得出的基坑土体c、φ值更接近实际。考虑基坑土体的应力路径，在进行三轴剪切试验中，采用与普通常规试验相反的加荷顺序，更能有效地模拟基坑开挖土体应力变化的过程，其结果更准确。