靜力觸探和十字板剪切試驗(yàn)在巖土工程中的應(yīng)用

■莫茗鈞

（廣東省有色金屬地質(zhì)局九三五隊(duì) 廣東 惠州516001）

靜力觸探和十字板剪切試驗(yàn)在巖土工程中的應(yīng)用

■莫茗鈞

（廣東省有色金屬地質(zhì)局九三五隊(duì) 廣東 惠州516001）

巖土工程勘察需要通過現(xiàn)場原位試驗(yàn)來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行工程場地的可行性分析，常見原位試驗(yàn)包括靜力觸探試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)。十字板剪切主要測定軟粘土的抗剪強(qiáng)度、地基承載力，判斷軟土固結(jié)程度、靈敏度、計(jì)算地基穩(wěn)定性等方面有很好的效果；靜力觸探用于土類判別和力學(xué)分層、估算單樁承載力。本文在介紹兩種原位試驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合工程實(shí)例對其在工程中的應(yīng)用展開論述。

靜力觸探；十字板剪切；比貫入阻力；不排水抗剪強(qiáng)度；靈敏度

0 引言

最新版的巖土工程勘察規(guī)范將e不小于1，w大于IL的土定義為軟土，其種類有淤泥、淤泥質(zhì)土等。軟土是一種特殊的土，沉積物在靜水或流速緩慢的水環(huán)境中具有觸變性、流變性、壓縮性高、強(qiáng)度低、滲透率低等工程危險性大的非均質(zhì)性特征，往往會引起地基失效，大的沉降和邊坡失穩(wěn)，需引起高度重視。

十字板剪切試驗(yàn)通常被用來測定飽和軟粘性土的抗剪強(qiáng)度和殘余抗剪強(qiáng)度，判斷軟土固結(jié)程度、靈敏度、計(jì)算地基穩(wěn)定性，靜力觸探則用于土類判別和力學(xué)分層、估算單樁承載力，這兩種方法經(jīng)驗(yàn)較多，理論較完善，數(shù)據(jù)可靠。

1 靜力觸探在巖土工程中的應(yīng)用

1.1 靜力觸探應(yīng)用分析

靜力觸探成果已廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)評價，如土壤類型判別和分層，對土壤、摩擦角和砂土相對密度的評價，不排水抗剪強(qiáng)度評價、壓縮模量和變形模量E0，確定土壤的承載能力，均得到了令人滿意的結(jié)果。在樁基礎(chǔ)的調(diào)查中，單樁的豎向承載力和樁受到的阻力可以根據(jù)樁的類型（如摩擦端承樁、端承樁等）進(jìn)行估計(jì)。

1.1.1 確定土體特征和微地貌單元

地貌單元的劃分和判斷是根據(jù)地層結(jié)構(gòu)分布特點(diǎn)和地貌形態(tài)及地形標(biāo)高等因素。反之，查明了地層結(jié)構(gòu)分布特點(diǎn)就可以判斷河流階地類型，進(jìn)而幫助評價場地的工程地質(zhì)條件。

圖1是某市區(qū)河漫灘和河流一、二級階地的土層靜力觸探ps值曲線圖，所反映的地層結(jié)構(gòu)是內(nèi)疊階地。根據(jù)曲線反映的土層剖面，地基靜力觸探ps值曲線反映的地層剖面則是河流上疊階地的地層結(jié)構(gòu)，上部是全新統(tǒng)土層，其下為更新統(tǒng)地層。

圖1 某市漫灘及河流一、二級階地土層靜力觸探ps值曲線圖

1.1.2 確定泥質(zhì)軟巖的中風(fēng)化帶界線

我國廣泛分布中、新生代的紅色泥質(zhì)砂巖，由于其厚度巨大，埋藏較淺，常常是重大工程的樁基持力層。例如某市紅色泥質(zhì)砂巖埋深一般15～25m，中厚-巨厚層狀，泥質(zhì)膠結(jié)，是該市高層建筑及市政橋梁樁基持力層。紅色泥質(zhì)巖由于強(qiáng)度低，各風(fēng)化帶的界線不明顯，往往給(中)風(fēng)化帶的劃分帶來困難。由于地質(zhì)、施工和監(jiān)理對中風(fēng)化帶(設(shè)計(jì)的持力層)的劃分難以把握，致使到新鮮巖的情況下還在向下開挖，只有確定樁端持力層的標(biāo)高，才能避免了成本的增加。

風(fēng)化巖常含有風(fēng)化帶，有時是很難被穿透，比較軟巖中的靜力觸探曲線，亦發(fā)現(xiàn)一般只有在風(fēng)化帶以上約1m，顯示一個隨著地形變化的疏緩波狀的曲面。由于其滲透曲線的取值是連續(xù)的，在綜合評判中比較容易確定。因此，在泥漿中的風(fēng)化帶的界面是由鉆井確定的，這是很好的驗(yàn)證。雖然這可能是一個少數(shù)的例外，但在實(shí)際工程中，這種解決問題的思路是有用的。此外，根據(jù)靜態(tài)滲透曲線的值以及滲透阻力，確定邊坡滑動界面是一個更可靠的方法，在調(diào)查和評估的土體滑坡中取得了令人滿意的結(jié)果，。

2 十字板剪切試驗(yàn)在軟土地基中的應(yīng)用

2.1 機(jī)理分析

十字剪切試驗(yàn)是對鉆孔中的軟粘土進(jìn)行的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。測得的剪切強(qiáng)度等于不排水剪切強(qiáng)度和殘余抗剪強(qiáng)度，同時也可以當(dāng)作無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的1/2。

十字板剪切裝置由兩個相互垂直的軸結(jié)構(gòu)組成，高強(qiáng)度且薄的金屬板焊接在軸端上。當(dāng)使用十字板插入到土壤中，施加扭矩在軸上，在土壤中的葉片旋轉(zhuǎn)，形成一個圓柱形的剪切面，由設(shè)備上的量力裝置測量最大扭矩，從而測出剪切強(qiáng)度。

設(shè)十字板所測定的土的抗剪強(qiáng)度為sv，則有：

2.2 工程實(shí)例

2.2.1 概述

某市一地區(qū)原為湖泊水域，廣泛分布湖泊相厚層淤泥及淤泥質(zhì)粘土等軟土，平均厚度為8～15m，最深達(dá)到20m，低承載力(30～60kPa)、高壓縮性，對市政道路排水工程、建筑工程的地基穩(wěn)定性及沉降有很大影響。

上層淤泥及下層淤泥質(zhì)粘土的性質(zhì)見表1。

表1 土的主要物理、力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

2.2.2 地基承載力計(jì)算

式中，fa為地基承載力特征值，按抗剪強(qiáng)度確定；Mb、Md、Mc為各項(xiàng)承載力參數(shù)，查規(guī)范中的表5.2.5可得；b為基礎(chǔ)底面寬度，大于6m時取6m，砂土?xí)r若小于3m則取3m；Ck為粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值；γ為天然重度，地下水位以下要減去地下水的重度；γm為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度。

從而可以算出該工程中 (2-1)淤泥 fa=3.14Cu=3.14× 11.9=37.3kPa，(2-2)淤泥質(zhì)粘土fa=3.14Cu=3.14×24.2=76kPa。依據(jù)當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)所記錄的含水量、比貫入阻力可以查得承載力特征值誤差不是很大，(2-1)層淤泥的承載力特征值小于40kPa，(2-2)層淤泥質(zhì)粘土的承載力特征值在60kPa左右。十字板剪切試驗(yàn)得出的地基承載力和當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)估算的結(jié)果是一致的。

2.2.3 應(yīng)力歷史的推算

對比兩種勘察現(xiàn)場試驗(yàn)得出的各項(xiàng)參數(shù)，結(jié)合不同思路求出超固結(jié)比。

1）土工試驗(yàn)法，(2-1)層淤泥超固結(jié)比0.85～0.93，平均值0.91；(2-2)層淤泥質(zhì)粘土的超固結(jié)比0.30～0.99，平均值0.74。超固結(jié)比均小于1。

2）十字板剪切試驗(yàn)法，由公式

可以得出(2-1)層淤泥為0.55～1.16，平均值0.85；(2-2)層淤泥質(zhì)粘土為0.39～1.05，平均值0.62。除了部分點(diǎn)超過1，大多數(shù)的測試點(diǎn)超固結(jié)比都小于1。

巖土工程試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，該地區(qū)軟土處于固結(jié)狀態(tài)，在重力作用下尚未完成沉降。在自重或土樁的情況下，沉降將繼續(xù)，樁體將形成一個負(fù)摩阻力，這將降低樁基礎(chǔ)的承載力。設(shè)計(jì)和施工需要考慮其帶來的不利影響。

2.2.4 靈敏度

軟土的敏感度可以表示軟土土體原始結(jié)構(gòu)被破壞后強(qiáng)度的降低情況：St=Su/S'u，式中，St為靈敏度；Su為原狀土的抗剪強(qiáng)度，kPa；S'u為擾動土的抗剪強(qiáng)度，kPa。

兩種現(xiàn)場試驗(yàn)分別得出靈敏度，其結(jié)果如下表2中所示。

從表2中可以看出以下幾點(diǎn)：

表2 軟土靈敏度統(tǒng)計(jì)

1）該地區(qū)軟土的敏感性為4以上，屬于敏感中等偏上的粘土部分表現(xiàn)出不靈敏或極靈敏。最大靈敏度為12，這表明，當(dāng)?shù)氐能浲恋慕Y(jié)構(gòu)是非常強(qiáng)的，土壤受到干擾后強(qiáng)度的變化會很小。

2）土工試驗(yàn)獲得的軟土的敏感性明顯低于十字板試驗(yàn)（2-3），淤泥質(zhì)粘土的差異幾乎為1倍。

3）土工試驗(yàn)得出的（2-1）靈敏度淤泥高于（2-3）淤泥質(zhì)粘土，這和十字板試驗(yàn)結(jié)果正好相反。

靈敏度反映了粘性土的結(jié)構(gòu)，中度敏感和敏感的土壤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度稍強(qiáng)，也就是說，由于一些粘性土的強(qiáng)度損失是非?？?，現(xiàn)場十字板剪切試驗(yàn)可以減少土壤樣品擾動的影響，方法簡單、快速。可以認(rèn)為，十字板的試驗(yàn)結(jié)果可以更準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況。因此，在求軟土靈敏度的方法中，應(yīng)首推野外十字板現(xiàn)場剪切試驗(yàn)。

3 結(jié)語

十字板試驗(yàn)和靜力觸探是原位測試中常見的兩種手段，尤其適用于抗剪強(qiáng)度和殘余承載力的測定，可用于軟土的固結(jié)度的計(jì)算、軟土工程地基穩(wěn)定性評價、靈敏度分析。此外這兩種方法的經(jīng)驗(yàn)豐富，理論完善，數(shù)據(jù)可靠，可用于軟土地基勘察。由于巖土工程在工程中的靈活性，我們還需要積累工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，保證地質(zhì)參數(shù)的精確，確?？辈旖Y(jié)果的可靠度。

[1]常示驃,張?zhí)K民《.巖土工程手冊》 （第四版）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007 (2).

[2]《巖土工程勘察規(guī)范》.GB50021-2001（2009版）.

[3]高大釗等.軟土地基理論與實(shí)踐 [M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1992.

TU[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-12-453-2