南寧市粉細(xì)砂層抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值研究

譚海暉，楊 漣，米德才，楊禮明，吳龍科

（1.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧530011；2.南寧市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，廣西南寧530028）

南寧市粉細(xì)砂層抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值研究

譚海暉1，楊 漣2，米德才1，楊禮明1，吳龍科1

（1.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧530011；2.南寧市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，廣西南寧530028）

廣西南寧市粉細(xì)砂層分布廣泛，隨著許多大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目的相繼啟動(dòng)，粉細(xì)砂抗剪強(qiáng)度的確定對(duì)工程有重要意義且勢(shì)在必行。在南寧市軌道交通深基坑中獲取92組原狀樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，在3個(gè)軌道交通深基坑中進(jìn)行原位試驗(yàn)，同時(shí)收集南寧市巖土工程勘察報(bào)告中粉細(xì)砂經(jīng)驗(yàn)取值，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示：南寧市粉細(xì)砂層抗剪強(qiáng)度比地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值稍低，與現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)取值一致。

粉細(xì)砂層；抗剪強(qiáng)度；黏聚力；內(nèi)摩擦角；參數(shù)

隨著南寧市經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，城市軌道交通項(xiàng)目、東盟商貿(mào)區(qū)及北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)等大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目相繼啟動(dòng)，這些工程項(xiàng)目建設(shè)需要開挖大量的深基坑。南寧市處于邕江階地，河流沖洪積物分布范圍廣且發(fā)育厚度大，深基坑的開挖揭露了這些河流的沖洪積物，其中，粉細(xì)砂層已大范圍揭露。由于形成年代較晚尚未完成固結(jié)，粉細(xì)砂層穩(wěn)定性較差，對(duì)基坑的開挖造成潛在危害。因此，南寧市粉細(xì)砂抗剪強(qiáng)度參數(shù)的研究對(duì)保障南寧市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)順利開展有著重大的實(shí)際工程意義。

一直以來(lái)，巖土層物理力學(xué)參數(shù)取值的確定都是巖土工程界的一個(gè)技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者［1-11］采用不同的儀器，通過不同的試驗(yàn)方法及后期的統(tǒng)計(jì)分析對(duì)巖土層物理力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確取值進(jìn)行了大量的研究。粉細(xì)砂抗剪強(qiáng)度的確定更是當(dāng)今技術(shù)難題中的一個(gè)熱點(diǎn)問題，實(shí)際工程中采用的取值一般是由室內(nèi)試驗(yàn)及工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)所得，具有一定不確定性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)粉細(xì)砂抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了大量的研究。扈萍等［12］采用柔性真三軸儀對(duì)上海粉細(xì)砂進(jìn)行了一系列不同中主應(yīng)力系數(shù)條件下的真三軸試驗(yàn)，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則的形狀函數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，并采用試驗(yàn)對(duì)改進(jìn)過后的函數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，最終表明三軸條件下的強(qiáng)度準(zhǔn)則更能反映粉細(xì)砂的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)。許成順等［13］利用土工靜力-動(dòng)力液壓-三軸扭轉(zhuǎn)多功能剪切儀，針對(duì)相對(duì)密度為30%的福建標(biāo)準(zhǔn)砂，在不排水條件下控制主應(yīng)力方向、中主應(yīng)力系數(shù)、平均主應(yīng)力保持不變，進(jìn)行了單調(diào)剪切試驗(yàn)。

如今，南寧市基坑工程開挖揭露了大量的粉細(xì)砂層，一般情況下，粉細(xì)砂抗剪強(qiáng)度主要是通過鉆探提取粉細(xì)砂芯樣，然后通過室內(nèi)試驗(yàn)獲取，方法比較單一，且使用過程發(fā)現(xiàn)，由于粉細(xì)砂黏粒含量較少，在提取巖芯及巖芯運(yùn)送的過程中易對(duì)其造成擾動(dòng)，從而導(dǎo)致其試驗(yàn)參數(shù)與真實(shí)值存在誤差。本文擬采用室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合原位測(cè)試的方法研究粉細(xì)砂的抗剪強(qiáng)度，并通過對(duì)比粉細(xì)砂室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果、原位測(cè)試結(jié)果及大量軌道交通勘查資料統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，總結(jié)南寧市粉細(xì)砂抗剪強(qiáng)度規(guī)律，為南寧市基坑支護(hù)地方規(guī)范的編制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對(duì)南寧市今后地鐵及其它基坑支護(hù)設(shè)計(jì)和建設(shè)起到很好的參考作用。

1 南寧市地質(zhì)背景研究

南寧市主要位于南寧盆地范圍內(nèi)，南寧盆地地勢(shì)自東北向西南傾斜，四面山丘環(huán)繞。城區(qū)范圍為地形相對(duì)比較平坦的邕江階地或河流堆積準(zhǔn)平原，地勢(shì)較開闊、平坦。根據(jù)潘順安［14］研究，南寧市內(nèi)發(fā)育有邕江五級(jí)階地，二元結(jié)構(gòu)保存完好，分布面積大。市區(qū)地層巖性較豐富，廣泛分布的有第四系沖積層（巖性為：淤泥、淤泥質(zhì)土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂、細(xì)砂、中砂、粗砂、礫砂、圓礫、卵石）；第四系殘積黏土、粉質(zhì)黏土；新近系泥巖、粉砂巖、煤層；古近系砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖。南寧市的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以地殼緩慢上升、河谷下切為特征，主要表現(xiàn)為：在古近系組成的向斜盆地邊緣及內(nèi)部的斷層，切割了老第三紀(jì)地層；第四紀(jì)沉積物的輕微彎曲及相伴產(chǎn)生的斷層；第四紀(jì)以來(lái)的地殼升降、河谷下切，形成邕江兩岸Ⅰ—Ⅳ級(jí)階地［15］。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖（1∶400萬(wàn)）》［16］，勘查區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，相當(dāng)于地震基本烈度為Ⅵ度區(qū)。南寧盆地內(nèi)的地下水，總體上分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖裂隙溶洞水4個(gè)大類。南寧市地貌單元分區(qū)圖見圖1。

圖1 南寧市地貌單元分區(qū)圖

2 南寧市粉細(xì)砂層力學(xué)性質(zhì)研究

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)

在南寧軌道交通11個(gè)站點(diǎn)共取原狀樣92組進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，采用飽和快速剪切和快速剪切的試驗(yàn)方法獲取粉細(xì)砂剪切強(qiáng)度指標(biāo)。圖2、圖3為粉細(xì)砂抗剪強(qiáng)度黏聚力和內(nèi)摩擦角室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的分布直方圖。表1為粉細(xì)砂剪切強(qiáng)度指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析表。

圖2 粉細(xì)砂黏聚力分布直方圖

圖3 粉細(xì)砂內(nèi)摩擦角分布直方圖

表1 粉細(xì)砂剪切強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由表1可見：南寧市粉細(xì)砂黏聚力最大值為14.2 kPa，最小值為0.0 kPa，平均值為4.5 kPa；內(nèi)摩擦角最大值為33.4°，最小值為12.1°，平均值為25.3°。

根據(jù)以往勘察資料，南寧市粉細(xì)砂中黏粒含量較少甚至不含黏粒，其黏聚力較小，與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

2.2 原位試驗(yàn)

在南寧軌道交通深基坑開挖過程中大面積揭露粉細(xì)砂層，有利于開展粉細(xì)砂層原位測(cè)試。選取粉細(xì)砂層發(fā)育較厚的西津站、西鄉(xiāng)塘客運(yùn)站及安吉綜合基地等3個(gè)軌道交通站點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)直接剪切試驗(yàn)。

為了獲取更加準(zhǔn)確的剪切強(qiáng)度指標(biāo)值及降低試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性，本文采用面積為0.5 m2（邊長(zhǎng)約70.7 cm，高35 cm）的剪力盒進(jìn)行試驗(yàn)，反力系統(tǒng)依靠深基坑支護(hù)連續(xù)墻、堆載或地錨通過千斤頂來(lái)提供，當(dāng)試驗(yàn)位置離連續(xù)墻較遠(yuǎn)時(shí)則采用堆載的方法提供水平及豎直方向的反力，而在連續(xù)墻附近進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，水平反力可以由連續(xù)墻提供，豎直方向則采用地錨來(lái)提供反力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)域大小及粉細(xì)砂分布情況，在西津站、西鄉(xiāng)塘客運(yùn)站和安吉綜合基地出入段線分別開展了2組、2組和5組現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 粉細(xì)砂層直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

從表2可見：粉細(xì)砂層黏聚力平均值為2.05 kPa，內(nèi)摩擦角的平均值為27.3°。從區(qū)域來(lái)看，西津站黏聚力介于0.07 kPa～0.58 kPa，內(nèi)摩擦角介于21.3°～23.2°，西鄉(xiāng)塘客運(yùn)站黏聚力為0 kPa，內(nèi)摩擦角介于22.2°～23.9°，安吉綜合基地出入段線站黏聚力介于0.97 kPa～7.07 kPa，內(nèi)摩擦角介于23.3°～26.1°，可見，安吉綜合基地出入段粉細(xì)砂相對(duì)密實(shí)，黏性顆粒較多，剪切強(qiáng)度指標(biāo)比其他2個(gè)站點(diǎn)稍大，室內(nèi)試驗(yàn)顆粒分析結(jié)果也驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)。

2.3 勘察資料統(tǒng)計(jì)分析

巖土體物理力學(xué)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值是工程建設(shè)人員結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)以及工程類比等基礎(chǔ)上得出的結(jié)果，具有較好的代表性。

搜集南寧市軌道交通1、2號(hào)線工程勘察資料70余份，根據(jù)巖土參數(shù)的分析和選定，在巖土工程勘察報(bào)告中一般情況下應(yīng)提供巖土參數(shù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、數(shù)據(jù)分布的范圍及數(shù)據(jù)的數(shù)量，對(duì)軌道交通基坑中各個(gè)巖土體參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 南寧市粉細(xì)砂力學(xué)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表3中統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見：直接快剪試驗(yàn)參與統(tǒng)計(jì)的樣本個(gè)數(shù)達(dá)到了56個(gè)，其黏聚力均為0 kPa，內(nèi)摩擦角介于16°～30°，平均值為24.4°；固結(jié)快剪參與統(tǒng)計(jì)的樣本個(gè)數(shù)為13個(gè)，黏聚力均為0 kPa，而內(nèi)摩擦角介于29°～30°，平均值為29.5°。由于在固結(jié)的過程中空隙水壓力消散，有效應(yīng)力提高，所以固結(jié)快剪試驗(yàn)得出的內(nèi)摩擦角比直接快剪的稍大。

2.4 與地方標(biāo)準(zhǔn)等資料的對(duì)比分析

對(duì)廣西附近廣東省、湖北省的地方標(biāo)準(zhǔn)及工程地質(zhì)手冊(cè)等資料進(jìn)行了查閱比較，表4為收集整理的相關(guān)指標(biāo)一覽表。

表4 現(xiàn)行有效規(guī)范中粉細(xì)砂強(qiáng)度參數(shù)表

從表4可見：不同地區(qū)粉細(xì)砂強(qiáng)度參數(shù)差別較大，湖北省基坑支護(hù)規(guī)范中粉細(xì)砂的強(qiáng)度指標(biāo)是與標(biāo)貫擊數(shù)密切相關(guān)的，其粉細(xì)砂內(nèi)摩擦角取值比南寧市原位試驗(yàn)值稍大；廣東省基坑支護(hù)規(guī)范中給出細(xì)砂內(nèi)摩擦角介于25°～32°，較南寧市粉細(xì)砂原位試驗(yàn)值偏大；工程巖土學(xué)中將其細(xì)分為細(xì)砂、粉砂、極細(xì)砂土，其內(nèi)摩擦角介于26°～36°，內(nèi)摩擦角較原位試驗(yàn)值偏大；水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)中根據(jù)標(biāo)貫擊數(shù)及孔隙比給出了細(xì)砂、極細(xì)砂的內(nèi)摩擦角經(jīng)驗(yàn)值，其值與南寧市粉細(xì)砂原位試驗(yàn)值基本一致。

綜合對(duì)比表1～表4可見：室內(nèi)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與軌道交通勘察報(bào)告中經(jīng)驗(yàn)值的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果比較接近，其中室內(nèi)試驗(yàn)內(nèi)摩擦角φ的平均值與勘察報(bào)告中經(jīng)驗(yàn)值的平均值相差0.9°，室內(nèi)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的粉細(xì)砂黏聚力存在一定的離散性，變異系數(shù)達(dá)到了0.71，分析認(rèn)為粉細(xì)砂含泥量差異較大是造成結(jié)果離散性比較大的主要原因；原位試驗(yàn)獲得的粉細(xì)砂層的黏聚力c及內(nèi)摩擦角φ取值小于室內(nèi)試驗(yàn)、勘察報(bào)告資料及相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)中的取值。

3 結(jié) 論

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)、軌道交通基坑勘察資料及相關(guān)地標(biāo)和參考資料中粉細(xì)砂經(jīng)驗(yàn)值的對(duì)比分析，對(duì)南寧市粉細(xì)砂層的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：

（1）通過對(duì)92組粉細(xì)砂室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析獲得粉細(xì)砂的黏聚力平均值為4.5 kPa，內(nèi)摩擦角平均值為25.3°，現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)獲得粉細(xì)砂黏聚力介于0～7.07 kPa，內(nèi)摩擦角介于21.3°～26.1°。

（2）南寧軌道交通勘察報(bào)告顯示：粉細(xì)砂直接剪切試驗(yàn)所得黏聚力平均值為0 kPa，內(nèi)摩擦角平均值為24.4°，固結(jié)快剪所得黏聚力平均值為0 kPa，內(nèi)摩擦角平均值為29.5°。

（3）與室內(nèi)試驗(yàn)、軌道交通勘查資料及相關(guān)地標(biāo)和參考資料比較，原位試驗(yàn)獲得的粉細(xì)砂剪切強(qiáng)度指標(biāo)偏小。

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Parameters Determination for Shear Strength of Fine Sand from Nanning

TAN Haihui1，YANG Lian2，MI Decai1，YANG Liming1，WU Longke1
（1.Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi 530011，China；2.Nanning Urban and Rural Construction Commission，Nanning，Guangxi 530028，China）

The fine sand is widely distributed in Nanning.As the foundational construction in our country has enhanced，it is very important and urgent to determinate the values of shear strength of fine sand.The shear strength of fine sand by comparing the test results of 92 sets of undisturbed sample was tested in laboratory，in situ test results of 3 rail transit station，and investigation data of rail transit station of Nanning.The results show that the shear strength of fine sand of Nanning is lower than experience value of other places，and consistent with the currently effective standard.

fine sand；shear strength；cohesion；internal friction angle；parameters

TU411

A

1672—1144（2016）05—0140—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.027

2016－07－01

2016－08－25

譚海暉（1968—），男，廣西合浦人，高級(jí)工程師，主要從事公路橋梁、道路的勘察設(shè)計(jì)及維修加固工作。E－mail：303471354@qq.com