珠三角軟土原位測(cè)試的工程實(shí)踐及成果應(yīng)用效果分析

陳富強(qiáng)，楊光華，，孫樹(shù)楷，官大庶，朱思軍

（1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心，廣州 510635；3.廣東省山洪災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急技術(shù)研究中心，廣州 510635；4.華南理工大學(xué)土木工程系，廣州 510641；5.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州510925；6.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221116）

1 研究背景

原位測(cè)試是在巖土體所處的位置，基本保持巖土原來(lái)的結(jié)構(gòu)、濕度和應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)巖土體進(jìn)行的測(cè)試，與室內(nèi)試驗(yàn)相比，可避免采取巖土樣的運(yùn)輸過(guò)程擾動(dòng)、含水量損失等產(chǎn)生的影響，所以原位測(cè)試更能反映巖土體的實(shí)際狀態(tài)。

原位測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用與研究一直受到業(yè)界的重視，如早期工程師們就采用載荷試驗(yàn)來(lái)確定地基的承載力，該方法已較成熟，如各勘察規(guī)范和地基設(shè)計(jì)和檢測(cè)規(guī)范中均有介紹。賴瓊?cè)A［1］通過(guò)載荷試驗(yàn)確定巖土體的變形模量，建立標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)與變形模量的關(guān)系等。近年來(lái)，原位測(cè)試的研究成果也較多，如劉松玉等［2-4］在靜力觸探試驗(yàn)和孔壓靜力觸探（CPTU）測(cè)試方面做了大量研究，如將CPTU用于確定土的先期固結(jié)壓力、土的分類、砂土液化判別等。閆澍旺等［5］將十字板剪切試驗(yàn)用于推算軟黏土抗剪強(qiáng)度，此后該方法被編入《港口工程地基規(guī)范》（JTS 147-1—2010）。楊光華等［6-7］利用原位旁壓試驗(yàn)獲取切線模量法計(jì)算參數(shù)和地基承載力等。隨著科技發(fā)展和機(jī)械、儀器設(shè)備更新?lián)Q代，原位測(cè)試已成為勘察和檢測(cè)的重要輔助或者主導(dǎo)方法［8-9］，可以預(yù)見(jiàn)，原位測(cè)試的應(yīng)用前景必將越來(lái)越廣泛。雖然原位測(cè)試的手段是越來(lái)越先進(jìn)和自動(dòng)化了，但是對(duì)其測(cè)試機(jī)理的研究還很少，另外，由于原位測(cè)試往往并不能直接獲得巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)和變形參數(shù)，在一定程度上阻礙了原位測(cè)試的發(fā)展，所以對(duì)原位測(cè)試結(jié)果的應(yīng)用也還有待進(jìn)一步的研究和推廣。

本文以十字板剪切試驗(yàn)在珠三角軟土工程的工程實(shí)踐案例為背景，利用十字板剪切強(qiáng)度試驗(yàn)推算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的方法應(yīng)用于廣東軟土地基，并通過(guò)對(duì)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)整理及工程應(yīng)用效果進(jìn)行分析研究。將該方法得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與常規(guī)室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，以期解決若用常規(guī)室內(nèi)試驗(yàn)無(wú)法處理的工程問(wèn)題，為類似工程提供借鑒，并在珠三角軟土地區(qū)示范性推廣十字板剪切試驗(yàn)。驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)，測(cè)試設(shè)備均采用進(jìn)口設(shè)備。其中，靜力觸探采用瑞典GEOTECH公司NOVA型靜力觸探儀，十字板剪切試驗(yàn)采用瑞典GEOTECH公司VANE型電測(cè)十字板剪切儀，如圖1所示。并且將靜力觸探和十字板剪切的裝置進(jìn)行了改造，將其與履帶式車組合在一起，如圖2所示，這樣可以機(jī)械液壓式下錨和拔錨，方便拆運(yùn)，靜力觸探貫入和十字板剪切過(guò)程機(jī)械自動(dòng)化，避免了人為操作的不均勻性和不規(guī)范性。采用靜力觸探主要是為了查明土層的分布情況，因?yàn)殪o力觸探可以連續(xù)反映土層沿深度方向的變化情況，所以易于地把十字板剪切試驗(yàn)過(guò)程中可能異常的數(shù)據(jù)剔除（如剔除淤泥中夾砂層的試驗(yàn)數(shù)據(jù)）。

2 原位測(cè)試試驗(yàn)設(shè)備

在同一試驗(yàn)區(qū)域，原位測(cè)試采用了靜力觸探試

圖1 瑞典GEOTECH公司VANE型電測(cè)十字板剪切儀Fig．1 VANE cross plate shear apparatus by Swedish GEOTECH company

圖2 履帶式液壓靜探車Fig．2 Crawler hydraulic static probe vehicle

瑞典GEOTECH公司VANE型電測(cè)十字板剪切儀主要由以下幾部分組成：

（1）十字板板頭選用十字板頭寬度75 mm，高度150 mm，頂端錐形。

（2）貫入裝置采用臺(tái)州市建元工程勘察儀器有限公司制造的TLSY-20型履帶式液壓靜探車提供貫入力和起拔力。其額定貫入力為200 kN，額定起拔力為230 kN。

（3）探桿采用長(zhǎng)1 m的Ф22 mm高強(qiáng)度鋼管，共50根。

（4）主機(jī)提供剪切力，并記錄數(shù)據(jù)，量程為100 N·m。

3 在珠海軟土填方邊坡中的應(yīng)用及效果分析

該填方邊坡為廣東珠海某改線新建的排洪渠岸墻邊坡，原設(shè)計(jì)斷面如圖3所示。2011年施工過(guò)程中，擋土墻后回填土到標(biāo)高1.5～1.8 m時(shí)，排洪渠左岸和右岸的部分擋土墻先后出現(xiàn)了滑移變形，排洪渠內(nèi)局部出現(xiàn)了隆起。根據(jù)施工圖，擋土墻后填土還需要繼續(xù)回填至標(biāo)高3.8 m。后來(lái)采用了廣東省水利水電科學(xué)研究院的建議方案，即渠內(nèi)拋石反壓和墻后插塑料排水帶加固，該項(xiàng)目得以成功實(shí)施和完工，節(jié)省了大量資金，取得了非常好的效果［10］。

現(xiàn)在的問(wèn)題是由于渠內(nèi)反壓了拋石，可能會(huì)影響排洪渠的行洪能力，所以業(yè)主方還是想拆除渠內(nèi)的反壓拋石，但是拆除后，排洪渠的擋墻是否安全需要通過(guò)擋墻的穩(wěn)定性計(jì)算。計(jì)算擋墻穩(wěn)定性時(shí)，淤泥的抗剪強(qiáng)度參數(shù)是關(guān)鍵。為此，先后進(jìn)行了3次鉆探取樣測(cè)試淤泥的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 各年勘察鉆探取樣淤泥層的室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of laboratory test results of drilled samples of silty soil

表1中2010年10月為初設(shè)時(shí)間，從表1可知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，淤泥的強(qiáng)度指標(biāo)總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。根據(jù)2015年9月的勘察資料，淤泥質(zhì)土和淤泥的強(qiáng)度參數(shù)均取自勘察報(bào)告建議值，重新復(fù)核了拆除全部反壓的拋石后擋墻的整體穩(wěn)定性，其安全系數(shù)為0.928，是不穩(wěn)定的，故尚不能全部拆除拋石。由于采用室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的指標(biāo)，驗(yàn)算后尚不能全部拆除拋石。

但是從固結(jié)理論推算淤泥的指標(biāo)，初步分析已可拆除拋石。為了驗(yàn)證這個(gè)結(jié)果的可靠性，為此，2016年7月廣東省水利水電科學(xué)研究院建議業(yè)主采用原位十字板剪切試驗(yàn)重新測(cè)試淤泥的參數(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)共布置了6個(gè)（試驗(yàn)孔編號(hào)FVST1—FVST6）十字板剪切試驗(yàn)孔，各試驗(yàn)點(diǎn)土的不排水抗剪峰值強(qiáng)度見(jiàn)表2。

圖3 擋墻設(shè)計(jì)斷面Fig．3 Design section of retaining wall

然后將6個(gè)孔的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按《港口工程地基規(guī)》（JTS 147-1—2010）中附錄J的方法推算了淤泥的強(qiáng)度參數(shù)，具體計(jì)算方法為：根據(jù)測(cè)得的每個(gè)測(cè)點(diǎn)抗剪峰值強(qiáng)度ˉY和深度ˉX，可以通過(guò)線性回歸公式（1）獲得回歸參數(shù)a和b，然后利用式（2）和式（3）即可求出內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c。

式中：D為十字板的直徑，取75 mm；H為十字板的高度，取 150 mm；K0為土層的側(cè)壓力系數(shù)，K0＝0.62；Ut為淤泥的固結(jié)度，取0.9（真空預(yù)壓完成）；γ′為土的有效重度。

該方法相比室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)，避免了對(duì)土體的擾動(dòng)，但也存在以下誤差：

（1）該方法測(cè)定的結(jié)果為土的不排水抗剪強(qiáng)度，但實(shí)際測(cè)試中，已有部分排水，所測(cè)的cu值偏大。

（2）該方法采用統(tǒng)計(jì)回歸的方法推算出土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，存在一定的數(shù)值誤差。

試驗(yàn)孔FVST5試驗(yàn)曲線及擬合結(jié)果如圖4所示，其余點(diǎn)位同理可得，結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖4 試驗(yàn)孔FVST5十字板剪切強(qiáng)度與試驗(yàn)深度的關(guān)系Fig．4 Relationship between shear strength obtained from vane shear test and test depth of test hole FVST5

表3 根據(jù)十字板剪切試驗(yàn)成果推算淤泥的強(qiáng)度參數(shù)結(jié)果Table 3 Strength parameters of silt calculated based on vane shear test results

用推算的淤泥的黏聚力最小值c＝12.7 kPa，內(nèi)摩擦角φ＝5.5°驗(yàn)算拆除拋石后擋墻穩(wěn)定性可滿足要求，目前業(yè)主方正準(zhǔn)備拆除拋石。

4 在廣州南沙某基坑工程中的應(yīng)用及效果分析

廣州市南沙區(qū)某工程規(guī)劃建設(shè)用地面積243 492.90 m2，地下室242 708 m2，分成了 7個(gè)地塊：西一地塊、東三東五地塊，東四東六地塊、西二地塊、西三地塊、西四東一地塊和東二地塊，如圖5所示。

圖5 工程各地塊平面Fig．5 Project plans around the block

該場(chǎng)地土層分布由上而下依次為：人工填土層、淤泥、淤泥質(zhì)土、細(xì)砂、礫砂和巖層。從真空預(yù)壓前后地勘報(bào)告中室內(nèi)土工試驗(yàn)提供的淤泥的直剪指標(biāo)看，其抗剪強(qiáng)度值提高不多，如表4所示。

表4 地勘報(bào)告給出的真空預(yù)壓處理前、后淤泥的直剪指標(biāo)Table 4 Direct shear indicators of silt given by geological prospecting report（before and after vacuum preloading）

根據(jù)地勘報(bào)告提供的各土層抗剪強(qiáng)度參數(shù)建議值，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)造價(jià)比較高。業(yè)主方為了減少基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的造價(jià)，根據(jù)廣東省水利水電科學(xué)研究院的建議，增加了原位測(cè)試來(lái)推算淤泥的強(qiáng)度指標(biāo)，并將結(jié)果用于基坑支護(hù)設(shè)計(jì)使用，從而優(yōu)化了基坑支護(hù)方案，可節(jié)省大量的投資。

對(duì)場(chǎng)地內(nèi)的淤泥、淤泥質(zhì)土進(jìn)行靜力觸探試驗(yàn)，試驗(yàn)孔共15個(gè)，穿透淤泥層，孔深平均約30 m，得到側(cè)阻和端阻及摩阻比隨深度變化曲線，靜力觸探試驗(yàn)的另一個(gè)主要目的是驗(yàn)證十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)進(jìn)行了十字板剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)孔15個(gè)，試驗(yàn)點(diǎn)沿深度間距為1 m，得到各試驗(yàn)點(diǎn)淤泥的不排水抗剪峰值強(qiáng)度，重塑土強(qiáng)度和靈敏度，并繪制單孔十字板剪切試驗(yàn)淤泥的不排水抗剪峰值強(qiáng)度隨深度的變化曲線，西二地塊、西三地塊、西四東一地塊各試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如表5—表7所示。

表5 西二地塊各試驗(yàn)點(diǎn)土的不排水抗剪峰值強(qiáng)度Table 5 Undrained peak shear strength at various test points in west second block

表6 西三地塊各試驗(yàn)點(diǎn)土的不排水抗剪峰值強(qiáng)度Table 6 Undrained peak shear strength at various test points in west third block

表7 西四東一地塊各試驗(yàn)點(diǎn)土的不排水抗剪峰值強(qiáng)度Table 7 Undrained peak shear strength at various test points in west fourth and east first block

將15個(gè)孔的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按《港口工程地基規(guī)范》（JTS 147-1—2010）的附錄J方法推算了淤泥的強(qiáng)度參數(shù)，F(xiàn)VST9試驗(yàn)曲線及擬合結(jié)果如圖6所示，其余點(diǎn)位同理可得，結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖6 FVST9十字板剪切強(qiáng)度與試驗(yàn)深度的關(guān)系Fig．6 Relationship between shear strength obtained from vane shear test and test depth in FVST9

根據(jù)表8中十字板剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)推算淤泥的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，西二地塊淤泥抗剪強(qiáng)度指標(biāo)最小值c＝13.23 kPa，φ＝5.72°；西三地塊淤泥抗剪強(qiáng)度指標(biāo)最小值 c＝15.84 kPa，φ＝5.68°；西四東一地塊淤泥抗剪強(qiáng)度指標(biāo)最小值 c＝15.78 kPa，φ＝7.07°。可見(jiàn)，經(jīng)原位測(cè)試推算確定的淤泥的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值均比室內(nèi)試驗(yàn)獲得的大，所以采用原位測(cè)試更能反映淤泥的實(shí)際狀態(tài)。文獻(xiàn)［11］的結(jié)果表明，不同方法推算的淤泥的內(nèi)摩擦角相差不大，比較穩(wěn)定，但是推算的淤泥的黏聚力c值比較大，如果直接用于基坑設(shè)計(jì)可能偏于不安全，故為了安全起見(jiàn)，黏聚力c值還是采用地勘報(bào)告中的建議值。

表8 根據(jù)十字板成果推算的淤泥抗剪強(qiáng)度參數(shù)Table 8 Shear strength parameters of silt calculated based on vane shear test results

主動(dòng)土壓力系數(shù)ka和土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m均與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有關(guān)，即：

式中vb為擋土構(gòu)件在坑底處的水平位移量（mm）。

淤泥的強(qiáng)度指標(biāo)變化對(duì)主動(dòng)土壓力系數(shù)ka的影響和淤泥的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m的影響，如表9所示。

表9 淤泥的強(qiáng)度指標(biāo)變化對(duì)k a和m的影響Table 9 Impact of changes in the strength indexes of silt on k a and m

可見(jiàn)，淤泥的強(qiáng)度指標(biāo)變化對(duì)主動(dòng)土壓力系數(shù)ka的影響和淤泥的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m的影響還比較大，然后利用原位測(cè)試推算的淤泥的強(qiáng)度參數(shù)設(shè)計(jì)基坑支護(hù)，可以降低造價(jià)，初步估算，基坑支護(hù)每延米造價(jià)節(jié)省超過(guò)12%［12］，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。該項(xiàng)目所有地塊的基坑已于2017年全部完成，從基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，支護(hù)方案安全可靠，說(shuō)明了通過(guò)原位測(cè)試的數(shù)據(jù)推算淤泥的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，并用于基坑設(shè)計(jì)的做法是成功的，是值得推廣應(yīng)用的。

5 結(jié) 論

（1）原位測(cè)試更能反映淤泥的實(shí)際狀態(tài)，用原位測(cè)試十字板剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)推算的軟土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)大于室內(nèi)土工試驗(yàn)得到的參數(shù)。

（2）目前規(guī)范中用十字板剪切推算的軟土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)的方法，推算出內(nèi)摩擦角相對(duì)穩(wěn)定和可靠，但是黏聚力偏大，說(shuō)明該方法還不完善，建議黏聚力應(yīng)折減使用。

（3）建議對(duì)利用原位測(cè)試數(shù)據(jù)推算軟土的抗剪強(qiáng)度的方法進(jìn)一步研究和驗(yàn)證，以擴(kuò)大原位測(cè)試應(yīng)用范圍。