十字板剪切試驗(yàn)在軟土工程勘察中的應(yīng)用探討
——以廣州南沙2019NJY-15號(hào)地塊項(xiàng)目為例

喬高乾，安 寧

（廣東有色工程勘察設(shè)計(jì)院，廣東廣州510080）

通過(guò)對(duì)廣州南沙2019NJY-15 號(hào)地塊項(xiàng)目初步勘察所揭示的地層可知，該地塊有厚層軟土分布，它的主要特點(diǎn)是含水量高、孔隙比大、飽和度高、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、承載力低。如果處理不當(dāng)極易造成基坑坍塌、沉降過(guò)大、邊坡失穩(wěn)等工程事故，所以在開(kāi)展下一步工程勘察中需要重點(diǎn)查明軟土的物理力學(xué)參數(shù)。由于該類(lèi)土靈敏度高，極易被擾動(dòng)，所以如何選取正確的測(cè)試手段才能夠準(zhǔn)確測(cè)定該地層的物理力學(xué)參數(shù)便顯得尤為重要。一般情況下，以鉆探取樣與原位測(cè)試相結(jié)合是大家較為公認(rèn)的看法。比如，靜力觸探最大的優(yōu)點(diǎn)在于精確地分層，用旁壓試驗(yàn)測(cè)定軟土的模量和強(qiáng)度較為合理，用十字板剪切試驗(yàn)測(cè)定內(nèi)摩擦角近似為零的軟土強(qiáng)度被證明是行之有效的。廣州南沙2019NJY-15 號(hào)地塊項(xiàng)目通過(guò)勘探與室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到該場(chǎng)地的軟土主要為淤泥，內(nèi)摩擦較小。所以原位測(cè)試的方法選取為十字板剪切試驗(yàn)，該試驗(yàn)所測(cè)得的抗剪強(qiáng)度值，相當(dāng)于試驗(yàn)深度處天然土層在原位壓力下固結(jié)的不排水抗剪強(qiáng)度，由于十字板剪切試驗(yàn)不需要采取土樣，避免了土樣擾動(dòng)及天然應(yīng)力狀態(tài)的改變，是一種有效的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法。

1 十字板剪切試驗(yàn)

1.1 基本假定

①軟土層為各項(xiàng)均勻性土體且內(nèi)摩擦角φ=0；②剪切破壞時(shí)，其高度為十字板高度，直徑為十字板頭直徑。

式中：Cu——十字板抗剪強(qiáng)度；

D——十字板頭直徑，如圖1所示；

H——十字板頭高度，如圖1所示。

由于十字板頭和軸桿之間有貼電阻應(yīng)變片的扭力柱連接，扭力柱測(cè)定的只是作用在十字板頭上的扭力。因此，在計(jì)算土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，不必進(jìn)行軸桿與土體間的摩擦力和儀器機(jī)械摩阻力修正[1]。本次項(xiàng)目采用電測(cè)十字板儀；選用十字板寬度50mm，高度100mm。詳見(jiàn)表1。

圖1 十字板剪切簡(jiǎn)圖

1.2 基本技術(shù)要求[2]

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）（2009年版），十字板試驗(yàn)應(yīng)滿(mǎn)足以下主要技術(shù)要求：

（1）十字板插入深度不應(yīng)小于鉆孔或套管直徑的3～5倍；孔間距大于0.75～1m。

（2）十字板插入土后應(yīng)停留2～3min，太短或太長(zhǎng)會(huì)使強(qiáng)度減小或增大。

（3）剪切速度一般為1°～2°/10s，過(guò)快（粘滯性）過(guò)慢（固結(jié)）會(huì)使強(qiáng)度增加。一般3～10min會(huì)出現(xiàn)峰值后應(yīng)繼續(xù)剪切1min。

（4）測(cè)出峰值后應(yīng)快速轉(zhuǎn)動(dòng)6 周，測(cè)重塑土的不排水抗剪強(qiáng)度。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程及地質(zhì)概況

廣州南沙2019NJY-15 號(hào)地塊項(xiàng)目位于廣州市南沙新區(qū)明珠灣起步區(qū)橫瀝島尖，地處廣州市南沙區(qū)鳳凰大道西側(cè)、下橫瀝水道北側(cè)。項(xiàng)目總用地342754m2，擬建場(chǎng)地在大地構(gòu)造上位于華南褶皺系（一級(jí)構(gòu)造單元），粵北、粵東北—粵中坳陷帶（二級(jí)構(gòu)造單元），粵中坳陷（三級(jí)構(gòu)造單元）南部，東莞斷陷盆地（四級(jí)構(gòu)造單元）。盆地南緣殘丘地帶見(jiàn)上白堊統(tǒng)巖層超覆不整合在下古生界變質(zhì)巖或燕山期花崗巖上。下古生界變質(zhì)巖和燕山期花崗巖組成盆地的復(fù)合型基底，其上沉積了深厚的白堊—第三系地層[5]。地質(zhì)構(gòu)造情況詳見(jiàn)圖2，項(xiàng)目平面位置見(jiàn)圖3。

表1 十字板的主要規(guī)格

根據(jù)鉆孔揭露資料，場(chǎng)地巖土層按成因類(lèi)型自上而下劃分為：①第四系人工填土層（Q4ml）：本層主要為<1-1>素填土；②海相沉積層(Q4mc)：本層主要為淤泥層<2-1>、淤泥質(zhì)土層<2-2>、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層<2-3>、淤泥質(zhì)中粗砂層<2-4>、粉質(zhì)粘土層<2-5>；③沖洪積層(Q3+4al+pl)：本層主要為粉細(xì)砂<3-1>、中粗砂<3-2>和礫砂層<3-3>；④殘積層(Qel)：本層主要為砂質(zhì)粘性土土層<4>；⑤三疊紀(jì)花崗巖（T3ηγ）風(fēng)化帶：本層按風(fēng)化程度分為全風(fēng)化帶<5-1>、強(qiáng)風(fēng)化帶<5-2>、中風(fēng)化帶<5-3>及微風(fēng)化帶<5-4>。

其中本項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)兩層地下室，地下室基礎(chǔ)埋深約10m。根據(jù)鉆孔資料綜合分析：基坑四周主要地層為：<1>層素填土、<2-1>層淤泥、<2-2>層淤泥質(zhì)土、<2-3>層淤泥質(zhì)粉細(xì)砂；基坑底部主要為<2-3>層淤泥質(zhì)粉細(xì)砂。

基坑廣泛分布軟土層，其厚度較厚且分布不均，呈流塑狀，部分軟塑狀，其具有含水量高、孔隙比、壓縮性高、固結(jié)度差、靈敏度高、擾動(dòng)性大、抗震性能低等特點(diǎn)。

圖3 工程各地塊平面圖

2.2 軟土試驗(yàn)的方法選擇

本次勘察過(guò)程中對(duì)于軟土采用了土工室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試相結(jié)合的方法，其中土工室內(nèi)試驗(yàn)包括直接快剪試驗(yàn)、固結(jié)快剪試驗(yàn)、不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)（UU）和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試主要為十字板剪切試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)。

2.2.1 室內(nèi)試驗(yàn)分析

針對(duì)本次揭示軟土的物理特征，同時(shí)為了和原位測(cè)試進(jìn)行比對(duì)分析，決定確定粘聚力指標(biāo)(c)時(shí)，室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)試選用直剪快剪試驗(yàn)、固結(jié)快剪試驗(yàn)、不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)（UU）和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

（1）直剪快剪試驗(yàn)和固結(jié)快剪試驗(yàn)。直剪快剪試驗(yàn)是在試樣的原始狀態(tài)下進(jìn)行水平剪切；而固結(jié)快剪試驗(yàn)則是試樣在垂直壓力下排水固結(jié)穩(wěn)定后，迅速施加水平剪力。兩種實(shí)驗(yàn)過(guò)程以保持土樣的含水量在剪切前后基本不變，得到土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ為有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)。但兩者所適用的工況不同，前者適用范圍為土體的加荷速率快，排水條件差；后者適用范圍為加荷具有一定的時(shí)間段留給土體進(jìn)行固結(jié)排水。這兩種試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單方便，土體擾動(dòng)??；缺點(diǎn)則是剪切面無(wú)法確定為最弱面，會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏大。

（2）不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)（UU）。三軸壓縮試驗(yàn)是根據(jù)摩爾—庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則測(cè)定土的強(qiáng)度參數(shù)：粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ。不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU）適用的條件是土體受力而孔隙壓力不消散的情況。其破壞是試驗(yàn)的最弱面，得到的是總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度參數(shù)。適用范圍是施工速度快，土體滲透系數(shù)較低，而排水條件差。

（3）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是三軸剪切試驗(yàn)的特例，對(duì)試樣不施加周?chē)鷫毫?，即?=0，只施加軸向壓力直至發(fā)生破壞，試樣在無(wú)側(cè)限壓力條件下，剪切破壞時(shí)試樣承受的最大軸向壓力qu，稱(chēng)為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

本次進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)取樣時(shí)，主要是使用薄壁固定活塞取土器，采用連續(xù)快速靜壓法取土，原狀土試樣按Ⅰ-Ⅱ級(jí)要求進(jìn)行采取，取樣管直徑101.6mm。

其中軟土的室內(nèi)土工試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試

本次對(duì)初詳勘地塊內(nèi)的軟土進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)孔14個(gè)，試驗(yàn)點(diǎn)沿深度間距為2m，得到各試驗(yàn)點(diǎn)軟土的不排水抗剪峰值強(qiáng)度、重塑土強(qiáng)度和靈敏度，其中典型十字板剪切曲線(xiàn)抗剪強(qiáng)度與深度關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示。通過(guò)對(duì)該場(chǎng)地淤泥層的50個(gè)樣品進(jìn)行十字板抗剪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)得出：最大值為30.7kPa，最小值為6.10kPa，平均值為13.88kPa，標(biāo)準(zhǔn)差為4.91，變異系數(shù)為0.278，標(biāo)準(zhǔn)值為10.35kPa。

2.3 成果分析、方法間的相互比對(duì)及驗(yàn)證

（1）直剪快剪與固結(jié)快剪實(shí)驗(yàn)參數(shù)間關(guān)系。由于土體進(jìn)行固結(jié)排水之后其結(jié)構(gòu)得到了加強(qiáng)，土體中的孔隙水壓力減小，所以從理論上分析原狀試樣直剪快剪試驗(yàn)的粘聚力和內(nèi)摩擦角應(yīng)小于固結(jié)快剪試驗(yàn)，慢剪>固結(jié)快剪>快剪[3]，通過(guò)表2試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示與理論結(jié)果相符。

（2）三軸UU與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度參數(shù)間關(guān)系。根據(jù)摩爾—庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則的理論公式的關(guān)系推算，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果只能做出一個(gè)極限應(yīng)力圓（σ3=0，σ1=qu），對(duì)于飽和軟土，根據(jù)三軸UU試驗(yàn)成果，其強(qiáng)度包線(xiàn)近似于一水平線(xiàn)，即φu=0，因此無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)適用于測(cè)定飽和軟粘土的不排水強(qiáng)度。其理論公式為根據(jù)表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示本次三軸UU試驗(yàn)所得的粘聚力Cuu=7.0kPa，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所得的qu=14.8kPa，兩者結(jié)果與理論基本吻合。

（3）三軸UU與十字板剪切試驗(yàn)參數(shù)間關(guān)系。與室內(nèi)試驗(yàn)相比，十字板是在試樣受到自重作用的情況下進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)時(shí)對(duì)土體的結(jié)構(gòu)不擾動(dòng)，其結(jié)果更接近施工工況。根據(jù)規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)及本次實(shí)驗(yàn)資料表明，三軸UU的粘聚力約為原位十字板剪切試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度的0.7 倍[4]。本次測(cè)試土樣三軸UU的粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值為Cuu=7.0kPa，現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試十字板試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值為Cu=10.35kPa，近似存在0.7倍的關(guān)系。

通過(guò)對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和原位測(cè)試結(jié)果分析，根據(jù)工況不同選擇相應(yīng)的試驗(yàn)方法所得到的強(qiáng)度參數(shù)各不一樣，但是它們具有一定的相關(guān)性。本試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合理論分析也得到了較好的驗(yàn)證，充分說(shuō)明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。

3 結(jié)論及建議

（1）通過(guò)對(duì)軟土的三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU）及無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，其UU測(cè)的粘聚力約等于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（qu）的二分之一，即根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合原位測(cè)試結(jié)果分析得出三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU）所測(cè)的粘聚力約為十字板剪切試驗(yàn)的0.7倍，即UU≈0.7τ。

圖4 典型測(cè)點(diǎn)抗剪強(qiáng)度與深度關(guān)系圖

（2）由于軟土的靈敏度數(shù)值普遍較大，說(shuō)明其結(jié)構(gòu)性比較強(qiáng)，擾動(dòng)之后其力學(xué)指標(biāo)將會(huì)有較大的降低，所以室內(nèi)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得出的c、φ值偏低。

（3）通過(guò)多種原位測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得出，其十字板剪切試驗(yàn)獲取的軟土強(qiáng)度參數(shù)與實(shí)際工程中的力學(xué)參數(shù)最為接近，建議在軟土勘察中首選十字板剪切試驗(yàn)來(lái)確定該地層的力學(xué)參數(shù)是較為合理的。