基于孔壓靜力觸探（CPTU）及扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)（DMT）南沙軟土力學(xué)特性研究

郭全元，鐘仕興，肖 旺

（廣東省鐵路規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510600）

0 引言

近年來，在粵港澳大灣區(qū)戰(zhàn)略發(fā)展背景下，大灣區(qū)珠江三角洲軟土地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷推進(jìn)，沿海地區(qū)軟土分布廣泛，軟土厚度較大。軟土具有天然孔隙比大、天然含水率大于液限、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高、低透水性和高流變性等特點(diǎn)［1-2］。

廣州南沙區(qū)位于珠江河口與伶仃洋的交匯處，為珠江三角洲沖積平原的前沿地帶，在長期的河流和海潮的綜合作用下，該地區(qū)沉積了深厚的海陸交互相軟黏土夾粉細(xì)砂層，軟土區(qū)域的地基承載力低、沉降變形較大，厚度通常為20～40 m，在中等荷載下的地基沉降可達(dá)2.0～5.0 m，存在明顯的差異沉降，其不良的地質(zhì)特性在珠江三角洲地區(qū)十分突出，一直是工程建設(shè)地基處理、基坑支護(hù)參數(shù)取值的難題之一。為確保工程質(zhì)量以及積累沿海軟土地區(qū)施工技術(shù)，為此對南沙區(qū)軟土的分布特征及工程特性展開研究，選擇合理可靠的參數(shù)對指導(dǎo)地基處理、基坑支護(hù)具有重要意義［3-4］。

目前地基處理、基坑工程設(shè)計(jì)所需的巖土設(shè)計(jì)參數(shù)主要依靠土工試驗(yàn)獲得，而土工試驗(yàn)主要分為室內(nèi)土工試驗(yàn)和原位測試試驗(yàn)兩大類，而室內(nèi)試驗(yàn)所采用試驗(yàn)擾動(dòng)較大，所得參數(shù)與實(shí)際場地土體基本參數(shù)存在差異，原位測試技術(shù)是在場地原位對土體性能進(jìn)行測試的一種技術(shù)，它無需取樣，簡便快捷，可以在微擾動(dòng)條件下準(zhǔn)確獲得原位土體物理、力學(xué)性質(zhì)，能得到土性隨深度近似連續(xù)變化的曲線，可以在場地中精確反應(yīng)土體的水平和豎向的變異性，對海底沉積物，深層土、砂土、淤泥等難以獲得無法擾動(dòng)試樣的土層，原位測試無需取樣，可以準(zhǔn)確地獲得土體特性信息。

1 廣州南沙軟土的物理力學(xué)性質(zhì)

在勘察階段對南沙地區(qū)多個(gè)樣本淤泥和淤泥質(zhì)軟土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，得出南沙軟土物理力學(xué)性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果、南沙軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。其中1～10 m 深度范圍為淤泥層；10～20 m深度范圍為淤泥質(zhì)土層。南沙地區(qū)軟土具有以下典型工程特性：

⑴天然含水量高、天然孔隙比大。南沙地區(qū)軟土的含水量接近或超過液限，飽和度一般大于90%，液限在35%～60%之間，液性指數(shù)大于1.0，均屬于高含水量軟土。淤泥的孔隙比一般大于1.2。

⑵ 壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低。壓縮模量為1.3～5.3 MPa，為高壓縮性土，c和φ較小，黏聚力一般小于7 kPa，內(nèi)摩擦角小于10°。

⑶滲透性低。軟土的透水性能弱，并且其滲透系數(shù)量級為（1×10-2）～（1×10-3）m∕d，對土體的排水固結(jié)很不利。

⑷靈敏度高。具有顯著的結(jié)構(gòu)性，土體在擾動(dòng)后強(qiáng)度劇烈降低，外力干擾停止后，隨著時(shí)間的增長，軟土強(qiáng)度逐漸恢復(fù)。觸變性是軟土具有顯著的結(jié)構(gòu)性的表現(xiàn)。

⑸承載力低。南沙地區(qū)地基承載力一般為20～100 kPa，統(tǒng)計(jì)平均值為60 kPa。這說明南沙的軟土地基強(qiáng)度低，須對其進(jìn)行處理方可達(dá)到工程需求。

從以上的分析很明顯地看出，南沙軟土具有典型的“三高三低”的特點(diǎn)，如果要在這樣的軟弱地基上進(jìn)行工程建設(shè)，進(jìn)行軟基處理勢在必行。

2 南沙地區(qū)軟土特性研究

如圖1～圖2 所示，原位測試為可直接或間接測定巖土體工程特性、參數(shù)的試驗(yàn)方法?？讐红o力觸探（CPTU）是在雙橋探頭的基礎(chǔ)上，在探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)中添加了能夠觀察整個(gè)觸探過程中孔隙水壓力變化（U）的裝置，使得該試驗(yàn)技術(shù)具有量測土體孔隙水壓力的能力。這一功能的實(shí)現(xiàn)使得試驗(yàn)結(jié)果能更加準(zhǔn)確地反映出土層在觸探過程中土體特性變化的過程。扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)（DMT）用靜力將扁鏟探頭貫入土中試驗(yàn)深度，通過施加氣壓使扁鏟側(cè)面的圓形鋼膜片擠壓土體，并測定使膜片擴(kuò)張一定量的壓力值來判定土的工程性質(zhì)。扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)（DMT）適用于飽和軟黏土，可用于判定土層類別與狀態(tài)，確定靜止側(cè)壓力系數(shù)、基床系數(shù)、飽和軟黏土的不排水楊氏模量［5-8］。

圖1 現(xiàn)場原位測試Fig.1 Field in Situ Test

圖2 扁鏟及靜壓探頭Fig.2 Flat Shovel and Static Pressure Probe

2.1 不排水抗剪強(qiáng)度σ u

土的抗剪強(qiáng)度是指在一定的應(yīng)力狀態(tài)下，土體能夠抵抗剪切破壞的極限能力，不排水抗剪強(qiáng)度即在不排水的條件因素下土能夠抵抗剪切破壞的極限能力。土的抗剪強(qiáng)度是土的重要性質(zhì)之一，對于工程的設(shè)計(jì)和施工具有重要的指導(dǎo)意義，實(shí)際軟基建設(shè)過程中發(fā)生的各類工程事故，多數(shù)是由于對土體的抗剪強(qiáng)度了解不夠，導(dǎo)致土體發(fā)生剪切破壞而造成。

根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程：TB 10018—2018》［9］，CPTU 試驗(yàn)和DMT 試驗(yàn)關(guān)于軟土不排水抗剪強(qiáng)度的計(jì)算公式規(guī)定如下：

式中：σ′v0為土的有效自重應(yīng)力（kPa）；KD為水平應(yīng)力指數(shù)；qc為錐尖阻力（kPa）；σv0為土的總自重應(yīng)力（kPa）；Nk為錐尖圓錐系數(shù)，計(jì)算公式為Nk=25.81-0.75St-2.25lnIp。

通過孔壓靜力觸探試驗(yàn)CPTU 和扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)DMT 測得的軟土不排水抗剪強(qiáng)度σu隨深度變化曲線如圖3 所示。通過從變化趨勢及數(shù)值分析來看，黏性土的不排水抗剪強(qiáng)度σu隨深度逐漸增加，且增加速率逐漸加快。在1～10 m深度范圍內(nèi)的淤泥層中，不排水抗剪強(qiáng)度σu隨深度增加較慢且強(qiáng)度較弱，最大不排水抗剪強(qiáng)度為23.82 kPa（DMT），說明軟土在淤泥層中分布土體性質(zhì)較為均勻，土體強(qiáng)度變化不大；在10～20 m深度范圍內(nèi)的淤泥質(zhì)土層中，上覆土壓力導(dǎo)致深層土顆粒密實(shí)，孔隙比減小，進(jìn)而導(dǎo)致σu的增大速率逐漸加快，并在18 m深度附近達(dá)到最大值77.09 kPa（DMT）。

圖3 不排水抗剪強(qiáng)度σ u隨深度的變化曲線Fig.3 Variation Curve of Undrained Shear Strength σ u with Depth

從不同原位試驗(yàn)檢測結(jié)果的一致性來看，采用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)DMT 所測得數(shù)據(jù)普遍要比采用CPTU 試驗(yàn)所測得的數(shù)據(jù)偏大。在0～10 m 深度范圍內(nèi)（淤泥層），CPTU 和DMT 兩種原位試驗(yàn)所得到的原狀土不排水抗剪強(qiáng)度σu數(shù)值相差不大，檢測的一致性相對較好；在10～20 m 深度范圍內(nèi)（淤泥質(zhì)土層），DMT 試驗(yàn)所測得的原狀土不排水抗剪強(qiáng)度隨深度的增加速率最快，數(shù)值變化最大，而CPTU 試驗(yàn)的檢測數(shù)據(jù)變化相對較小。

通過孔壓靜力觸探試驗(yàn)CPTU 和扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)DMT 兩種試驗(yàn)獲得的軟土不排水抗剪強(qiáng)度σu的關(guān)系如圖4 所示，由圖4 可知，兩者存在較好的相關(guān)性，根據(jù)線性擬合結(jié)果，換算公式為：σuCPTU= 0.582σuDMT+1.402，R2=0.978。

圖4 CPTU試驗(yàn)與DMT試驗(yàn)不排水抗剪強(qiáng)度關(guān)系Fig.4 Relationship between CPTU Test and DMT Test for Undrained Shear Strength

2.2 變形參數(shù)

在工程建設(shè)中，關(guān)于沉降和變形的計(jì)算和監(jiān)測往往是工程設(shè)計(jì)和施工過程中的重中之重。壓縮模量Es、不排水楊氏模量Eu適用于不同條件下地基沉降和變形的計(jì)算。

2.2.1 壓縮系數(shù)Es

文獻(xiàn)［9］規(guī)定了不同土類和貫入阻力條件下利用CPTU 試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算土體壓縮系數(shù)Es的經(jīng)驗(yàn)方法；公式3 為《巖土工程原位測試》［10］中提出的利用DMT 試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算得到的土體壓縮系數(shù)Es的計(jì)算公式。

式中：RM為換算系數(shù)，是ID和KD的函數(shù)，在計(jì)算過程中取值范圍為0.64～3.81；ID為扁鏟土類指數(shù)；KD為扁鏟水平應(yīng)力指數(shù)；均為通過DMT試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的基本參數(shù)。

通過CPTU 和DMT 試驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合上述計(jì)算方法分別得到了兩種試驗(yàn)條件下平均壓縮模量隨深度的變化曲線，如圖5所示。

圖5 軟土壓縮模量Es隨深度變化曲線Fig.5 Variation Curve of Soft Soil Compression Modulus Es with depth

通過CPTU 和DMT 試驗(yàn)測得的壓縮模量Es 的線性擬合關(guān)系曲線如圖6所示，由圖6結(jié)果可知，兩者之間的線性關(guān)系為EsDMT=2.655EsCPTU-1.182，R2=0.876。

圖6 軟土壓縮模量Es線性關(guān)系曲線Fig.6 Es Linear Relation Curve of Soft Soil Compression Modulus

2.2.2 不排水楊氏模量Eu

根據(jù)文獻(xiàn)［9］可得CPTU 試驗(yàn)和DMT 試驗(yàn)分別通過下列公式計(jì)算軟土的不排水楊氏模量Eu。

通過對不同點(diǎn)位CPTU 試驗(yàn)和DMT 試驗(yàn)的檢測數(shù)據(jù)得到不同深度處的平均不排水楊氏模量Eu，并繪制出其隨深度的變化曲線，如圖7所示。

圖7 不排水楊氏模量Eu深度變化曲線Fig.7 Undrained Young's Modulus Eu Depth Variation Curve

由圖7 可知，Eu具有與變形模量Es相似的變化規(guī)律，在淤泥層中隨深度的變化幅度較緩，而在淤泥質(zhì)土層當(dāng)中變化曲率較快，其中DMT試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)在淤泥層中要小于CPTU 試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)，而在淤泥質(zhì)土層當(dāng)中，檢測數(shù)據(jù)則有大于CPTU的趨勢。

通過CPTU 和DMT 試驗(yàn)測得的壓縮模量Eu的線性擬合關(guān)系曲線如圖8 所示，由圖8 知兩者之間的線性關(guān)系為EuDMT=1.336EuCPTU-2.790，R2=0.866。

圖8 軟土不排水楊氏模量Eu線性關(guān)系曲線Fig.8 Linear Relation Curve of Undrained Young’s Modulus Eu of Soft Soil

通過CPTU 試驗(yàn)和DMT 試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)換算得到的不排水楊氏模量Eu與壓縮模量Es之間的換算關(guān)系，通過該換算關(guān)系分別如圖9、圖10 所示，在以后的工程中可以在已知一個(gè)變形參數(shù)的條件下得到其他參數(shù)的具體范圍，進(jìn)而對相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)和施工提供相應(yīng)的參考。具體的線性擬合關(guān)系為CPTU 試驗(yàn)：Eu=2.674Es+1.584，R2=0.916；DMT 試 驗(yàn)：Eu=1.414Es+0.456，R2=0.945。

圖9 Eu與Es線性關(guān)系擬合圖（CPTU）Fig.9 Fitting Diagram of Linear Relationship between Eu and Es（CPTU）

圖10 Eu與Es線性關(guān)系擬合圖（DMT）Fig.10 Fitting Diagram of Linear Relationship between Eu and Es（DMT）

3 結(jié)語

本文首先對南沙地區(qū)深厚軟土的物理力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，闡述了南沙地區(qū)軟土的“三高三低”工程特性，利用原位測試技術(shù)孔壓靜力觸探試驗(yàn)（CPTU）、扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)（DMT）測定軟土不排水抗剪強(qiáng)度和變形參數(shù)，并對比兩種原位測試參數(shù)的沿深度變化的發(fā)展規(guī)律。通過統(tǒng)計(jì)與回歸相結(jié)合的方法建立了軟土力學(xué)性能指標(biāo)之間的線性擬合關(guān)系，得到如下結(jié)論：

⑴ 軟土的不排水抗剪強(qiáng)度σu在淤泥層隨深度的增加速率較慢，最大不排水抗剪強(qiáng)度為23.82 kPa（DMT）；而在淤泥質(zhì)土層當(dāng)中隨深度的增加速率較快，最大值為77.09 kPa（DMT）。CPTU和DMT的試驗(yàn)檢測結(jié)果存在一定的線性關(guān)系，線性擬合關(guān)系為σuCPTU=0.582σuDMT+1.402，R2=0.978。

⑵壓縮模量Es在淤泥層中隨深度變化不明顯，主要集中在0.70～1.90 MPa 之間（CPTU），且CPTU 試驗(yàn)的檢測結(jié)果略大于DMT試驗(yàn)；而在淤泥質(zhì)土層當(dāng)中隨深度變化較快，主要分布在1.35～4.13 MPa 之間（CPTU），且CPTU 試驗(yàn)的檢測結(jié)果要明顯小于DMT試驗(yàn)。CPTU 和DMT 試驗(yàn)測得的壓縮模量Es的線性擬合關(guān)系EsDMT=2.655EsCPTU-1.182，R2=0.876。

⑶不排水楊氏模量Eu隨深度的變化趨勢與Es相類似，在淤泥層中分布較為集中，為0.95～2.80 MPa，而在淤泥質(zhì)土層當(dāng)中分布則較為分散。CPTU 和DMT檢測結(jié)果之間的線性擬合關(guān)系為EuDMT=1.336EuCPTU-2.790，R2=0.866。

⑷CPTU 試驗(yàn)和DMT 試驗(yàn)檢測所得的不排水楊氏模量Eu與壓縮模量Es線性擬合關(guān)系為CPTU 試驗(yàn)：Eu=2.674Es+1.584，R2=0.916；DMT 試 驗(yàn)：Eu=1.414Es+0.456，R2=0.945。