上海濱海平原區(qū)土的熱物理指標與靜力觸探Ps 值的關系研究

張丁寧

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

上海地區(qū)屬于典型的軟土地區(qū)，軟土具有地下水位高、含水量高、強度低等特點，對地鐵的建設要求嚴格。實際施工時，特別是隧道聯(lián)絡通道施工時，常采用冷凍法來施工。冷凍法設計時就需要土層的熱物理指標。土層熱物理指標的測定，可采用面熱源法、熱線比較法、熱流計法及熱平衡法[1]，土的含水量、孔隙率、密度以及礦物成分等因素對土的熱物理指標有較大的影響[2-5]。在實際工程時，通常是采取地下土層的原狀土樣送到土工實驗室來測定土的導溫系數(shù)、導熱系數(shù)和比熱容。在采取土樣的過程中，受各種因素的影響，土樣或多或少受到擾動，從而測出的熱物理指標有較大的變異性，在一定程度上影響數(shù)據(jù)的真實性。靜力觸探（CPT）技術作為一種原位測試技術，由于其能較好地模擬地下環(huán)境，不破壞土的原有屬性，能很好地反應土的物理力學性質的獨特性，在上海地區(qū)得到了廣泛的運用，較多經(jīng)驗公式都是基于靜力觸探Ps 值建立的[6-10]。本文收集了上海濱海平原區(qū)的多條地鐵隧道的土工熱物理試驗指標，通過研究發(fā)現(xiàn)：導溫系數(shù)和導熱系數(shù)隨著土層靜力觸探Ps 值的增大而增大，比熱容隨著土層靜力觸探Ps 值的增大而減小，呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。通過對熱物理指標和靜力觸探Ps 值進行曲線擬合，發(fā)現(xiàn)熱物理指標可以利用靜力觸探Ps 值通過特定的公式進行換算。

1 工程地質概況

上海地區(qū)按照地貌形態(tài)、時代成因、沉積環(huán)境和組成物質等方面的差異, 境內(nèi)可分為五大地貌類型，包括湖沼平原，濱海平原，河口、砂嘴、砂島，潮坪地帶和剝蝕殘丘。其中濱海平原位于湖沼平原以東，顧路、合慶、蔡路、江鎮(zhèn)、鹽倉、大團一線以西，奉城、柘林、漕涇一線以北地區(qū),上海市區(qū)位于其中，地勢較平坦[1]。濱海平原的主要地層有：②1層褐黃色粉質黏土、②2層灰黃色粉質黏土、③1層灰色淤泥質粉質黏土、③2層灰色粉性土、④層灰色淤泥質黏土、⑤1層灰色黏性土；受古河道影響，局部分布⑤2層灰色粉性土、⑤3層灰色黏性土、⑤4層灰綠色粉質黏土、⑥層暗綠色粉質黏土、⑦層粉、砂性土、⑧1層灰色黏性土、⑧2層灰色黏性土與砂性土互層、⑨層青灰色粉細砂。其中以第⑥層暗綠色粉質黏土硬土層分布為典型特征。

地鐵隧道在局部穿越黃浦江等大河大江時，埋深加深到⑦層外，其他大部分地區(qū)埋深主要分布在④層和⑤層。④層土是上海典型的軟土，含水量高、強度低，屬高等壓縮性、高靈敏度土，是天然地基的主要軟弱下臥層。⑤層相對于④層而言，狀態(tài)要好，⑤層是正常固結土層，埋深合適，是地鐵隧道主要穿行的土層。

2 熱物理指標分析

2.1 熱物理指標統(tǒng)計概況

本次選取濱海平原區(qū)內(nèi)③1層灰色淤泥質粉質黏土、④層灰色淤泥質黏土、⑤1層灰色粉質黏土、⑤2層灰色黏質粉土、⑥層暗綠色粉質黏土、⑦1層灰色砂質粉土和⑦2層灰色粉砂，這7 層土進行熱物理指標研究。各土層熱物理試驗數(shù)量統(tǒng)計表見表1。

表1 各土層熱物理試驗數(shù)量統(tǒng)計表 單位：個

2.2 熱物理指標分析

為了更好地分析土層熱物理指標與土層靜力觸探Ps 值之間的關系，選取研究區(qū)某條地鐵隧道的熱物理指標數(shù)據(jù)見表2。

表2 某條地鐵隧道熱物理指標

從表2 的數(shù)據(jù)可以看出，導熱系數(shù)和導溫系數(shù)隨著土層靜力觸探Ps 值的增大逐漸增大，而比熱容隨著土層靜力觸探Ps 值的增大而減小，呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。通過對研究區(qū)內(nèi)其他地鐵隧道的土層熱物理指標和土層靜力觸探Ps 值的數(shù)據(jù)分析，均發(fā)現(xiàn)此規(guī)律，于是采用研究區(qū)的樣本數(shù)據(jù)進行分析，擬合這兩種指標之間的內(nèi)在規(guī)律。

3 指標關聯(lián)性研究

3.1 導熱系數(shù)與P s 值關聯(lián)性研究

從表2 可知，隨著靜力觸探Ps 值的增大，導熱系數(shù)也出現(xiàn)相同的增大趨勢，但不能得出導熱系數(shù)與靜力觸探Ps 值的具體規(guī)律，為了研究導熱系數(shù)與靜力觸探Ps 值關聯(lián)性，將靜力觸探Ps 值作為橫坐標，導熱系數(shù)作為縱坐標，繪制導熱系數(shù)—靜力觸探Ps值曲線，如圖1 所示。

利用圖1 導熱系數(shù)—靜力觸探值進行曲線擬合，繪制出一條光滑曲線，從曲線可以明顯看出導熱系數(shù)和靜力觸探Ps 值呈冪函數(shù)關系，擬合的曲線函數(shù)為：

圖1 導熱系數(shù)—靜力觸探P s 值曲線（單位：MP a）

數(shù)據(jù)擬合的精度達到0.929，表明擬合結果比較理想，如在該研究區(qū)，可以直接利用靜力觸探Ps 值指標通過式（1）換算熱物理導熱系數(shù)指標。

3.2 導溫系數(shù)與P s 值關聯(lián)性研究

從表2 可以看出，隨著靜力觸探Ps 值的增大，導溫系數(shù)也出現(xiàn)相同的增大趨勢，但不能得出導溫系數(shù)與靜力觸探Ps 值的具體規(guī)律，為了研究導溫系數(shù)與靜力觸探Ps 值關聯(lián)性，將靜力觸探Ps 值作為橫坐標，導溫系數(shù)作為縱坐標，繪制導溫系數(shù)—靜力觸探Ps 值曲線，如圖2 所示。

圖2 導溫系數(shù)—靜力觸探P s 值曲線（單位：MP a）

利用圖2 導溫系數(shù)—靜力觸探值進行曲線擬合，繪制出一條光滑曲線，從曲線可以明顯看出導溫系數(shù)和靜力觸探Ps 值呈冪函數(shù)關系，擬合的曲線函數(shù)為：

數(shù)據(jù)擬合的精度達到0.959 1，表明擬合結果比較理想，如在該研究區(qū)，可以直接利用靜力觸探Ps值指標通過式（2）換算熱物理導溫系數(shù)指標。

3.3 比熱容與P s 值關聯(lián)性研究

從表2 可以看出，隨著靜力觸探Ps 值的增大，比熱容出現(xiàn)相反的減小趨勢，但不能得出比熱容與靜力觸探Ps 值的具體規(guī)律，為了研究比熱容與靜力觸探Ps 值關聯(lián)性，將靜力觸探Ps 值作為橫坐標，比熱容作為縱坐標，繪制比熱容—靜力觸探Ps 值曲線，如圖3 所示。

利用圖3 比熱容—靜力觸探值進行曲線擬合，繪制出一條光滑曲線，從曲線可以明顯看出比熱容和靜力觸探Ps 值呈冪函數(shù)關系，擬合的曲線函數(shù)為：

圖3 比熱容—靜力觸探P s 值曲線（單位：MP a）

數(shù)據(jù)擬合的精度達到0.945 8，表明擬合結果比較理想，如在該研究區(qū)，可以直接利用靜力觸探Ps值指標通過式（3）換算熱物理比熱容指標。

4 結 論

（1）本文收集了上海濱海平原區(qū)的多條地鐵隧道的土工熱物理試驗指標，通過研究發(fā)現(xiàn)：導溫系數(shù)和導熱系數(shù)隨著土層靜力觸探Ps 值的增大而增大，比熱容隨著土層靜力觸探Ps 值的增大而減小，呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。通過對熱物理指標和靜力觸探Ps 值進行曲線擬合，發(fā)現(xiàn)熱物理指標可以利用靜力觸探Ps 值通過特定的公式進行換算。

（2）通過研究地基土層導熱系數(shù)—靜力觸探Ps 值曲線、導溫系數(shù)—靜力觸探Ps 值曲線和比熱容—靜力觸探Ps 值曲線，擬合經(jīng)驗公式，通過經(jīng)驗公式可以實現(xiàn)利用靜力觸探Ps 值換算土層熱物理指標，為研究區(qū)地基土層的熱物理理論研究提供一定的依據(jù)。

（3）利用擬合經(jīng)驗公式，只能反映土層一些普遍的屬性，而對某些特殊的土層，比如夾層、極不均性土層，是不能通過經(jīng)驗公式進行預測的，仍需依靠傳統(tǒng)的方法進行測試。