超固結(jié)粉質(zhì)黏土靜止土壓力系數(shù)原位試驗研究

陳樹峰， 孔令偉， 李煥煥

(1.西京學(xué)院 陜西省混凝土結(jié)構(gòu)安全與耐久性重點實驗室， 陜西 西安 710123； 2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071； 3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 研究背景

天然地層中的應(yīng)力狀態(tài)一直是巖土工程中關(guān)注的問題之一，其中豎向應(yīng)力可由地層自重推算得到，而對于水平應(yīng)力尚未形成廣泛共識的獲取方法。水平應(yīng)力一般以靜止土壓力系數(shù)K0表示。就正常固結(jié)土而言，K0可使用簡化Jaky公式估算[1]：

K0=1-sinφ′

(1)

式中：φ′為有效內(nèi)摩擦角。

然而，K0易受地層土物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征以及應(yīng)力歷史等因素影響，且對測試擾動敏感。因而超固結(jié)土[2]、膨脹土[3]、黃土[4]等特殊土地層的K0值往往不能由式(1)簡單估算或室內(nèi)試驗得到，原位試驗仍是目前較為可靠的測試手段。

原位水平應(yīng)力測量的技術(shù)難點在于，探頭就位過程中土體一般經(jīng)歷復(fù)雜的加卸荷過程，而實際測試時難以恢復(fù)或保持土體初始應(yīng)力歷史和應(yīng)力水平。對此，國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過大量研究，發(fā)展了多種直接或間接的原位測試K0方法。目前，K0間接測試法以其便捷、經(jīng)濟、靈活等特點廣泛應(yīng)用于巖土工程研究與實踐中，諸如預(yù)鉆式旁壓試驗(pressuremeter test，PMT)[5]、扁鏟側(cè)脹(dilatometer test，DMT)[6]、靜力觸探(cone penetration test，CPT)[7]、波速測試(wave velocity test, WVT)[8]等。然而，間接法忽略了水平應(yīng)力測試難題，根據(jù)既有試驗成果，直接通過經(jīng)驗歸納建立測試參數(shù)與K0之間的聯(lián)系，因而不同地區(qū)結(jié)論不宜隨意借鑒，這類方法在國內(nèi)應(yīng)用的經(jīng)驗仍有待積累、完善和提升。

原位K0直接測試法主要包括自鉆式旁壓試驗(self-boring pressuremeter test，SBPT)[9]、水壓致裂法[10]以及采用不同類型的原位K0測試設(shè)備[11]。原位水平應(yīng)力儀(K0stepped blade，KSB)作為一種新型“壓入式”設(shè)備[12]，可達到與SBPT相同的較高測試精度，同時兼具便捷易用、成本較低的特點，常替代SBPT作為參照試驗，用于建立CPT、DMT等間接測試法的經(jīng)驗關(guān)系中[13]。近年來，隨著其在國內(nèi)應(yīng)用的進一步推廣，KSB也被用于黃河沖積層[14]、超固結(jié)土地層[15]等條件的水平應(yīng)力測試中，取得了良好效果。

目前，超固結(jié)粉質(zhì)黏土原位水平應(yīng)力特征尚未得到充分的認(rèn)識。KSB作為一種便捷、易用、精度較高的現(xiàn)場土體水平應(yīng)力專用測試設(shè)備，為相關(guān)研究、實踐提供了新的途徑。本文依托哈佳快速鐵路工程，選取沿線超固結(jié)粉質(zhì)黏土路塹邊坡場地，開展原位KSB試驗、扁鏟側(cè)脹試驗、旁壓試驗以及室內(nèi)K0固結(jié)試驗，研究哈爾濱超固結(jié)粉質(zhì)黏土地層K0分布規(guī)律，分析多種試驗方法在超固結(jié)土K0測試中的相關(guān)性、差異性和適用性，為超固結(jié)土靜止土壓力系數(shù)測試方法選擇和成果分析提供技術(shù)支撐。

2 場地概況與試驗方案

2.1 場地工程地質(zhì)條件

試驗場地位于哈爾濱市賓西鎮(zhèn)哈佳快速鐵路沿線(里程樁號DK38+120)賓西北站以西鳳凰山大型鐵路塹坡坡頂(127°10′23″E，45°47′36″N)，場地屬粉質(zhì)黏土丘陵地貌。鉆探揭露試驗場地為較均勻的粉質(zhì)黏土地層，未見地下水出露，試驗場地粉質(zhì)黏土物理性質(zhì)指標(biāo)與礦物成分見表1。從表1中可見，粉質(zhì)黏土以粉粒為主，粒徑0.05～0.005 mm顆粒占比達52%；礦物組成以石英、長石與白云母為主，含少量綠泥石，親水性較弱，液塑限較低。

為了解場地地層特性，開展扁鏟側(cè)脹試驗，根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》[16]處理實驗數(shù)據(jù)，獲得扁鏟材料指數(shù)ID、側(cè)脹模量ED、水平應(yīng)力指數(shù)KD和超固結(jié)比OCR(over consolidation ratio)沿深度變化規(guī)律，如圖1所示(DMT1、DMT2兩組實驗)。由圖1可知，ID基本介于0.6～1.8之間，據(jù)此判定場地為粉質(zhì)黏土或粉質(zhì)砂土，與液塑限判定結(jié)果基本吻合，但更偏向于砂土。水平應(yīng)力指數(shù)KD沿深度方向逐漸減小，均值約為3.0，差異值百分比低于40%。超固結(jié)比OCR介于0.68～12.5之間，均值約為3.25，說明地層具有一定的超固結(jié)性；OCR整體沿深度方向逐漸降低，地層深度11 m處已接近正常固結(jié)土(OCR=1)。

2.2 試驗方案

場地范圍內(nèi)開展原位水平應(yīng)力試驗(KSB)、旁壓試驗(PMT)和扁鏟側(cè)脹試驗(DMT)各2組，試驗場地呈線性布置，水平間距3.0 m(見圖2)；KSB、PMT沿深度方向間隔1.0 m進行測試，DMT間隔0.2 m。輔助鉆機采用XP-100型鉆機，干鉆法作業(yè)，并通過薄壁取土器取原狀樣，以供室內(nèi)K0固結(jié)試驗使用。

表1 試驗場地粉質(zhì)黏土物理性質(zhì)指標(biāo)與礦物成分

圖1 扁鏟側(cè)脹試驗成果

圖2 原位試驗場地布置圖(單位：m)

KSB試驗設(shè)備采用美國Handy Geotechnical Instruments公司生產(chǎn)的原位水平應(yīng)力儀。設(shè)備關(guān)鍵部位為階梯式水平應(yīng)力探頭，厚度逐階增大。各階探頭中心設(shè)有氣動反壓式測力單元，以測量側(cè)向土體接觸應(yīng)力。此外，DMT測試設(shè)備選用意大利Marchetti公司生產(chǎn)的地震波扁鏟側(cè)脹儀，PMT設(shè)備為法國APAGEO Menard GA型預(yù)鉆式旁壓儀；室內(nèi)試驗儀器采用南京土壤儀器廠GJY型K0固結(jié)儀，試樣為天然含水狀態(tài)原狀土樣，直徑61.8 mm、高40.0 mm，軸向壓力依據(jù)取土深度自重應(yīng)力施加。測試嚴(yán)格按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)進行。試驗設(shè)備見圖3。

圖3 原位試驗設(shè)備

2.3 KSB試驗原理與方法

KSB工作原理如圖4所示，階梯式探頭各階厚度分別為3.0、4.5、6.0、7.5 mm，測得對應(yīng)的接觸應(yīng)力值分別為p1、p2、p3、p4，根據(jù)接觸應(yīng)力隨探頭厚度的變化趨勢，獲得厚度為0對應(yīng)的原位水平應(yīng)力p0。類比有限應(yīng)力范圍內(nèi)e-lgp壓縮曲線局部線性特征，一般可采用指數(shù)型模型描述探頭厚度d與接觸應(yīng)力p的關(guān)系：

p=p0·exp(kd)

(2)

式中：k為擬合參數(shù)。

圖4 原位水平應(yīng)力儀工作原理示意圖[12]

王國富等[14]嘗試引入3種分析模型與之對比：(1)直線型p=kd+p0；(2)拋物線型p=kd2+p0；(3)指數(shù)+截距型p=p01exp(kd)+p0，p0=p01+p02。結(jié)果顯示，傳統(tǒng)指數(shù)型模型在數(shù)據(jù)有效性、成果合理性方面仍有優(yōu)勢。因此，文中采用傳統(tǒng)指數(shù)型模型進行成果分析。

3 KSB成果與差異性分析

3.1 KSB成果與分析

KSB得出接觸應(yīng)力p1、p2、p3、p4以及靜止土壓力系數(shù)K0隨土層深度的變化規(guī)律如圖5所示。由圖5(a)可以看到，接觸應(yīng)力整體沿深度方向逐漸增加，應(yīng)力值介于39～193 kPa之間。不同深度接觸應(yīng)力均隨探頭厚度增加而增大，未出現(xiàn)因應(yīng)力集中、應(yīng)力松弛而導(dǎo)致的p1>p2或p4

圖5 原位水平應(yīng)力KSB試驗結(jié)果

通過KSB測試探明了哈爾濱超固結(jié)粉質(zhì)黏土原位水平應(yīng)力特征，與室內(nèi)K0固結(jié)試驗、現(xiàn)場旁壓試驗和扁鏟側(cè)脹試驗進行對比分析，以期優(yōu)化修正參數(shù)，指導(dǎo)工程設(shè)計與施工。

3.2 KSB與K0室內(nèi)固結(jié)試驗差異分析

不同深度天然含水狀態(tài)原狀土樣K0室內(nèi)固結(jié)試驗與KSB成果對比如圖6所示。

圖6 室內(nèi)K0固結(jié)試驗與KSB成果對比

由圖6可見，超固結(jié)粉質(zhì)黏土室內(nèi)測試K0值介于0.12～0.28之間，顯著低于KSB測試結(jié)果，且總體上隨深度增加而增大，與KSB試驗變化趨勢相反。Gr?nbech等[18]認(rèn)為，室內(nèi)K0測試再加荷過程難以恢復(fù)原始水平應(yīng)力中非自重引起的部分，而該部分在超固結(jié)地層中不可忽略，這也是導(dǎo)致超固結(jié)土室內(nèi)與原位測試結(jié)果差異較大的主要原因。另一方面，超固結(jié)作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性特征使室內(nèi)再加載過程中K0值偏低，而這一效應(yīng)隨應(yīng)力水平的增大(即超固結(jié)水平的降低)而減弱[19]，因此，室內(nèi)K0值出現(xiàn)沿深度方向逐漸增大的現(xiàn)象。

3.3 KSB與旁壓試驗差異分析

基于旁壓試驗PMT得到土體K0值隨深度變化曲線與KSB成果對比如圖7所示。由圖7可以看到，PMT測試結(jié)果間差異較大，9 m深度處水平應(yīng)力差異達32 kPa，差異百分比達103.12%；PMT測得的K0值介于0.17～0.80之間，顯著小于KSB結(jié)果，僅為后者的41%～85%?？傮w看來，PMT過低地估計了超固結(jié)粉質(zhì)黏土地層的水平應(yīng)力。究其原因，一方面是PMT測試預(yù)成孔過程對孔壁土體擾動程度不一，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)差異性較大；另一方面地層原始水平應(yīng)力在預(yù)成孔過程中得以釋放，而現(xiàn)有基于PMT的K0分析方法尚無法對其進行有效估算[5]。因此，在超固結(jié)土場地水平應(yīng)力勘測中，應(yīng)慎重選用預(yù)鉆式旁壓試驗，同時重視SBPT、KSB等先進的原位測試方法在勘察工作中發(fā)揮的作用。

圖7 旁壓試驗K0值與KSB成果對比

3.4 KSB與扁鏟側(cè)脹試驗差異分析

基于扁鏟側(cè)脹試驗(DMT)的K0分析方法目前仍以經(jīng)驗歸納為主， 國內(nèi)外學(xué)者針對不同地區(qū)的不同土類提出多種計算分析方法，如表2所示。下面以KSB測試結(jié)果作為參考，與表2中所列各經(jīng)驗公式計算結(jié)果進行比較分析，研究適用于哈爾濱超固結(jié)粉質(zhì)黏土的分析方法，結(jié)果見圖8。

由圖8可見，不同經(jīng)驗公式分析結(jié)果在K0預(yù)測值和變化趨勢兩方面均存在較大差異。經(jīng)對比可知，《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》(TB 10018—2018)[20]公式預(yù)測值與KSB結(jié)果較為接近，但在2 m深度范圍內(nèi)預(yù)估值偏低；Marchetti公式整體高估了土體的K0值，而上海、蘇州、西安以及杭州地區(qū)的經(jīng)驗公式預(yù)測結(jié)果整體偏低，土體的區(qū)域性差異是導(dǎo)致此類問題的主要原因。

表2 基于DMT的K0確定方法

圖8 扁鏟側(cè)脹試驗不同經(jīng)驗公式的K0計算結(jié)果與KSB成果對比

通過上述分析，現(xiàn)有DMT經(jīng)驗公式在該地區(qū)應(yīng)用時應(yīng)作適當(dāng)調(diào)整，故本文在經(jīng)典Marhchetti公式基礎(chǔ)上經(jīng)過試算，得到了針對哈爾濱超固結(jié)粉質(zhì)黏土的修正經(jīng)驗公式：

(3)

采用公式(3)分析DMT試驗數(shù)據(jù)所得結(jié)果見圖8。由圖8可見，公式(3)的預(yù)估值接近原位KSB測試結(jié)果，平均誤差僅為5.68%。

4 K0測試方法適用性分析與討論

天然地層中靜止土壓力系數(shù)K0易受物質(zhì)組成、應(yīng)力歷史等多種因素影響，測試過程中不可避免地改變其中一項或多項因素，導(dǎo)致常規(guī)試驗結(jié)果的可靠性欠佳。確定靜止土壓力系數(shù)K0的測試方法需綜合考慮時間、費用、地層土性、精度要求等多項客觀條件，對測試設(shè)備擾動程度、分析方法、適用性等進行調(diào)查分析，選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ呛侠泶_定水平應(yīng)力設(shè)計值的關(guān)鍵。

KSB是一種新型專用的土體水平應(yīng)力測試設(shè)備，通過主動引入不同等級的擾動變形，獲得相應(yīng)接觸應(yīng)力，通過分析獲得原位土體水平應(yīng)力。KSB探頭厚度較薄，相較于DMT探頭(15 mm)，KSB最薄第一級厚度僅3 mm，加之外推分析方法的進一步修正，使其很大程度上避免了常規(guī)“壓入式”測試方法對土體擾動的問題，具備較高的測試精度。同時，KSB兼具“壓入式”測試方法操作簡便、可重復(fù)性好等特點，在巖土工程水平應(yīng)力測試與監(jiān)測方面應(yīng)用前景廣泛。

DMT是一種多用途的“壓入式”土體原位測試方法，其操作簡單，可重復(fù)性高，可用于分析靜止土壓力系數(shù)、超固結(jié)比、不排水抗剪強度、側(cè)限壓縮模量等多項土性參數(shù)[21]。然而，DMT分析機制主要依據(jù)基于有限測試數(shù)據(jù)建立的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停斐善湓谌狈?jīng)驗地區(qū)應(yīng)用中的可靠性難以保證。因此，國內(nèi)應(yīng)用中DMT試驗結(jié)果受測試過程和數(shù)據(jù)解譯方法的影響較大，對試驗人員綜合素質(zhì)有較高的要求。在試驗條件有限、待測參數(shù)多、且精度要求不高的情況下建議使用。

PMT作為水平應(yīng)力直接測量法的一種，在國內(nèi)應(yīng)用較廣，其試驗結(jié)果精度很大程度上取決于成孔的質(zhì)量和土體對預(yù)成孔擾動的敏感度。自鉆式旁壓SBPT作為PMT的改進型，成孔質(zhì)量好，精度較高，但技術(shù)復(fù)雜、成本較高，至今仍未廣泛應(yīng)用。相較而言，KSB試驗方法簡單、靈活，且具有與SBPT相近的測試精度，試驗結(jié)果總體精度和穩(wěn)定性較PMT更高。但由于KSB探頭較薄，如遇碎石易導(dǎo)致貫入受阻，通常應(yīng)用于黏土、粉土、砂土等地層；而PMT、SBPT還可用于殘積土、碎石土和軟巖等含礫石或較硬土層，適用范圍更廣。

綜上所述，DMT、PMT等間接K0測試法便捷、易用、成本低的特點使其在工程中得到廣泛應(yīng)用。然而，此類方法的經(jīng)驗性分析路徑，決定了不同地區(qū)的分析方法不能隨意借鑒，應(yīng)用前須根據(jù)區(qū)域條件對現(xiàn)有分析方法作適用性評價。本文開展多種原位與室內(nèi)K0試驗，獲得了哈爾濱超固結(jié)粉質(zhì)黏土地層K0分布特征，同時基于高精度KSB測試結(jié)果，對DMT、PMT和室內(nèi)K0固結(jié)試驗進行了適用性分析，進而針對哈爾濱超固結(jié)粉質(zhì)黏土地層，提出了相應(yīng)的DMT水平應(yīng)力分析方法，并給出了PMT和室內(nèi)K0固結(jié)試驗的應(yīng)用建議。

5 結(jié) 論

(1)原位水平應(yīng)力試驗KSB是一種土體原位K0直接測試方法，纖薄的階梯式探頭較大程度降低了傳統(tǒng)原位測試對土體的擾動，結(jié)合獨特的分析方法，避免了傳統(tǒng)“壓入式”測試方法經(jīng)驗性和擾動性問題，具有試驗便捷、維護簡單、經(jīng)濟性好等特點。在黏土、粉土、砂土地層中，建議優(yōu)先選用。

(2)K0固結(jié)試驗取樣和PMT預(yù)成孔過程引起原始水平應(yīng)力釋放，而再加載過程無法恢復(fù)非自重引起的部分，導(dǎo)致測試結(jié)果偏低，這一效應(yīng)在超固結(jié)地層中尤為明顯。同時，旁壓試驗測試結(jié)果離散型偏大，反映了預(yù)成孔過程中孔壁擾動對試驗結(jié)果的影響。

(3)基于DMT預(yù)測K0的可靠性很大程度上取決于經(jīng)驗公式的適用性。對于哈爾濱超固結(jié)粉質(zhì)黏土場地，Marchetti方法整體高估了土體K0值，而上海、蘇州、西安以及杭州地區(qū)的經(jīng)驗關(guān)系則存在K0值的低估問題。通過修正Marchetti公式，給出適應(yīng)于哈爾濱超固結(jié)粉質(zhì)黏土的K0計算方法，可供勘察設(shè)計人員參考使用。