孔壓靜力觸探與扁鏟側(cè)脹試驗在上海軟黏土中的應(yīng)用研究

陸 順

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

0 引言

上海地處我國長三角地區(qū)，獨特的地理環(huán)境以及復(fù)雜的地質(zhì)作用使得該地區(qū)第四紀(jì)地層發(fā)育厚度達200～400 m，地層從中更新世至全新世一般均有發(fā)育，淺層廣泛分布著不同成因的軟黏土，成因類型以海相、河湖相沉積為主，土性差異較大，準(zhǔn)確分類成為工程勘察的難點之一[1-3]。復(fù)雜的水環(huán)境和沉積條件，使得上海地區(qū)的軟黏土呈現(xiàn)出區(qū)域性特征，除高含水率、高壓縮性、高靈敏度、大孔隙比、低滲透性和低抗剪強度外[4]，還表現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)性、超固結(jié)性及各向異性等特點，極大地困擾著上海地區(qū)的地下工程建設(shè)[5-6]。詳細(xì)了解各軟黏土層的工程特性，準(zhǔn)確地劃分各軟土層、獲取各層物理力學(xué)參數(shù)，對于工程結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟設(shè)計和安全施工而言至關(guān)重要[6-7]。

超固結(jié)比和壓縮模量作為評價軟土固結(jié)狀態(tài)、結(jié)構(gòu)性和變形強度特性的兩個重要參數(shù)，其獲取方法的正確性和結(jié)果的準(zhǔn)確性對工程勘察而言具有一定的難度[8]。一般而言，確定這兩個參數(shù)的方法主要有室內(nèi)試驗方法和原位測試方法。高彥斌[9]指出，室內(nèi)試驗方法的優(yōu)勢在于能明確定義試樣的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)，以及控制排水邊界條件，但試樣的取樣和制備不可避免地對試樣進行擾動，特別是對于淤泥、淤泥質(zhì)土等軟黏土取樣困難。冷 建[10]研究表明，對于軟黏土需耗費大量的經(jīng)費和時間才能獲得高質(zhì)量的試樣。肖 瑋[11]、Robertson[12]、Moss[13]等研究指出，由于軟土試樣在受到擾動后其結(jié)構(gòu)性喪失，使得測試的超固結(jié)比和強度、變形參數(shù)與實際偏離較大。孔壓靜力觸探和扁鏟側(cè)脹試驗作為最主要的兩種原位測試方法，能夠保證軟黏土在天然結(jié)構(gòu)狀態(tài)和天然應(yīng)力狀態(tài)下進行測試，且測試變形微小，保證了數(shù)據(jù)的真實性和可靠性，唐飛躍[14]指出，這兩種原位測試兼具有勘探和測試的功能，在土層分類上具有明顯優(yōu)勢，高彥斌等[15]認(rèn)為上海地區(qū)長期以來主要依賴壓縮試驗測試軟黏土的超固結(jié)比和壓縮模量，試驗結(jié)果存在較大爭議，有必要開展原位試驗方法對上海地區(qū)軟黏土的超固結(jié)比、壓縮模量進行系統(tǒng)性研究。

依托上海軌道交通市域線機場聯(lián)絡(luò)線巖土工程勘察項目，采用孔壓靜力觸探、扁鏟側(cè)脹試驗、室內(nèi)高質(zhì)量取樣壓縮試驗方法對上海地區(qū)土層進行劃分，對軟黏土的超固結(jié)比和壓縮模量建立與原位試驗方法、室內(nèi)試驗方法之間的參數(shù)擬合關(guān)系，借助多種原位測試方法認(rèn)識上海軟黏土的工程特性，同時為區(qū)域經(jīng)驗公式提供基礎(chǔ)資料和工程實踐依據(jù)。

1 工程概況

上海軌道交通市域線機場聯(lián)絡(luò)線工程線路自虹橋綜合交通樞紐內(nèi)預(yù)留的虹橋磁浮車場引出，經(jīng)三林、康橋、迪士尼至浦東機場，出浦東機場后接入滬通Ⅱ期上海東站西側(cè)的機場快線車場。線路全長約68.13 km，設(shè)站共8 個，平均站間距離為9.73 km。此外，建設(shè)兩個聯(lián)絡(luò)支線和兩個動走線，用于連接上海南站、滬杭鐵路及機場快線動車所。線位走向如圖1所示，從圖中可以直觀看出，線路橫貫東西，穿越上海市區(qū)的范圍廣，試驗土層具有區(qū)域代表性。

圖1 上海軌道交通市域線機場聯(lián)絡(luò)線工程線路圖

2 工程地質(zhì)條件

場區(qū)地質(zhì)鉆探揭示表明（最大鉆探深度為115.0 m），場地主體為正常沉積區(qū)，局部為古河道沉積。在勘探深度范圍內(nèi)，地層根據(jù)其形成年代、成因類型及工程性質(zhì)特征自上至下劃分為9 個大層和若干亞層，其中第①1層為填土層，第②-⑤層為全新世Q4沉積層，第⑥-⑨層為晚更新世Q3沉積層，第⑤31層-⑤42層為古河道沉積層。其中，③1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、④1淤泥質(zhì)黏土層、⑤1黏土層為濱海相-淺海相軟黏土，為上海地區(qū)軟黏土典型代表，分布廣泛。室內(nèi)試驗獲得的場區(qū)各地層物性參數(shù)見表1。

表1 場區(qū)各地層物理力學(xué)參數(shù)

3 現(xiàn)場原位測試成果

3.1 孔壓靜力觸探試驗

1954 年，我國從荷蘭首次引進靜力觸探試驗（CPT）技術(shù)，并在巖土工程勘察領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但由于歷史原因，我國使用的探頭規(guī)格與國際通用標(biāo)準(zhǔn)差異較大，主要使用的探頭類型為“單橋”探頭和“雙橋”探頭，獲取的參數(shù)主要為比貫入阻力、側(cè)摩阻力和錐尖阻力。1974 年，挪威土工研究所Janbu 等人在“雙橋”探頭的基礎(chǔ)上研發(fā)出電測式孔壓靜力觸探設(shè)備（CPTU），使得測試時可以獲得土體的孔隙水壓力，大大擴展了靜力觸探應(yīng)用范圍和提供了更多的土體評價指標(biāo)，比如孔隙壓力參數(shù)比Bq、經(jīng)過孔壓修正的錐尖阻力qT等。

本項目試驗選用Geotech 公司生產(chǎn)的U2 型孔壓靜力觸探探頭，其摩擦面積為150 cm2，探頭截面積為10 cm2，錐角為60°。以2 cm/s 的速度將探頭貫入土體，并測試錐尖阻力、孔隙水壓力和摩阻力。現(xiàn)場布置孔壓靜力觸探試驗測試孔共91 個，測試延米為5292.5 m。場區(qū)典型的孔壓靜力觸探實測錐尖阻力曲線、側(cè)摩阻力曲線、摩阻比曲線和超孔隙水壓力曲線如圖2 所示。經(jīng)鉆探揭示，圖2 中地層大致分布為：0～4.5 m 為①1填土；4.5～10.0 m 為③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；10.0～16.0 m 為④1淤泥質(zhì)黏土；16.0～22.0 m 為④2粉砂夾粉質(zhì)黏土；22.0～28.0 m 為⑤1黏土；28.0～31.0 m 為⑤31粉質(zhì)黏土夾粉砂；31.0～36.0 m為⑤42砂質(zhì)粉土；36.0～38.0 m 為⑦1T粉質(zhì)黏土夾粉砂；38.0～49.0 m 為⑦2T粉質(zhì)黏土夾粉土；49.0～55.0 m為⑦2粉砂。

圖2 場區(qū)典型孔壓靜力觸探試驗測試成果曲線

對場區(qū)所有孔壓靜力觸探試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，獲得各層土的孔壓靜力觸探試驗參數(shù)平均值如表2 所示。

表2 場區(qū)各土層孔壓靜力觸探試驗成果統(tǒng)計

3.2 扁鏟側(cè)脹試驗

扁鏟側(cè)脹試驗最初由意大利學(xué)者Marchetti 于1974 年發(fā)明，它的探頭為一個95 mm 寬、14 mm 厚的鏟形探頭，表面安裝有直徑60 mm 的鋼制圓形薄膜。測試時，向探頭內(nèi)充氣，分別記錄鋼制圓形薄膜膨脹至0.5 mm 和1.1 mm 的膨脹壓力A值、B值，收縮至0.05 mm 的收縮壓力C值，經(jīng)膜片剛度修正后得到膜片膨脹至0.5 mm 時的壓力p0、膨脹至1.1 mm時的壓力p1，收縮至0.05 mm 時的終止壓力p2。進而計算土性指數(shù)ID、側(cè)脹水平應(yīng)力指數(shù)KD、側(cè)脹模量ED、側(cè)脹孔壓指數(shù)UD?，F(xiàn)場布置扁鏟側(cè)脹試驗測試孔共19 個，測試延米802.8 m。場區(qū)典型的扁鏟側(cè)脹試驗成果曲線如圖3 所示。

圖3 場區(qū)典型扁鏟側(cè)脹試驗測試成果曲線

對場區(qū)所有扁鏟側(cè)脹試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，獲得各層土的扁鏟側(cè)脹試驗參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值如表3 所示。

表3 場區(qū)各地層物理力學(xué)參數(shù)

4 試驗成果分析

4.1 土類劃分

從前述可以看出，扁鏟側(cè)脹試驗和孔壓靜力觸探試驗測試的土體類型較為廣泛，從淤泥、黏土、粉質(zhì)黏土、粉土到砂土均有涉及，因此對這些土層進行原位測試方法的分類存在較強的代表意義。

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》（第五版）[16]中用雙橋靜力觸探參數(shù)（即孔壓靜力觸探中的錐尖阻力和摩阻比）分類圖表對場區(qū)的土層進行劃分，結(jié)果見圖4。從圖中可以看出，對于③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④1淤泥質(zhì)黏土、⑤1黏土這類軟黏土而言，該圖表法可以取得良好的劃分效果。

圖4 用雙橋探頭觸探參數(shù)圖表法判別土類

雖然⑤31粉質(zhì)黏土、⑦1T粉質(zhì)黏土夾粉砂、⑦2T粉質(zhì)黏土夾粉土都定為粉質(zhì)黏土層，但由于沉積環(huán)境和沉積時間不同，土質(zhì)不一，導(dǎo)致三者的靜力觸探參數(shù)有不同結(jié)果，⑤31粉質(zhì)黏土層土質(zhì)均勻，力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，因此該圖標(biāo)法對此劃分的結(jié)果與實際相符，而對于⑦1T粉質(zhì)黏土夾粉砂、⑦2T粉質(zhì)黏土夾粉土，由于兩者含有夾薄層，土質(zhì)不均，類似于“混合土”，表現(xiàn)為兩者的靜力觸探參數(shù)存在的一定離散性，該圖表法對這類“混合土”的劃分效果出現(xiàn)一定偏差；對比④2粉砂夾粉質(zhì)黏土、⑦2粉砂也可以看出類似規(guī)律。

由于粉土是黏土與砂土之間的過渡土層，力學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)為黏性土與砂類土的綜合，這取決于黏粒含量的多少，因此，當(dāng)該圖表法應(yīng)用于⑤42粉土?xí)r，判別結(jié)果出現(xiàn)明顯的偏差。

對于①1填土這類成分較雜，含植物根莖、碎磚石等，局部建筑垃圾較多的新近堆填土，該圖表法也無法準(zhǔn)確判別。

1986 年，Robertson 等[12]首次提出用孔隙壓力參數(shù)比和歸一化錐尖阻力對土類進行劃分，兩個參數(shù)都為無量綱參數(shù)，同時考慮了孔壓靜力觸探參數(shù)中超孔隙水壓力的影響，兩個參數(shù)的具體計算公式參考《工程地質(zhì)手冊》（第五版）[16]。圖5 為該方法的劃分結(jié)果，從圖5 中可以看出，對于軟黏土而言，Robertson 歸一化具有良好的劃分效果；對于粉質(zhì)黏土而言，數(shù)據(jù)點主要分布在區(qū)域③-區(qū)域⑤，對夾薄層的粉質(zhì)黏土可以劃分出來，體現(xiàn)了土層的細(xì)節(jié)，類似地，無論是土質(zhì)均勻的⑦2粉砂還是具有夾薄層的④2粉砂夾粉質(zhì)黏土，該圖表法都具有良好的劃分效果；但對于粉土而言，Robertson 歸一化圖表法與雙橋靜力觸探參數(shù)圖表法類似，出現(xiàn)明顯誤差，但前者的劃分準(zhǔn)確性具有一定的提升，部分?jǐn)?shù)據(jù)點落在了區(qū)域⑤中，再次證實了采用靜力觸探方法分離粉土土層存在一定的難度，事實上，靜力觸探在貫入過程中粉土可能出現(xiàn)的部分排水現(xiàn)象不僅對土體性質(zhì)的可靠評估具有重要意義，而且對分類圖表的正確使用也具有重要意義。

圖5 Robertson 歸一化圖表法土質(zhì)分類

表4 為Marchetti[17]提出利用土性指數(shù)劃分土體的原則，劃分結(jié)果如圖6 所示。

表4 依據(jù)土性指數(shù)劃分土體類別

從圖6 中可以看出，由于采用了不同的劃分指標(biāo)，扁鏟側(cè)脹試驗測試從根本上摒棄了靜力觸探方法中的豎向測試，采用的“雙參數(shù)”測試指標(biāo)大大化簡了由于理論推導(dǎo)和人為因素的影響，因此相對于靜力觸探試驗中的Robertson 歸一化圖表法與雙橋靜力于含夾薄層的“混合土”以及⑤42粉土層，都具有較高的精度。

圖6 場區(qū)扁鏟側(cè)脹試驗劃分土層結(jié)果

4.2 軟黏土的超固結(jié)比

觸探參數(shù)圖表法，扁鏟側(cè)脹試驗從淤泥、黏土、粉質(zhì)黏土、粉土到砂土都具有良好的劃分效果，特別是對

Marchetti[17]提出扁鏟側(cè)脹試驗側(cè)脹水平應(yīng)力指數(shù)KD非常適合評價土體的結(jié)構(gòu)性與固結(jié)特性，能夠高度反映土體的應(yīng)力歷史和計算超固結(jié)比OCR，同時扁鏟側(cè)脹試驗的鏟形探頭相比于圓錐形靜力觸探探頭而言，對土體的擾動變形降低到了最低，大大地保留了土體原始的結(jié)構(gòu)信息和應(yīng)力歷史信息，特別是對上海軟黏土而言，采用扁鏟側(cè)脹試驗不僅克服了取樣和制備試樣困難的問題，而且避免了其他原位測試探頭性狀對土體造成的“天然結(jié)構(gòu)的損傷”。場區(qū)的軟黏土主要分布深度大致在4.0～30.0 m，從上至下分別為③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、④1淤泥質(zhì)黏土層和⑤1黏土層。統(tǒng)計場區(qū)的扁鏟側(cè)脹試驗計算的軟黏土超固結(jié)比，結(jié)果如圖7 所示。

從圖7 中可以看出，三種軟黏土的超固結(jié)比隨深度的變化差異較大，但從整體上看，可知上海地區(qū)的軟黏土具有明顯的超固結(jié)性，隨著深度的增加而減小。在淺部3.0～11.0 m 以內(nèi)，主要為③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，其超固結(jié)比離散性較大，超固結(jié)比多為1.1～5.0；在中部11.0～18.0 m 內(nèi)，主要為④1淤泥質(zhì)黏土層，其超固結(jié)比離散性較小，超固結(jié)比主要集中在1.0～3.0；在深部大于18.0 m 后主要為⑤黏土層，其固結(jié)比只存在微小的變化，可以近似地取為1.0，為正常固結(jié)土。為方便工程應(yīng)用，對上海地區(qū)主要的三種軟黏土的超固結(jié)比進行分段擬合，得出經(jīng)驗公式：

圖7 軟黏土超固結(jié)比隨深度的變化曲線

高彥斌等[16]曾依據(jù)上海地區(qū)19 個場地的勘察數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出超固結(jié)比與深度關(guān)系曲線，如圖7 所示。表達式如下：

可以看出這個關(guān)系明顯大于本文給出的研究結(jié)果，且在深部土層中，超固結(jié)比統(tǒng)一取為1.6，認(rèn)為以下的軟黏土仍然是超固結(jié)土。魏道垛等[18]根據(jù)上海地區(qū)多個場地的軟黏土進行壓縮試驗，得到的數(shù)據(jù)也表明在深部的軟黏土超固結(jié)比約為1.01～1.07，可認(rèn)為是正常固結(jié)土，圖7 中給出了其軟黏土超固結(jié)比與深度的變化曲線，與本文給出的規(guī)律比較接近。

4.3 軟黏土的壓縮模量

壓縮模量是巖土設(shè)計中重要的輸入?yún)?shù)之一，是評價土層壓縮性和計算土層變形的基本參數(shù)。獲取壓縮模量的方法有室內(nèi)試驗（固結(jié)試驗、三軸壓縮試驗）和原位測試方法（靜力觸探試驗、旁壓試驗等），一般來講，室內(nèi)試驗需要通過大量的現(xiàn)場取樣和室內(nèi)復(fù)雜的樣品制備，盡管可以采取有效措施降低從現(xiàn)場取樣器取樣至室內(nèi)試驗測試完成的全過程擾動，但是也需要付出高昂的取樣和測試成本，耗費較多的人力和物力，而孔壓靜力觸探試驗方法是在土體天然原位狀態(tài)下進行的測試，獲取的壓縮模量能真實反映土體的力學(xué)性能，且成本低廉、快速可靠，因此建立室內(nèi)試驗壓縮模量與孔壓靜力觸探錐尖阻力之間的相關(guān)關(guān)系，對工程應(yīng)用來說具有十分重要的意義。本文在室內(nèi)試驗時采用高質(zhì)量取樣設(shè)備對場區(qū)軟黏土層進行取樣，同時在儲存和運輸過程中采取了防振隔振措施，最大程度地降低了人為因素和制樣設(shè)備對樣品的擾動，同時對場區(qū)內(nèi)91 個雙橋靜力觸探孔同一土層同一深度的靜力觸探錐尖阻力與壓縮模量建立對應(yīng)關(guān)系，參數(shù)選取時，由于孔壓靜力觸探存在“超前滯后”效應(yīng)，同時孔壓靜力觸探具有高靈敏，每隔10 mm采集一個數(shù)據(jù)點，因此，為避免土層分界面對數(shù)據(jù)分析的影響，剔除土層分界面上下0.3 m 范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，也剔除存在明顯不合理的異常值。兩者的相關(guān)關(guān)系如圖8 所示。

從圖8 中可以看出，各軟黏土層的孔壓靜力觸探錐尖阻力與室內(nèi)壓縮模量之間存在著明顯的線性相關(guān)關(guān)系（R2＞0.85，R2為線性回歸模型中的測定系數(shù)，在0.0～1.0 變化，其值越接近1.0，表示擬合程度越好），綜合分析，兩者的相關(guān)關(guān)系可以用統(tǒng)一的方程式進行表達，如公式（5）所示：

圖8 軟黏土錐尖阻力與壓縮模量關(guān)系

式中：a為擬合系數(shù)，在3.980～5.122 之間。

5 結(jié)論

（1）Robertson 歸一化圖表法與雙橋靜力觸探參數(shù)圖表法對上海軟黏土的的劃分效果較好，但對含有夾層、互層的“混合土”、成分雜亂的填土以及過渡型土（粉土）的劃分不理想，前者的劃分準(zhǔn)確性較后者具有一定的提升；除填土外，扁鏟側(cè)脹試驗分類方法則能達到良好的分類效果。

（2）上海地區(qū)軟黏土的超固結(jié)比隨深度的變化差異較大，具有明顯的超固結(jié)性。在淺層（深度18.0 m內(nèi)），超固結(jié)比隨著深度的增加而減小，土層為超固結(jié)土，而在深部（深度大于18.0 m）為正常固結(jié)土。對上海地區(qū)主要的三種軟黏土的超固結(jié)比進行分段擬合，得出經(jīng)驗公式見式（1）、式（2）。

（3）軟黏土層的孔壓靜力觸探錐尖阻力與室內(nèi)壓縮模量之間存在著明顯的線性相關(guān)關(guān)系，兩者的相關(guān)關(guān)系符合式（5）。