徐芙蓉，呂秋鴻

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，陜西渭南 714000;2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116)

廣州市某軌道線淤泥軟土物理力學(xué)指標(biāo)選取試驗(yàn)研究

徐芙蓉1，呂秋鴻2

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，陜西渭南 714000;2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116)

以廣州市某軌道線淤泥軟土為研究對象，通過室內(nèi)土工試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)、三橋靜力觸探試驗(yàn)和旁壓試驗(yàn)幾種方法綜合研究了該段淤泥軟土物理力學(xué)指標(biāo)的選取，得出了本段軟土地區(qū)綜合物理力學(xué)指標(biāo)及其他參數(shù)選取的規(guī)律，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵巖土參數(shù)。

軌道線 淤泥軟土 物理力學(xué)指標(biāo) 試驗(yàn)

軟土地基在廣東較為常見，尤其在珠江三角洲和濱海地區(qū)普遍分布[1]。近年來高速鐵路和高速公路在南粵大地的快速建設(shè)及城鎮(zhèn)化的快速興起，各種巖土力學(xué)問題擺在了巖土工作者面前[2-4]，其中，尤為常見的軟土物理力學(xué)性質(zhì)確定與軟基處理的問題特別突出?；诖?，本文以廣州市某軌道線淤泥軟土為研究對象，通過現(xiàn)場鉆探獲取的I級不擾動土樣室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場進(jìn)行的十字板剪切試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)和旁壓試驗(yàn)，綜合研究了其物理力學(xué)指標(biāo)，為設(shè)計(jì)提供了巖土參數(shù)和為后續(xù)施工采取工程措施提出了建議。

1 淤泥分布范圍、厚度和特征

淤泥土層沿軌道線連續(xù)分布，且基本上呈北薄南厚的趨勢。層厚1.60～22.80 m，平均8.33 m，層頂埋深0.20～26.60 m;層底埋深4.20～31.00 m。層位穩(wěn)定，而土性稍有變化，土呈灰褐、深灰、灰黑色，取22件土試樣做有機(jī)質(zhì)含量分析，最大值4.16%，最小值1.90%，屬無機(jī)土。局部含有腐木塊、泥炭質(zhì)，不均勻細(xì)粉砂，個(gè)別含貝殼等雜質(zhì)，具海綿狀和孔隙狀結(jié)構(gòu)，流塑，少數(shù)軟塑狀態(tài)。淺部及中部土芯一般不能成土柱狀，流塑，較深部位土體固結(jié)度稍好，土芯呈完整土狀，軟塑為主。本層土壓縮系數(shù)為2.0 MPa-1，超固結(jié)比為0.420，故屬高壓縮性欠固結(jié)軟土。土的滲透性差。

2 試驗(yàn)部分

2.1 土樣選取與試驗(yàn)方法

采用鉆探、用薄壁取土器采取I級土試樣，進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)以及三橋靜力觸探試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)。在軌道線工程南延段蕉門至沖尾段共布置10個(gè)鉆孔，主要針對淤泥土中用薄壁取土器采取I級不擾動樣，樣長500 mm，樣徑89 mm，共采取軟土樣品60件。另布鉆孔5個(gè)，用薄壁取土器取直徑為108 mm的Ⅰ級不擾動土樣14件，用于模擬試驗(yàn)。

2.2 室內(nèi)試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

從表1和其他室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，稠度指標(biāo)、天然狀態(tài)性質(zhì)指標(biāo)、除先期固結(jié)壓力和超固結(jié)比外的固結(jié)指標(biāo)、剪切指標(biāo)和三軸指標(biāo)隨深度增加并無明顯的變化規(guī)律，因此在選用設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)可直接選用綜合統(tǒng)計(jì)方法得出的平均值或標(biāo)準(zhǔn)值。先期固結(jié)壓力隨深度的增加而增加，但增加幅度逐漸減小;超固結(jié)比隨深度的增加而減小，且減小幅度亦逐漸減小，因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮不同深度范圍內(nèi)選用不同的指標(biāo)。原狀土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和靈敏度隨深度的增加基本上呈線性增加，而擾動土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨深度變化不大，因此，在選用這兩種指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選用按高程統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)。從表1可以看出，在淤泥中，由于薄層粉砂的存在，使得其水平滲透系數(shù)比垂直滲透系數(shù)約大1.5倍。

2.3 十字板剪切試驗(yàn)

十字板剪切試驗(yàn)的結(jié)果有原狀土十字板剪切強(qiáng)度、重塑土十字板剪切強(qiáng)度、靈敏度、淺基礎(chǔ)地基承載力設(shè)計(jì)值、十字板剪切強(qiáng)度曲線等，見表2。從表2可以看出，淤泥中的十字板原狀土抗剪強(qiáng)度波動較大，重塑土強(qiáng)度亦不穩(wěn)定，結(jié)合鉆孔地質(zhì)資料來看，是由于此段淤泥不均勻夾粉細(xì)砂所致。淤泥中的十字板原狀土抗剪強(qiáng)度基本呈線性增加，僅個(gè)別點(diǎn)原狀土強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其它點(diǎn)強(qiáng)度，結(jié)合鉆孔資料判斷，是由于個(gè)別點(diǎn)位置夾粉細(xì)砂，而其余地段淤泥較均勻。本段淤泥質(zhì)土層較薄，分布范圍也較小，十字板抗剪強(qiáng)度在該層未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律性，鉆探過程中揭露該層亦不均勻，常與粉砂呈互層出現(xiàn)，其原狀土及擾動土的不排水抗剪強(qiáng)度較淤泥均有較大提高。

表1 淤泥軟土主要物理力學(xué)指標(biāo)

表2 十字板剪切試驗(yàn)得出淤泥和淤泥質(zhì)土的強(qiáng)度指標(biāo)

2.4 三橋靜力觸探試驗(yàn)

三橋靜力觸探可以較精確地劃分土層。

各土層及不同高程范圍內(nèi)的淤泥靜力觸探試驗(yàn)取得的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的平均值見表3。從表3可以看出，淤泥土的錐尖阻力隨深度的增加而增加，這是由于隨觸探深度的增加，觸探點(diǎn)的上覆壓力也不斷增大。淤泥質(zhì)土的平均錐尖阻力較高，為1.17 MPa，這是由于在淤泥質(zhì)土中不均勻夾薄層粉砂所致，前述的鉆探資料及十字板資料均說明了這一點(diǎn)，在靜力觸探試驗(yàn)中的力學(xué)指標(biāo)偏高也再次說明了這個(gè)問題。

2.5 旁壓試驗(yàn)

本次旁壓試驗(yàn)獲得了大量的直接測試數(shù)據(jù)，取得土體受力變形后從彈性階段到破壞階段的全過程資料，不僅有利于對土體應(yīng)力和變形問題的分析，而且通過數(shù)據(jù)直接運(yùn)算得到了大量的土工參數(shù)。這些參數(shù)包括土體的初始壓力、臨塑壓力和極限壓力等強(qiáng)度參數(shù)，不同深度土層的變形參數(shù)(旁壓模量和旁壓剪切模量)。此外，在旁壓模量和旁壓剪切模量的基礎(chǔ)上，推算了土體的彈性模量和壓縮模量等變形模量參數(shù)。需要指出的是，旁壓試驗(yàn)引入國內(nèi)的時(shí)間不長，在工程使用中還不普遍，特別是尚未見到在海相淤泥中使用該方法的報(bào)道。將旁壓試驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)用于工程中，還需對比其它原位試驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)。

表3 不同土層及軟土不同高程靜探統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)兩個(gè)鉆孔12個(gè)測點(diǎn)。從試驗(yàn)結(jié)果看，其中9個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)比較理想，3個(gè)測點(diǎn)(PY-1-2、PY-1-3、PY-2-2)由于鉆孔、土體性質(zhì)等因素的影響，結(jié)果不理想，故未提供試驗(yàn)結(jié)果。由旁壓試驗(yàn)所得的力學(xué)指標(biāo)見表4。

3 物理力學(xué)指標(biāo)綜合分析選取

土的物理指標(biāo)(主要包括稠度指標(biāo)和天然狀態(tài)性質(zhì)指標(biāo))不能通過原位試驗(yàn)直接測得，因此，其指標(biāo)應(yīng)選用由室內(nèi)試驗(yàn)方法獲得的指標(biāo)。原位試驗(yàn)測得的應(yīng)力指標(biāo)是土在原位進(jìn)行的保持原始應(yīng)力狀態(tài)下的試驗(yàn)，而室內(nèi)測得的應(yīng)力指標(biāo)的樣品雖然是I級不擾動樣，但原始應(yīng)力狀態(tài)已不存在，因此，土層相應(yīng)的力學(xué)指標(biāo)應(yīng)以原位測試獲得的直接指標(biāo)為主。

對于三角洲相、沖積相軟土，結(jié)構(gòu)上常表現(xiàn)明顯的各向異性特點(diǎn)，且水平固結(jié)系數(shù)在地基固結(jié)的全過程中更為重要。土的固結(jié)指標(biāo)可通過室內(nèi)試驗(yàn)和靜力觸探得到，室內(nèi)試驗(yàn)與原位測試可以相互驗(yàn)證。另外，用原位測試的方法可以得到孔隙水壓力消散的過程曲線，對設(shè)計(jì)和施工有一定的指導(dǎo)意義。

表4 各土層在不同深度下的力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

土的不排水剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)可以通過室內(nèi)試驗(yàn)剪切指標(biāo)的快剪、三軸指標(biāo)的不固結(jié)不排水剪得到c、φ值，然后根據(jù)深度，依據(jù)τ=c+σtanφ得到。不排水剪的土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)亦可通過十字板剪切試驗(yàn)直接得到，一般認(rèn)為，十字板剪切試驗(yàn)是在現(xiàn)場進(jìn)行，試驗(yàn)點(diǎn)保持天然狀態(tài)。由于抗剪強(qiáng)度是與深度有關(guān)的函數(shù)，在選用不同指標(biāo)的函數(shù)時(shí)應(yīng)注意對比深度。一般情況，由十字板剪切試驗(yàn)確定的抗剪強(qiáng)度比室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算的結(jié)果要高。

限于篇幅，本文僅把主要力學(xué)指標(biāo)、滲透指標(biāo)給出，如表5所示。壓縮模量指標(biāo)的選用與所選擇的沉降計(jì)算模型有關(guān)，若依據(jù)文獻(xiàn)[5]中的相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，宜選用室內(nèi)試驗(yàn)測得的壓縮模量。由室內(nèi)試驗(yàn)和靜力觸探測得的滲透系數(shù)和固結(jié)系數(shù)基本一致，而由靜力觸探得到的滲透系數(shù)是由原位測得的，更能代表土體真實(shí)的滲透情況，故選擇的推薦值與靜力觸探測得的指標(biāo)基本一致。靈敏度是指保持天然結(jié)構(gòu)的原狀土的強(qiáng)度與保持原來含水量的天然結(jié)構(gòu)被破壞的重塑土的強(qiáng)度之比，十字板剪切試驗(yàn)是在原位測得的，因此比室內(nèi)試驗(yàn)有更好的代表性，因此，選擇了十字板剪切試驗(yàn)的靈敏度為推薦值。

表5 淤泥主要力學(xué)指標(biāo)、滲透指標(biāo)及推薦值

4 結(jié)論

通過在采用鉆探、用薄壁取土器采取I級土試樣，進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)以及三橋靜力觸探試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)對廣州某軌道線工程淤泥軟土物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行研究，主要可得出如下結(jié)論:

1)現(xiàn)場試驗(yàn)過程中，淤泥中的十字板原狀土抗剪強(qiáng)度波動較大，重塑土強(qiáng)度亦不穩(wěn)定，三橋靜力觸探試驗(yàn)中淤泥軟土平均錐尖阻力較高，為1.17 MPa，結(jié)合鉆孔地質(zhì)資料，是由于此段淤泥不均勻夾粉細(xì)砂所致。

2)結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和原位測試得出本段軟土地區(qū)綜合物理力學(xué)指標(biāo)，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵巖土參數(shù)。

3)土的固結(jié)指標(biāo)可通過室內(nèi)試驗(yàn)和靜力觸探得到，室內(nèi)試驗(yàn)與原位測試可以相互驗(yàn)證;土的不排水剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)可以通過室內(nèi)快剪試驗(yàn)、三軸不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)以及室內(nèi)無側(cè)限抗壓試驗(yàn)獲得，另外也可通過十字板剪切試驗(yàn)獲得，十字板剪切試驗(yàn)確定的抗剪強(qiáng)度比室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算的結(jié)果要高。

4)承載力是深度的函數(shù)，故各種方法得出的承載力只列計(jì)算公式，其值需要綜合確定;由室內(nèi)試驗(yàn)和靜力觸探測得的滲透系數(shù)和固結(jié)系數(shù)基本一致，而由靜力觸探得到的滲透系數(shù)是由原位測得的，更能代表土體真實(shí)的滲透情況;十字板剪切試驗(yàn)所測靈敏度是在原位測得，因此比室內(nèi)試驗(yàn)有更好的代表性。

[1]丁雷，江永建，陳多才，等.廣州軟土的力學(xué)特性及相關(guān)性分析[J].鐵道建筑，2011(10):75-77.

[2]李傳勛，謝康和.基于指數(shù)形式滲流定律的軟土一維固結(jié)分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011，44(8):111-117.

[3]李濤.軟土地基固結(jié)Neumann隨機(jī)有限元分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，39(4):444-449.

[4]柳偉，程振華.初始剪應(yīng)力對軟黏土峰值孔壓影響試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑，2010(10):80-82.

[5]中華人民共和國建設(shè)部.GB 50007—2002 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

TU447;TU441+.3

A

1003-1995(2012)06-0089-03

2012-01-20;

2012-02-20

徐芙蓉(1973— )，女，陜西渭南人，講師，碩士。

(責(zé)任審編 孟慶伶)