陳富強，楊光華，，孫樹楷，官大庶，朱思軍

（1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心，廣州 510635；3.廣東省山洪災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急技術(shù)研究中心，廣州 510635；4.華南理工大學(xué)土木工程系，廣州 510641；5.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州510925；6.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州 221116）

1 研究背景

原位測試是在巖土體所處的位置，基本保持巖土原來的結(jié)構(gòu)、濕度和應(yīng)力狀態(tài)，對巖土體進行的測試，與室內(nèi)試驗相比，可避免采取巖土樣的運輸過程擾動、含水量損失等產(chǎn)生的影響，所以原位測試更能反映巖土體的實際狀態(tài)。

原位測試技術(shù)的應(yīng)用與研究一直受到業(yè)界的重視，如早期工程師們就采用載荷試驗來確定地基的承載力，該方法已較成熟，如各勘察規(guī)范和地基設(shè)計和檢測規(guī)范中均有介紹。賴瓊?cè)A［1］通過載荷試驗確定巖土體的變形模量，建立標準貫入試驗錘擊數(shù)與變形模量的關(guān)系等。近年來，原位測試的研究成果也較多，如劉松玉等［2-4］在靜力觸探試驗和孔壓靜力觸探（CPTU）測試方面做了大量研究，如將CPTU用于確定土的先期固結(jié)壓力、土的分類、砂土液化判別等。閆澍旺等［5］將十字板剪切試驗用于推算軟黏土抗剪強度，此后該方法被編入《港口工程地基規(guī)范》（JTS 147-1—2010）。楊光華等［6-7］利用原位旁壓試驗獲取切線模量法計算參數(shù)和地基承載力等。隨著科技發(fā)展和機械、儀器設(shè)備更新?lián)Q代，原位測試已成為勘察和檢測的重要輔助或者主導(dǎo)方法［8-9］，可以預(yù)見，原位測試的應(yīng)用前景必將越來越廣泛。雖然原位測試的手段是越來越先進和自動化了，但是對其測試機理的研究還很少，另外，由于原位測試往往并不能直接獲得巖土體的抗剪強度參數(shù)和變形參數(shù)，在一定程度上阻礙了原位測試的發(fā)展，所以對原位測試結(jié)果的應(yīng)用也還有待進一步的研究和推廣。

本文以十字板剪切試驗在珠三角軟土工程的工程實踐案例為背景，利用十字板剪切強度試驗推算抗剪強度指標的方法應(yīng)用于廣東軟土地基，并通過對試驗的數(shù)據(jù)整理及工程應(yīng)用效果進行分析研究。將該方法得到的抗剪強度指標與常規(guī)室內(nèi)試驗進行對比，以期解決若用常規(guī)室內(nèi)試驗無法處理的工程問題，為類似工程提供借鑒，并在珠三角軟土地區(qū)示范性推廣十字板剪切試驗。驗和十字板剪切試驗，測試設(shè)備均采用進口設(shè)備。其中，靜力觸探采用瑞典GEOTECH公司NOVA型靜力觸探儀，十字板剪切試驗采用瑞典GEOTECH公司VANE型電測十字板剪切儀，如圖1所示。并且將靜力觸探和十字板剪切的裝置進行了改造，將其與履帶式車組合在一起，如圖2所示，這樣可以機械液壓式下錨和拔錨，方便拆運，靜力觸探貫入和十字板剪切過程機械自動化，避免了人為操作的不均勻性和不規(guī)范性。采用靜力觸探主要是為了查明土層的分布情況，因為靜力觸探可以連續(xù)反映土層沿深度方向的變化情況，所以易于地把十字板剪切試驗過程中可能異常的數(shù)據(jù)剔除（如剔除淤泥中夾砂層的試驗數(shù)據(jù)）。

2 原位測試試驗設(shè)備

在同一試驗區(qū)域，原位測試采用了靜力觸探試

圖1 瑞典GEOTECH公司VANE型電測十字板剪切儀Fig．1 VANE cross plate shear apparatus by Swedish GEOTECH company

圖2 履帶式液壓靜探車Fig．2 Crawler hydraulic static probe vehicle

瑞典GEOTECH公司VANE型電測十字板剪切儀主要由以下幾部分組成：

（1）十字板板頭選用十字板頭寬度75 mm，高度150 mm，頂端錐形。

（2）貫入裝置采用臺州市建元工程勘察儀器有限公司制造的TLSY-20型履帶式液壓靜探車提供貫入力和起拔力。其額定貫入力為200 kN，額定起拔力為230 kN。

（3）探桿采用長1 m的Ф22 mm高強度鋼管，共50根。

（4）主機提供剪切力，并記錄數(shù)據(jù)，量程為100 N·m。

3 在珠海軟土填方邊坡中的應(yīng)用及效果分析

該填方邊坡為廣東珠海某改線新建的排洪渠岸墻邊坡，原設(shè)計斷面如圖3所示。2011年施工過程中，擋土墻后回填土到標高1.5～1.8 m時，排洪渠左岸和右岸的部分擋土墻先后出現(xiàn)了滑移變形，排洪渠內(nèi)局部出現(xiàn)了隆起。根據(jù)施工圖，擋土墻后填土還需要繼續(xù)回填至標高3.8 m。后來采用了廣東省水利水電科學(xué)研究院的建議方案，即渠內(nèi)拋石反壓和墻后插塑料排水帶加固，該項目得以成功實施和完工，節(jié)省了大量資金，取得了非常好的效果［10］。

現(xiàn)在的問題是由于渠內(nèi)反壓了拋石，可能會影響排洪渠的行洪能力，所以業(yè)主方還是想拆除渠內(nèi)的反壓拋石，但是拆除后，排洪渠的擋墻是否安全需要通過擋墻的穩(wěn)定性計算。計算擋墻穩(wěn)定性時，淤泥的抗剪強度參數(shù)是關(guān)鍵。為此，先后進行了3次鉆探取樣測試淤泥的抗剪強度參數(shù)，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 各年勘察鉆探取樣淤泥層的室內(nèi)土工試驗結(jié)果對比Table 1 Comparison of laboratory test results of drilled samples of silty soil

表1中2010年10月為初設(shè)時間，從表1可知，隨著時間的延長，淤泥的強度指標總體呈現(xiàn)增長趨勢。根據(jù)2015年9月的勘察資料，淤泥質(zhì)土和淤泥的強度參數(shù)均取自勘察報告建議值，重新復(fù)核了拆除全部反壓的拋石后擋墻的整體穩(wěn)定性，其安全系數(shù)為0.928，是不穩(wěn)定的，故尚不能全部拆除拋石。由于采用室內(nèi)試驗測得的指標，驗算后尚不能全部拆除拋石。

但是從固結(jié)理論推算淤泥的指標，初步分析已可拆除拋石。為了驗證這個結(jié)果的可靠性，為此，2016年7月廣東省水利水電科學(xué)研究院建議業(yè)主采用原位十字板剪切試驗重新測試淤泥的參數(shù)，在現(xiàn)場共布置了6個（試驗孔編號FVST1—FVST6）十字板剪切試驗孔，各試驗點土的不排水抗剪峰值強度見表2。

圖3 擋墻設(shè)計斷面Fig．3 Design section of retaining wall

然后將6個孔的試驗數(shù)據(jù)，按《港口工程地基規(guī)》（JTS 147-1—2010）中附錄J的方法推算了淤泥的強度參數(shù)，具體計算方法為：根據(jù)測得的每個測點抗剪峰值強度ˉY和深度ˉX，可以通過線性回歸公式（1）獲得回歸參數(shù)a和b，然后利用式（2）和式（3）即可求出內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c。

式中：D為十字板的直徑，取75 mm；H為十字板的高度，取 150 mm；K0為土層的側(cè)壓力系數(shù)，K0＝0.62；Ut為淤泥的固結(jié)度，取0.9（真空預(yù)壓完成）；γ′為土的有效重度。

該方法相比室內(nèi)常規(guī)試驗，避免了對土體的擾動，但也存在以下誤差：

（1）該方法測定的結(jié)果為土的不排水抗剪強度，但實際測試中，已有部分排水，所測的cu值偏大。

（2）該方法采用統(tǒng)計回歸的方法推算出土體的抗剪強度指標，存在一定的數(shù)值誤差。

試驗孔FVST5試驗曲線及擬合結(jié)果如圖4所示，其余點位同理可得，結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖4 試驗孔FVST5十字板剪切強度與試驗深度的關(guān)系Fig．4 Relationship between shear strength obtained from vane shear test and test depth of test hole FVST5

表3 根據(jù)十字板剪切試驗成果推算淤泥的強度參數(shù)結(jié)果Table 3 Strength parameters of silt calculated based on vane shear test results

用推算的淤泥的黏聚力最小值c＝12.7 kPa，內(nèi)摩擦角φ＝5.5°驗算拆除拋石后擋墻穩(wěn)定性可滿足要求，目前業(yè)主方正準備拆除拋石。

4 在廣州南沙某基坑工程中的應(yīng)用及效果分析

廣州市南沙區(qū)某工程規(guī)劃建設(shè)用地面積243 492.90 m2，地下室242 708 m2，分成了 7個地塊：西一地塊、東三東五地塊，東四東六地塊、西二地塊、西三地塊、西四東一地塊和東二地塊，如圖5所示。

圖5 工程各地塊平面Fig．5 Project plans around the block

該場地土層分布由上而下依次為：人工填土層、淤泥、淤泥質(zhì)土、細砂、礫砂和巖層。從真空預(yù)壓前后地勘報告中室內(nèi)土工試驗提供的淤泥的直剪指標看，其抗剪強度值提高不多，如表4所示。

表4 地勘報告給出的真空預(yù)壓處理前、后淤泥的直剪指標Table 4 Direct shear indicators of silt given by geological prospecting report（before and after vacuum preloading）

根據(jù)地勘報告提供的各土層抗剪強度參數(shù)建議值，基坑支護設(shè)計造價比較高。業(yè)主方為了減少基坑支護設(shè)計的造價，根據(jù)廣東省水利水電科學(xué)研究院的建議，增加了原位測試來推算淤泥的強度指標，并將結(jié)果用于基坑支護設(shè)計使用，從而優(yōu)化了基坑支護方案，可節(jié)省大量的投資。

對場地內(nèi)的淤泥、淤泥質(zhì)土進行靜力觸探試驗，試驗孔共15個，穿透淤泥層，孔深平均約30 m，得到側(cè)阻和端阻及摩阻比隨深度變化曲線，靜力觸探試驗的另一個主要目的是驗證十字板剪切試驗結(jié)果。同時進行了十字板剪切試驗，試驗孔15個，試驗點沿深度間距為1 m，得到各試驗點淤泥的不排水抗剪峰值強度，重塑土強度和靈敏度，并繪制單孔十字板剪切試驗淤泥的不排水抗剪峰值強度隨深度的變化曲線，西二地塊、西三地塊、西四東一地塊各試驗點的試驗數(shù)據(jù)分別如表5—表7所示。

表5 西二地塊各試驗點土的不排水抗剪峰值強度Table 5 Undrained peak shear strength at various test points in west second block

表6 西三地塊各試驗點土的不排水抗剪峰值強度Table 6 Undrained peak shear strength at various test points in west third block

表7 西四東一地塊各試驗點土的不排水抗剪峰值強度Table 7 Undrained peak shear strength at various test points in west fourth and east first block

將15個孔的試驗數(shù)據(jù)，按《港口工程地基規(guī)范》（JTS 147-1—2010）的附錄J方法推算了淤泥的強度參數(shù)，F(xiàn)VST9試驗曲線及擬合結(jié)果如圖6所示，其余點位同理可得，結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖6 FVST9十字板剪切強度與試驗深度的關(guān)系Fig．6 Relationship between shear strength obtained from vane shear test and test depth in FVST9

根據(jù)表8中十字板剪切試驗數(shù)據(jù)推算淤泥的抗剪強度指標，西二地塊淤泥抗剪強度指標最小值c＝13.23 kPa，φ＝5.72°；西三地塊淤泥抗剪強度指標最小值 c＝15.84 kPa，φ＝5.68°；西四東一地塊淤泥抗剪強度指標最小值 c＝15.78 kPa，φ＝7.07°?？梢?，經(jīng)原位測試推算確定的淤泥的抗剪強度指標值均比室內(nèi)試驗獲得的大，所以采用原位測試更能反映淤泥的實際狀態(tài)。文獻［11］的結(jié)果表明，不同方法推算的淤泥的內(nèi)摩擦角相差不大，比較穩(wěn)定，但是推算的淤泥的黏聚力c值比較大，如果直接用于基坑設(shè)計可能偏于不安全，故為了安全起見，黏聚力c值還是采用地勘報告中的建議值。

表8 根據(jù)十字板成果推算的淤泥抗剪強度參數(shù)Table 8 Shear strength parameters of silt calculated based on vane shear test results

主動土壓力系數(shù)ka和土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m均與抗剪強度指標有關(guān)，即：

式中vb為擋土構(gòu)件在坑底處的水平位移量（mm）。

淤泥的強度指標變化對主動土壓力系數(shù)ka的影響和淤泥的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m的影響，如表9所示。

表9 淤泥的強度指標變化對k a和m的影響Table 9 Impact of changes in the strength indexes of silt on k a and m

可見，淤泥的強度指標變化對主動土壓力系數(shù)ka的影響和淤泥的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m的影響還比較大，然后利用原位測試推算的淤泥的強度參數(shù)設(shè)計基坑支護，可以降低造價，初步估算，基坑支護每延米造價節(jié)省超過12%［12］，取得了較好的經(jīng)濟效益。該項目所有地塊的基坑已于2017年全部完成，從基坑監(jiān)測結(jié)果來看，支護方案安全可靠，說明了通過原位測試的數(shù)據(jù)推算淤泥的抗剪強度參數(shù)，并用于基坑設(shè)計的做法是成功的，是值得推廣應(yīng)用的。

5 結(jié) 論

（1）原位測試更能反映淤泥的實際狀態(tài)，用原位測試十字板剪切試驗數(shù)據(jù)推算的軟土的抗剪強度參數(shù)大于室內(nèi)土工試驗得到的參數(shù)。

（2）目前規(guī)范中用十字板剪切推算的軟土的抗剪強度參數(shù)的方法，推算出內(nèi)摩擦角相對穩(wěn)定和可靠，但是黏聚力偏大，說明該方法還不完善，建議黏聚力應(yīng)折減使用。

（3）建議對利用原位測試數(shù)據(jù)推算軟土的抗剪強度的方法進一步研究和驗證，以擴大原位測試應(yīng)用范圍。