皇富強(qiáng)

（江蘇中煤地質(zhì)工程研究院有限公司，江蘇 常州213000）

扁鏟側(cè)脹試驗與靜力觸探試驗作為巖土工程測試領(lǐng)域中重要的兩種原位測試方法， 在巖土工程勘察中得到廣泛的應(yīng)用［1-3］。 扁鏟側(cè)脹試驗?zāi)軌蛱峁┩馏w橫向力學(xué)性能測試參數(shù)， 而靜力觸探試驗則可以提供土體垂向的力學(xué)性能測試參數(shù)， 綜合兩種測試手段應(yīng)用于巖土工程勘察， 可以大幅度地提高所提供參數(shù)的可靠度， 降低單一方法所帶來的原理和設(shè)備產(chǎn)生的誤差， 同時把兩種測試方法所得的測試參數(shù)進(jìn)行對比， 綜合考慮各種測試方法的局限性和優(yōu)勢互補(bǔ)， 進(jìn)而可為巖土參數(shù)的綜合分析提供更加合理的解決方案［4-5］。 另一方面，扁鏟側(cè)脹試驗和靜力觸探試驗都是對土層擾動較小的原位測試方法，能夠在原地較完整地保持土體的天然結(jié)構(gòu)狀態(tài)、 天然含水率等原始特性， 降低了由于現(xiàn)場取樣和室內(nèi)制樣產(chǎn)生的擾動對室內(nèi)試驗結(jié)果的影響［5-6］，因此，可以利用兩者測試方法的優(yōu)勢， 觀測分析兩種測試參數(shù)之間的相互變化規(guī)律， 為工程實際計算和參數(shù)的選取提供可靠依據(jù)。

本文結(jié)合武漢市軌道交通12號線工程勘察項目，綜合應(yīng)用扁鏟測試和靜力觸探測試方法，獲取了大量的原位測試數(shù)據(jù)， 在綜合分析個參數(shù)的變化規(guī)律基礎(chǔ)上，分別對黏性土、粉土和砂土的剛度計算參數(shù)壓縮模量、強(qiáng)度計算參數(shù)不排水剪強(qiáng)度進(jìn)行研究，研究成果可為類似工程提供基礎(chǔ)資料和參考借鑒。

1 測試方法和設(shè)備

扁鏟側(cè)脹試驗是利用貫入設(shè)備將鏟形探頭貫入預(yù)定深度的土體中，對鏟形探頭側(cè)壁安裝的60mm鋼薄膜進(jìn)行施加氣壓，讀取鋼薄膜分別膨脹至0.05mm，1.10mm和恢復(fù)至0.05mm位置時的氣壓，進(jìn)而利用理論和經(jīng)驗公式計算相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)。 測試設(shè)備采用意大利MARCHETTI FLAT DILATOMETER設(shè)備，如圖1。

圖1 扁鏟側(cè)脹試驗儀器

單橋靜力觸探（CPT）是我國特有的一種靜力觸探方法， 測試時靜力觸探探頭以一定的速率壓入土中，利用探頭內(nèi)的力傳感器，通過電子量測器將探頭受到的貫入阻力記錄下來。 由于貫入阻力的大小與土層的性質(zhì)有關(guān)，因此通過貫入阻力的變化情況，可以達(dá)到了解土層工程性質(zhì)的目的。 測試設(shè)備采用WSY-B雙缸液壓靜力觸探機(jī)， 探頭直徑為10cm，貫入速度：0.9～1.2m/min，如圖2。

圖2 靜力觸探試驗設(shè)備

2 工程概況及地質(zhì)條件

2.1 工程概況

武漢市軌道交通12號線為武漢市軌道交通中唯一的環(huán)線，聯(lián)通武漢三鎮(zhèn)；經(jīng)由武昌火車站和漢口火車站并與十多條地鐵線路實現(xiàn)換乘。 12號線全線長度約為60.7km （地下線長約54.6km， 過渡段長約0.7km，高架線長約5.4km），共設(shè)車站36座，平均站間距約為1.69km。 本線兩次穿越長江，一次穿越漢江、沙湖和墨水湖。

本次勘察工作線路起點接后湖大道石橋站 （不含），沿后湖大道向東至中一路站后折向東南，穿國際百納小區(qū)、黃孝河、紫竹園小區(qū)、后湖華庭小區(qū)進(jìn)入興業(yè)路，沿興業(yè)路向東布設(shè)，經(jīng)后湖四路站、興業(yè)路站、百步亭站后折向南，穿方舟花園、貨場、新湖路一村后至終點丹水池站（不含），即解放大道；共4站5區(qū)間。 該區(qū)間右線起點里程為右AK2+685.847，終點里程為右AK10+26.909，長度約7.34km。

2.2 場區(qū)地質(zhì)條件

根據(jù)本次勘探成果， 擬建場地覆蓋層由近代人工填土層（Qml）、第四系全新統(tǒng)湖積（）、沖積（）、沖洪積（）淤泥、一般黏性土、淤泥質(zhì)土、互層土、砂土及碎石類土組成；下伏基巖主要為白堊-下第三系東湖群（K-Edn）砂礫巖、粉砂質(zhì)泥巖，少數(shù)鉆孔揭露灰?guī)r。根據(jù)本次勘探成果，結(jié)合室內(nèi)土工試驗成果報告， 場區(qū)內(nèi)經(jīng)扁鏟側(cè)脹與靜力觸探試驗測試的主要地層由新至老分述如下：

①-1雜填土（Qml）：雜色，濕～飽和，主要由黏性土、砂土夾磚塊、碎石、塊石、爐渣等建筑組成，局部夾少量生活垃圾，該層地表普遍有厚度15～50cm厚的混凝土地坪。 該層土結(jié)構(gòu)不均、土質(zhì)松散，場地內(nèi)普遍分布。 鉆孔揭露層厚0.50～7.10m。

③-1黏土（）：黃褐色、灰褐色、飽和，呈可塑狀，含少量鐵錳質(zhì)氧化物，局部含大量螺殼，切面較光滑，屬中等壓縮性土。 該層場地均有分布，鉆孔揭露厚度0.50～7.40m，層頂埋深0.50～7.10m，層頂標(biāo)高13.90～20.80m。

③-4淤泥質(zhì)黏土（）：灰褐色，飽和，軟～流塑狀態(tài)，富含有機(jī)質(zhì)，具流變性，有腐臭味，屬于高壓縮性土。 該層土全線普遍分布， 鉆孔揭露層厚0.70～19.80m，層頂埋深1.60～9.80m，層頂標(biāo)高10.62～19.40m。

③-5粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層（）：褐灰色、灰色，飽和；粉質(zhì)黏土主要呈軟～流塑狀，局部可塑狀，粉土呈中密狀，粉砂呈松散～稍密狀，屬高壓縮性土。 粉土、粉砂單層厚度0.10～2.30m，粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂總厚度所占比例分別為75%～85%、5%、10%～20%。 此層全線普遍分布，層厚變化較大。 鉆孔揭露層厚1.10～27.80m， 層頂埋深3.60～24.50m， 層頂標(biāo)高-4.08～18.20m。

④-1粉砂（）：褐黃色、青灰色、飽和、呈稍密狀態(tài)，礦物成分主要為石英、長石，少量云母片，局部混少量黏性土，屬中等壓縮性土。 鉆孔揭露層厚0.90～21.60m， 層頂埋深5.60～30.40m， 層頂標(biāo)高-9.98～14.66m。

④-2粉細(xì)砂（）：青灰色，飽和，呈中密狀態(tài)，砂質(zhì)較均勻，礦物成分主要為石英、長石，少量云母片，局部含木屑，屬于中等偏低壓縮性土。全場分布，鉆孔揭露層厚1.60～19.00m，層頂埋深14.20～36.20m，層頂標(biāo)高-15.51～6.47m。

3 綜合測試成果分析

3.1 參數(shù)測試成果

圖3為場區(qū)典型單橋靜力觸探數(shù)據(jù)曲線，并根據(jù)鉆探揭示各土層厚度將曲線劃分為各段， 從圖中可以看出，比貫入阻力與土層的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，各段的曲線能夠較好地反映土層的力學(xué)性質(zhì)，在①-1雜填土層，由于土層成份不均，含有磚塊、碎石等硬質(zhì)顆粒組成，因此其數(shù)據(jù)曲線起伏變化較大，而③-1黏土、③-4淤泥質(zhì)黏土為第四系新近沉積土， 土質(zhì)均勻，因此比貫入阻力曲線起伏變化不明顯，且逐漸增加，而③-5粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層、④-1粉砂、④-2粉細(xì)砂層，由于土質(zhì)不均，含有夾層或互層等因素，造成比貫入阻力曲線起伏劇烈，但總體上來說，對各層的比貫入阻力進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)值統(tǒng)計，可以看出，比貫入阻力逐漸增加，如表1。

圖3 典型靜力觸探比貫入阻力實測曲線與鉆探分層對比

表1 靜力觸探試驗各層土比貫入阻力統(tǒng)計

圖4為場區(qū)扁鏟側(cè)脹試驗實測曲線，從圖中可以看出，A值、B值、C值隨著深度的增加而逐漸增加，而B值與A值的差值與土性有關(guān)， 黏性土差值較小，而砂土的差值較大，且隨著深度的增加差值逐漸加大。

圖4 典型靜力觸探比貫入阻力實測曲線與鉆探分層對比

圖5為扁鏟側(cè)脹試驗各指標(biāo)參數(shù)曲線，從圖中可以看出， 扁鏟側(cè)脹試驗只需要測試A值、B值、C值，即可以通過理論或經(jīng)驗公式計算出土體的土類指標(biāo)、水平應(yīng)力指數(shù)、靜止側(cè)壓力系數(shù)、不排水剪切強(qiáng)度、側(cè)脹模量、壓縮模量及側(cè)向反力基床系數(shù)，獲取的物理力學(xué)參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜力觸探試驗。 從圖中可以看出，根據(jù)土類指數(shù)能夠準(zhǔn)確劃分土層，在12m深度處的黏性土與砂土的分界面處， 曲線變化明顯，而水平應(yīng)力指數(shù)曲線與靜止側(cè)壓力系數(shù)曲線變化趨勢相似，且可以看出水平應(yīng)力指數(shù)是靜止側(cè)壓力系數(shù)在一定程度上的放大，這是由于扁鏟側(cè)脹試驗的鏟形結(jié)構(gòu)特征引起的結(jié)果。 不排水剪切強(qiáng)度、側(cè)脹模量、壓縮模量以及側(cè)向反力基床系數(shù)隨著深度的增加而增加。

圖5 扁鏟側(cè)脹試驗各參數(shù)指標(biāo)曲線

3.2 參數(shù)相關(guān)關(guān)系分析

圖6為各類土的比貫入阻力與壓縮模量關(guān)系曲線，從圖中可以看出，對于黏性土、粉土、砂土的壓縮模量皆可以用比貫入阻力的冪指數(shù)關(guān)系進(jìn)行表達(dá)，如方程（1）～（3）：

圖6 壓縮模量與比貫入阻力關(guān)系曲線

圖7為扁鏟側(cè)脹試驗與靜力觸探試驗壓縮模量與土類指數(shù)的關(guān)系對比，從圖中可以看出，對于黏性土（土類指數(shù)ID≤0.6），扁鏟側(cè)脹試驗與靜力觸探試驗壓縮模量值較為集中， 且數(shù)值相近， 而對于粉土（0.6＜土類指數(shù)ID≤1.8），隨著土類指數(shù)的增加，扁鏟側(cè)脹試驗獲取的壓縮模量逐漸偏離靜力觸探試驗獲取的壓縮模量范圍界限（圖中實線），且數(shù)值偏大，而對于砂土（1.8＜土類指數(shù)ID），扁鏟側(cè)脹試驗與靜力觸探試驗獲取的壓縮模量離散型較大。

圖7 扁鏟側(cè)脹與靜力觸探試驗壓縮模量對比

圖8為土類指數(shù)小于0.6時的不排水剪切抗剪強(qiáng)度對比， 從圖中可以看出靜力觸探獲取的土體不排水抗剪強(qiáng)度普遍比扁鏟側(cè)脹試驗大， 而對于土類指數(shù)大于0.6的土體，規(guī)律不明顯，此處不再贅述。 因此，對于黏性土的抗剪強(qiáng)度值選取和分析過程中，應(yīng)特別注意區(qū)分不同測試方法造成參數(shù)的不同。

圖8 扁鏟側(cè)脹與靜力觸探試驗不排水剪強(qiáng)度對比

4 結(jié)語

（1）扁鏟側(cè)脹試驗僅需測試3個參數(shù)，即可通過經(jīng)驗公式計算土體的土類指標(biāo)、水平應(yīng)力指數(shù)、靜止側(cè)壓力系數(shù)、不排水剪切強(qiáng)度、側(cè)脹模量、壓縮模量以及側(cè)向反力基床系數(shù)， 可以獲取較多的土體側(cè)向物理力學(xué)參數(shù)。

（2）不同性質(zhì)土層壓縮模量皆可用比貫入阻力的冪指數(shù)關(guān)系進(jìn)行表達(dá)，具體如公式方程（1）～（3）所示。

（3）對于不同性質(zhì)的土層，扁鏟側(cè)脹試驗與靜力觸探試驗獲取的壓縮模量之間的差異明顯， 隨著土類指數(shù)ID的增加，兩者的數(shù)值由相近變?yōu)橹饾u偏離，最后變?yōu)闊o明顯規(guī)律。

（4）對于黏性土，靜力觸探試驗獲取的不排水抗剪強(qiáng)度普遍比扁鏟側(cè)脹試驗大， 而對于土類指數(shù)大于0.6的土體，規(guī)律不明顯。