郭 霞，萬進東

(核工業(yè)湖州工程勘察院有限公司，浙江 湖州 313000)

0 引言

近年來，隨著原位測試技術的發(fā)展，各式各樣的測試方法不斷被應用于工程實踐中，扁鏟側脹試驗方法作為一種快速、經濟、準確、理論成熟、能提供近連續(xù)剖面和不受測試人員熟練程度影響的測試方法，在全球40余個國家得到成熟應用，被美國ASTM 6635通用標準[1]、歐洲規(guī)范EUROPE CODE收錄，同時也寫入了我國國家規(guī)范《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021-2001)[2]、行業(yè)標準《鐵路工程地質原位測試規(guī)程》(TB10018-2018)[3]。

大量的研究表明，在貫入類原位測試方法中，相比于靜力觸探錐形探頭、十字板剪切試驗十字板型探頭和旁壓試驗的圓形探頭，扁鏟側脹試驗的楔形探頭在貫入過程中能將土體的擾動程度降低至最低[4-5]。Davidson和Boghrat(1983)使用立體攝影技術觀測了靜力觸探圓錐體尖端和扁鏟側脹楔形探頭在砂中產生的應變，結果發(fā)現(xiàn)圓錐體周圍的砂土應變要高得多[6]。Baligh & Scott(1975)比較了靜力觸探圓錐體尖端和扁鏟側脹楔形端在黏土中引起的變形[7]，變形網格表明，相對于圓錐體尖端而言，扁鏟側脹楔形探頭引起的變形要小得多。軟土地層作為特殊工程性質的巖土，具有強度低、流變性、靈敏性、觸變性、難于取樣和室內試驗等特點，土層原始結構狀態(tài)極易受到貫入設備的擾動，獲取其原位強度和剛度參數等十分困難，因此，選取扁鏟側脹試驗對軟土進行力學測試具有明顯優(yōu)勢。

其次，扁鏟側脹試驗的測試土層范圍十分廣泛，可測試土層的不排水抗剪強度范圍為2～1000 kPa，側限壓縮模量范圍為0.40～400 MPa，對于流塑狀態(tài)下的軟弱土層，能獲取精度高的物理力學參數，是其他原位測試方法無法比擬的[8-12]。

其三，扁鏟側脹試驗僅通過測試指定位移1.10 mm和0.05 mm位置處的壓力值，即可以獲取大量物理力學參數，諸如土體的不排水抗剪強度、超固結比、靜止側壓力系數、側限壓縮模量等，由于扁鏟側脹是旁壓試驗之外，少有的能提供橫向測試的原位技術，它對土體的原位水平應力變化具有很高的靈敏度，研究表明扁鏟側脹試驗側限模量MDMT和側脹水平應力指數Kd對土體的靈敏度是靜力觸探參數錐尖阻力qc的8～12倍，因此，扁鏟側脹試驗可以提供靜力觸探試驗和標貫試驗等豎向測試方法無法提供的土體應力歷史參數[13-15]。

眾多的國內學者也對扁鏟側脹試驗的方法理論和工程應用展開了大量研究，任建興[16]對扁鏟側脹探頭的貫入和膨脹過程進行離散元分析，觀測土體的水平應力變化和變形規(guī)律；唐飛躍[17]通過武漢地區(qū)多個工程的扁鏟側脹測試數據進行統(tǒng)計分析，建立了地域性的材料指數劃分巖土類別經驗公式；曾小紅[18]介紹了地震扁鏟側脹試驗應用于巖土工程勘察實例，測試成果與靜力觸探試驗進行比較；任士房[19]等基于圓形彈性薄板模型，采用理論計算方法對土體的側向基床系數進行求解。

然而，國內外的研究主要在普通黏性土或者砂土中進行測試，采用的研究手段為數值模擬、理論推導或者與其他原位試驗進行對比，對軟土這類特殊性的黏性土，采用扁鏟側脹進行原位測試并系統(tǒng)分析和總結經驗的報道較少，在工程實踐上仍需要大量的研究以揭示其工程性質。

本文通過對湖州市內環(huán)快速路北線(二環(huán)北路)快速化改造工程東段的軟土進行扁鏟側脹試驗數據采集，分析材料指數、側脹水平應力指數、側脹模量和側脹孔壓指數的變化規(guī)律，并在此基礎上進一步計算分析軟土的重度與類別、靜止側壓力系數、不排水抗剪強度、側限壓縮模量和超固結比，以評價軟土的工程性質。

1 工程概況及場區(qū)軟土地質特征

湖州市內環(huán)快速路北線(二環(huán)北路)快速化改造工程東段(西塞山路—體育場路)起于鳳凰開發(fā)區(qū)巴黎春天住宅小區(qū)，以高架方式沿二環(huán)西路至蘇家莊設蘇家莊互通，跨輕紡路，轉為隧道向東，下穿龍溪北路、青銅路；轉為高架沿二環(huán)北路向東，跨機房港；東段西起機坊港，跨四中路、二環(huán)東路至三環(huán)東路。線路全長約9.23 km。其中地下段全長約1.265 km，高架段全長7.965 km。測試場區(qū)為西塞山路—體育場路段的路基、高架、蘇家莊互通及隧道。其中路基主要有三段，起止里程分別為K0+400～K0+180、K1+440～K1+640、K2+880～K3+360；路基設計寬度60 m，雙向12車道，隧道設計車行斷面為雙向六車道，起點為輕紡路與二環(huán)北路交叉路口，向東至青塘小區(qū)北側，起止里程為K1+640～K2+880；高架主要為蘇家莊互通改擴建部分，主線為陵陽路及杭長橋北路高架，增設A、B、C、D、F匝道。擬建場地地貌類型屬杭嘉湖沖、湖積平原，地貌類型單一，地勢平坦，沿線地面高程一般在3.30～5.60 m之間，沿線表部為厚度巨大的第四系覆蓋，上部為全新世中期及早期的河湖相沉積及海相沉積，以黏性土為主；中部為晚更新世晚期河湖相、沖海積相及湖海相沉積，以黏性土和砂性土為主；下部為晚更新世早期河湖相、沖海積相，以黏性土和砂性土為主。場區(qū)上覆軟土主要如下：

②1淤泥，灰黃色，灰褐色，流塑，質較均，有腥臭味，夾薄層狀粉砂，分布不均，局部富集貝殼碎屑，取芯較為困難，該層勘區(qū)上部分布較為普遍，分布連續(xù)，厚薄不均。埋置深度0～9 m。平均標準貫入擊數N=2(1～4)擊。

②2淤泥，深灰色，流塑，大部分質均，夾薄層狀細砂，分布不均，局部富集貝殼碎屑，多顯水平層理，有腥臭味，該層勘區(qū)分布較為普遍；厚度較均，埋置深度10～17 m。平均標準貫入擊數N=4(1～5)擊。

②2-1淤泥質粉質黏土，深灰色，流塑，質不均，分布連續(xù)；厚度較均，埋置深度15～25 m。平均標準貫入擊數N=7(3～10)擊。

2 測試數據分析

圖1為現(xiàn)場測試膜片向土中膨脹前的接觸壓力p0、膜片膨脹至1.10 mm時壓力p1、膜片回到0.05 mm時的終止壓力p2隨深度的變化關系。由圖1可見，深度的增加，p0、p1、p2逐漸增加，表明土層埋深越大，在指定相同位移變化條件下，所需的壓力越大，換言之，土的剛度隨著深度的增加而增加。與鉆探揭示地層比較，在深度0～8 m范圍內為 ②1淤泥、8～16 m為 ②2淤泥、16～25 m為 ②2-1淤泥質粉質黏土，p0、p1、p2在各地層范圍內可以明顯劃分出不同斜率的直線，如圖1中的實斜線，表明各壓力值對軟土地層具有明顯的分辨能力。比較p0、p2值可知，p2值比p0值大，表明軟土發(fā)生了一定的塑性變形。

圖2為p2值、上覆水土總應力、有效土壓力、超孔隙水壓力隨深度變化的關系曲線。由圖2可見，②1淤泥和 ②2淤泥的超孔隙水壓力較大，而 ②2-1淤泥質粉質黏土層的超孔隙水壓力較小。一般來說，對砂層土，p2值與土中靜水壓力相近，而對于黏性土來說，由于膜片在膨脹過程中，黏性土具有一定的塑性變形能力，對于流態(tài)的軟土而言，其塑性變形能力則更加明顯，因此，測試出的p2值包含了土壓力和水壓力，不能夠反映土中水壓力或超空隙水壓力的變化。

圖1 測試壓力隨深度變化關系Fig.1 Relationship between test pressure and depth

圖2 水土應力值隨深度變化關系Fig.2 Relationship between soil & water stress and depth

3 軟土工程特性評價

3.1 土體的重度與類別

Marchetti (1980)[20]在研究p0、p1、p2參數過程中發(fā)現(xiàn)，在不同的土層中，土層越“硬”，p1值與p0值的差值越大，土層越“軟”，則差值越小。因此，提出利用材料指數Id劃分土層類別的方法，劃分細則見表1。

表1 利用材料指數劃分土層類別Table 1 Classification of soil layer by material index

圖3為利用扁鏟側脹對測試土層的分類劃分結果。由圖3可見，利用材料指數對土層劃分效果較好，能夠反映土層的力學性能，對于深度0～8 m范圍內 ②1淤泥、8～16 m ②2淤泥其材料指數基本上落在0.1～0.35范圍內，而對于16～25 m ②2-1淤泥質粉質黏土層，其材料指數范圍有一定的起伏變化，但基本在0.30～0.65之間，變化的原因與土的軟硬程度有關。

進一步地，Marchetti和Crapps(1981)提出利用土層的材料指數和側脹模量進行推算土體重度的圖表法(圖4)。由圖4可見，對于扁鏟側脹模量Ed<12 MPa的軟土而言，其重度為恒定值15 kN/m3。對場區(qū)內724個軟土樣本進行室內試驗重度測試，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，其重度平均值在16 kN/m3(圖5)。因此，在軟土地層中，利用材料指數進行計算土層重度時，有必要參考室內試驗測試結果，而圖4中的重度值，并非扁鏟側脹試驗直接測試值而是換算值，導致其值偏小，應用時可在圖4的基礎上加1 kN/m3。

圖3 利用材料指數劃分土層結果Fig.3 Result of soil layer classification by material index

圖4 土層的重度確定及土類名稱確定Fig.4 Determination of soil layer unite weight and soil type

圖5 室內試驗測試的土層重度分布Fig.5 Distribution of soil layer unit weight in laboratory test

3.2 靜止側壓力系數

在扁鏟側脹試驗中，楔形探頭的貫入對土層的擾動較小，且圓形鋼薄膜的橫向膨脹最大值為1.1 mm，因此在小應變條件下，對土層的原狀結構性反應靈敏，在軟黏土中能夠獲得精確的側脹水平應力指數，并依據Lunne(1989)提出的計算方法，由公式(1)可計算得到土體的靜止側壓力系數。

(1)

式中，k0為靜止側壓力系數，Kd為扁鏟側脹水平應力指數。

根據實際測試側脹水平應力指數結果(圖6)，可以得到內 ②1淤泥、②2淤泥、②2-1淤泥質粉質黏土層的靜止側壓力系數土(圖7)。由圖7可見，盡管都是淤泥，②1淤泥與 ②2淤泥由于埋藏深度和土層天然應力狀態(tài)不一樣，其靜止側壓力系數結果也不相同，②1淤泥的靜止側壓力系數范圍為0.75～1.0，②2淤泥與 ②2-1淤泥質粉質黏土層的靜止側壓力系數相近，范圍為0.48～0.78。

圖6 側脹水平應力指數Kd隨深度變化曲線Fig.6 Variation curve of lateral expansion horizontalstress index Kdwith depth

圖7 各土層的靜止側壓力系數k0Fig.7 Static lateral pressure coefficient k0 of each soil layer

3.3 不排水抗剪強度

圖8為側脹孔壓指數隨深度變化曲線。由圖8可見，Ud大于0，土體存在著超孔隙水壓力，由于軟土天然的飽和黏性土特性，獲取其不排水抗剪強度成為勘察中最為重要的工作內容。圖9為各層土的不排水抗剪強度與側脹水平應力指數關系，由圖9可見，②2-1淤泥質粉質黏土與 ②1淤泥與 ②1淤泥的不排水抗剪強度明顯分離，其數值范圍在50 kPa～100 kPa之間，而 ②1淤泥與 ②2淤泥的不排水抗剪強度范圍相互重疊，但總體而言，②2淤泥的不排水抗剪強度范圍在20 kPa～50 kPa之間，②1淤泥的不排水抗剪強度范圍在10 kPa～50 kPa之間。

圖8 側脹孔壓指數Ud隨深度變化曲線Fig.8 Variation curve of lateral expansion porepressure index Ud with depth

圖9 各土層的不排水抗剪強度CuFig.9 Undrained shear strength Cuof each soil layer

3.4 側限壓縮模量

側限壓縮模量MDMT是扁鏟側脹試驗中的一個重要參數，可直接應用于計算地基土的壓縮量和路基沉降。側限壓縮模量MDMT是一維豎向排水條件下的變形對有效上覆土壓力的切線模量，其計算方法可通過對扁鏟側脹模量Ed進行系數修正得到，見公式(2)：

MDMT=RMEd

(2)

式中，Ed為扁鏟側脹模量，RM為材料指數與側脹水平應力指數的函數，見公式(3)。

(3)

圖10為側脹模量隨深度變化曲線。將其按公式(2)換算為側限壓縮模量，并統(tǒng)計分析(圖11)。由圖11可見，②1淤泥、②2淤泥、②2-1淤泥質粉質黏土有67%的樣本數，其側限壓縮模量值相近，而剩余33%樣本中，②2淤泥、②1淤泥、②2-1淤泥質粉質黏土的側限壓縮模量依次增大。

3.5 超固結比

扁鏟側脹水平應力指數Kd與土的超固結比OCR之間存在著良好的相關關系被眾多的學者所證實。Marchetti(1980)最早推算出了未固結黏性土的側脹水平應力指數與超固結比的指數關系，見公式(4)。

(4)

1995年，Kamei 和 Iwasaki依據大量的Kd和 OCR的數據對公式(4)進行修正，修正后的關系式見公式(5)：

(5)

圖10 側脹模量Ed隨深度變化曲線Fig.10 Variation curve of lateral expansionmodulus Edwith depth

圖11 各土層的側限壓縮模量MDMTFig.11 Lateral-confined compression modulusMDMT of each soil layer

圖12為根據式(4)、式(5)計算的土層超固結比隨深度的變化情況，由圖12可見，在0～12 m深度范圍內，土層的超固結比離散型較大，但其超固結比OCR=2～3，可以判斷該范圍內軟土為超固結土，而在12 m以下土層，超固結比OCR約為1，因此可以判斷該段范圍內軟土為正常固結土。對于軟土層，不同公式計算的較為接近，表明對于軟土而言，采用側脹水平應力指數的指數關系式對超固結比的計算結果影響較小，換言之，側脹水平應力指數是反映土層超固結比的穩(wěn)定指標，依賴側脹水平應力指數可獲得較為精確的超固結比。

圖12 不同深度處土層的超固結比Fig.12 Over consolidation ratio of soil layer atdifferent depths

4 結論

依托湖州市內環(huán)快速路北線(二環(huán)北路)快速化改造工程東段工程扁鏟側脹試驗，針對場區(qū) ②1淤泥、②2淤泥、②2-1淤泥質粉質黏土進行工程特性評價，得出以下結論：

1)隨著深度的增加，p0、p1、p2逐漸增加，p0、p1、p2在各地層范圍內可以明顯劃分出不同斜率的直線，表明各壓力值對軟土地層具有明顯的分辨能力。

2)材料指數能準確地對各個軟土層進行類別劃分，而圖表法提供的重度值偏小，對于側脹模量Ed<12 MPa的土層，其重度可取為16 kN/m3。

3)利用扁鏟側脹水平應力指數能計算和分辨出不同土層的靜止側壓力系數、不排水抗剪強度和側限壓縮模量。

4)側脹水平應力指數是反映土層超固結比的穩(wěn)定指標，依賴側脹水平應力指數可獲得較為精確的超固結比。