陸 順

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

0 引言

上海地處我國(guó)長(zhǎng)三角地區(qū)，獨(dú)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(dá)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(lèi)型以海相、河湖相沉積為主，土性差異較大，準(zhǔn)確分類(lèi)成為工程勘察的難點(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)，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(duì)于工程結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)軟土固結(jié)狀態(tài)、結(jié)構(gòu)性和變形強(qiáng)度特性的兩個(gè)重要參數(shù)，其獲取方法的正確性和結(jié)果的準(zhǔn)確性對(duì)工程勘察而言具有一定的難度[8]。一般而言，確定這兩個(gè)參數(shù)的方法主要有室內(nèi)試驗(yàn)方法和原位測(cè)試方法。高彥斌[9]指出，室內(nèi)試驗(yàn)方法的優(yōu)勢(shì)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(duì)試樣進(jìn)行擾動(dòng)，特別是對(duì)于淤泥、淤泥質(zhì)土等軟黏土取樣困難。冷 建[10]研究表明，對(duì)于軟黏土需耗費(fèi)大量的經(jīng)費(fèi)和時(shí)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(dòng)后其結(jié)構(gòu)性喪失，使得測(cè)試的超固結(jié)比和強(qiáng)度、變形參數(shù)與實(shí)際偏離較大?？讐红o力觸探和扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)作為最主要的兩種原位測(cè)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(jìn)行測(cè)試，且測(cè)試變形微小，保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性，唐飛躍[14]指出，這兩種原位測(cè)試兼具有勘探和測(cè)試的功能，在土層分類(lèi)上具有明顯優(yōu)勢(shì)，高彥斌等[15]認(rèn)為上海地區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)主要依賴壓縮試驗(yàn)測(cè)試軟黏土的超固結(jié)比和壓縮模量，試驗(yàn)結(jié)果存在較大爭(zhēng)議，有必要開(kāi)展原位試驗(yàn)方法對(duì)上海地區(qū)軟黏土的超固結(jié)比、壓縮模量進(jìn)行系統(tǒng)性研究。

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

1 工程概況

上海軌道交通市域線機(jī)場(chǎng)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(chē)場(chǎng)引出，經(jīng)三林、康橋、迪士尼至浦東機(jī)場(chǎng)，出浦東機(jī)場(chǎng)后接入滬通Ⅱ期上海東站西側(cè)的機(jī)場(chǎng)快線車(chē)場(chǎng)。線路全長(zhǎng)約68.13 km，設(shè)站共8 個(gè)，平均站間距離為9.73 km。此外，建設(shè)兩個(gè)聯(lián)絡(luò)支線和兩個(gè)動(dòng)走線，用于連接上海南站、滬杭鐵路及機(jī)場(chǎng)快線動(dòng)車(chē)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(yàn)土層具有區(qū)域代表性。

圖1 上海軌道交通市域線機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線工程線路圖

2 工程地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)地質(zhì)鉆探揭示表明（最大鉆探深度為115.0 m），場(chǎng)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(lèi)型及工程性質(zhì)特征自上至下劃分為9 個(gè)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(yàn)獲得的場(chǎng)區(qū)各地層物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 場(chǎng)區(qū)各地層物理力學(xué)參數(shù)

3 現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試成果

3.1 孔壓靜力觸探試驗(yàn)

1954 年，我國(guó)從荷蘭首次引進(jìn)靜力觸探試驗(yàn)（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(guó)使用的探頭規(guī)格與國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)差異較大，主要使用的探頭類(lèi)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(cè)式孔壓靜力觸探設(shè)備（CPTU），使得測(cè)試時(shí)可以獲得土體的孔隙水壓力，大大擴(kuò)展了靜力觸探應(yīng)用范圍和提供了更多的土體評(píng)價(jià)指標(biāo)，比如孔隙壓力參數(shù)比Bq、經(jīng)過(guò)孔壓修正的錐尖阻力qT等。

本項(xiàng)目試驗(yàn)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(cè)試錐尖阻力、孔隙水壓力和摩阻力?，F(xiàn)場(chǎng)布置孔壓靜力觸探試驗(yàn)測(cè)試孔共91 個(gè)，測(cè)試延米為5292.5 m。場(chǎng)區(qū)典型的孔壓靜力觸探實(shí)測(cè)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(chǎng)區(qū)典型孔壓靜力觸探試驗(yàn)測(cè)試成果曲線

對(duì)場(chǎng)區(qū)所有孔壓靜力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得各層土的孔壓靜力觸探試驗(yàn)參數(shù)平均值如表2 所示。

表2 場(chǎng)區(qū)各土層孔壓靜力觸探試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)

3.2 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)最初由意大利學(xué)者M(jìn)archetti 于1974 年發(fā)明，它的探頭為一個(gè)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(cè)試時(shí)，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(shí)的壓力p0、膨脹至1.1 mm時(shí)的壓力p1，收縮至0.05 mm 時(shí)的終止壓力p2。進(jìn)而計(jì)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。現(xiàn)場(chǎng)布置扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)測(cè)試孔共19 個(gè)，測(cè)試延米802.8 m。場(chǎng)區(qū)典型的扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)成果曲線如圖3 所示。

圖3 場(chǎng)區(qū)典型扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)測(cè)試成果曲線

對(duì)場(chǎng)區(qū)所有扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得各層土的扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值如表3 所示。

表3 場(chǎng)區(qū)各地層物理力學(xué)參數(shù)

4 試驗(yàn)成果分析

4.1 土類(lèi)劃分

從前述可以看出，扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)和孔壓靜力觸探試驗(yàn)測(cè)試的土體類(lèi)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(duì)這些土層進(jìn)行原位測(cè)試方法的分類(lèi)存在較強(qiáng)的代表意義。

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》（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(lèi)圖表對(duì)場(chǎng)區(qū)的土層進(jìn)行劃分，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖中可以看出，對(duì)于③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④1淤泥質(zhì)黏土、⑤1黏土這類(lèi)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(lèi)

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(shí)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(duì)此劃分的結(jié)果與實(shí)際相符，而對(duì)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(lèi)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(duì)這類(lèi)“混合土”的劃分效果出現(xiàn)一定偏差；對(duì)比④2粉砂夾粉質(zhì)黏土、⑦2粉砂也可以看出類(lèi)似規(guī)律。

由于粉土是黏土與砂土之間的過(guò)渡土層，力學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)為黏性土與砂類(lèi)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(duì)于①1填土這類(lèi)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(wú)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(duì)土類(lèi)進(jìn)行劃分，兩個(gè)參數(shù)都為無(wú)量綱參數(shù)，同時(shí)考慮了孔壓靜力觸探參數(shù)中超孔隙水壓力的影響，兩個(gè)參數(shù)的具體計(jì)算公式參考《工程地質(zhì)手冊(cè)》（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(duì)于軟黏土而言，Robertson 歸一化具有良好的劃分效果；對(duì)于粉質(zhì)黏土而言，數(shù)據(jù)點(diǎn)主要分布在區(qū)域③-區(qū)域⑤，對(duì)夾薄層的粉質(zhì)黏土可以劃分出來(lái)，體現(xiàn)了土層的細(xì)節(jié)，類(lèi)似地，無(wú)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(duì)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(lèi)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(diǎn)落在了區(qū)域⑤中，再次證實(shí)了采用靜力觸探方法分離粉土土層存在一定的難度，事實(shí)上，靜力觸探在貫入過(guò)程中粉土可能出現(xiàn)的部分排水現(xiàn)象不僅對(duì)土體性質(zhì)的可靠評(píng)估具有重要意義，而且對(duì)分類(lèi)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(lèi)

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(lèi)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(yàn)測(cè)試從根本上摒棄了靜力觸探方法中的豎向測(cè)試，采用的“雙參數(shù)”測(cè)試指標(biāo)大大化簡(jiǎn)了由于理論推導(dǎo)和人為因素的影響，因此相對(duì)于靜力觸探試驗(yàn)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(chǎng)區(qū)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)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(yàn)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(duì)

Marchetti[17]提出扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)側(cè)脹水平應(yīng)力指數(shù)KD非常適合評(píng)價(jià)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(jì)算超固結(jié)比OCR，同時(shí)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的鏟形探頭相比于圓錐形靜力觸探探頭而言，對(duì)土體的擾動(dòng)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(duì)上海軟黏土而言，采用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)不僅克服了取樣和制備試樣困難的問(wèn)題，而且避免了其他原位測(cè)試探頭性狀對(duì)土體造成的“天然結(jié)構(gòu)的損傷”。場(chǎng)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(jì)場(chǎng)區(qū)的扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)計(jì)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(duì)上海地區(qū)主要的三種軟黏土的超固結(jié)比進(jìn)行分段擬合，得出經(jīng)驗(yàn)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(gè)場(chǎng)地的勘察數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出超固結(jié)比與深度關(guān)系曲線，如圖7 所示。表達(dá)式如下：

可以看出這個(gè)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(gè)場(chǎng)地的軟黏土進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，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(jì)中重要的輸入?yún)?shù)之一，是評(píng)價(jià)土層壓縮性和計(jì)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(yàn)（固結(jié)試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)）和原位測(cè)試方法（靜力觸探試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)等），一般來(lái)講，室內(nèi)試驗(yàn)需要通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)取樣器取樣至室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試完成的全過(guò)程擾動(dòng)，但是也需要付出高昂的取樣和測(cè)試成本，耗費(fèi)較多的人力和物力，而孔壓靜力觸探試驗(yàn)方法是在土體天然原位狀態(tài)下進(jìn)行的測(cè)試，獲取的壓縮模量能真實(shí)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(yàn)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(duì)工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)具有十分重要的意義。本文在室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)采用高質(zhì)量取樣設(shè)備對(duì)場(chǎng)區(qū)軟黏土層進(jìn)行取樣，同時(shí)在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)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(duì)樣品的擾動(dòng)，同時(shí)對(duì)場(chǎng)區(qū)內(nèi)91 個(gè)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(duì)應(yīng)關(guān)系，參數(shù)選取時(shí)，由于孔壓靜力觸探存在“超前滯后”效應(yīng)，同時(shí)孔壓靜力觸探具有高靈敏，每隔10 mm采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此，為避免土層分界面對(duì)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(cè)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(jìn)行表達(dá)，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(duì)上海軟黏土的的劃分效果較好，但對(duì)含有夾層、互層的“混合土”、成分雜亂的填土以及過(guò)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(yàn)分類(lèi)方法則能達(dá)到良好的分類(lèi)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(duì)上海地區(qū)主要的三種軟黏土的超固結(jié)比進(jìn)行分段擬合，得出經(jīng)驗(yàn)公式見(jiàn)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）。