廣州市某軌道線淤泥軟土物理力學(xué)指標(biāo)選取試驗研究

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、十字板剪切試驗、三橋靜力觸探試驗和旁壓試驗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

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。基于此，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)試驗和現(xiàn)場進(jìn)行的十字板剪切試驗、靜力觸探試驗和旁壓試驗，綜合研究了其物理力學(xué)指標(biāo)，為設(shè)計提供了巖土參數(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 試驗部分

2.1 土樣選取與試驗方法

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、十字板剪切試驗以及三橋靜力觸探試驗、旁壓試驗。在軌道線工程南延段蕉門至沖尾段共布置10個鉆孔，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，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。

2.2 室內(nèi)試驗

室內(nèi)試驗結(jié)果見表1。

從表1和其他室內(nèi)試驗結(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)計參數(shù)時可直接選用綜合統(tǒng)計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)計時應(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)計時，應(yīng)選用按高程統(tǒng)計的數(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

十字板剪切試驗的結(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，僅個別點原狀土強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其它點強(qiáng)度，結(jié)合鉆孔資料判斷，是由于個別點位置夾粉細(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

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，在靜力觸探試驗中的力學(xué)指標(biāo)偏高也再次說明了這個問題。

2.5 旁壓試驗

本次旁壓試驗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，旁壓試驗引入國內(nèi)的時間不長，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道。將旁壓試驗的結(jié)果應(yīng)用于工程中，還需對比其它原位試驗和室內(nèi)土工試驗。

表3 不同土層及軟土不同高程靜探統(tǒng)計指標(biāo)

試驗設(shè)計兩個鉆孔12個測點。從試驗結(jié)果看，其中9個測點數(shù)據(jù)比較理想，3個測點(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，故未提供試驗結(jié)果。由旁壓試驗所得的力學(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))不能通過原位試驗直接測得，因此，其指標(biāo)應(yīng)選用由室內(nèi)試驗方法獲得的指標(biāo)。原位試驗測得的應(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，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，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)試驗和靜力觸探得到，室內(nèi)試驗與原位測試可以相互驗證。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

土的不排水剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)可以通過室內(nèi)試驗剪切指標(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直接得到，一般認(rèn)為，十字板剪切試驗是在現(xiàn)場進(jìn)行，試驗點保持天然狀態(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)時應(yīng)注意對比深度。一般情況，由十字板剪切試驗確定的抗剪強(qiáng)度比室內(nèi)試驗計算的結(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)行計算，宜選用室內(nèi)試驗測得的壓縮模量。由室內(nèi)試驗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，十字板剪切試驗是在原位測得的，因此比室內(nèi)試驗有更好的代表性，因此，選擇了十字板剪切試驗的靈敏度為推薦值。

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、十字板剪切試驗以及三橋靜力觸探試驗、旁壓試驗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)試驗和靜力觸探得到，室內(nèi)試驗與原位測試可以相互驗證;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、三軸不固結(jié)不排水剪試驗以及室內(nèi)無側(cè)限抗壓試驗獲得，另外也可通過十字板剪切試驗獲得，十字板剪切試驗確定的抗剪強(qiáng)度比室內(nèi)試驗計算的結(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算公式，其值需要綜合確定;由室內(nèi)試驗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，更能代表土體真實的滲透情況;十字板剪切試驗所測靈敏度是在原位測得，因此比室內(nèi)試驗有更好的代表性。

[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，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(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)