靜力觸探和十字板剪切試驗在巖土工程中的應用

■莫茗鈞

（廣東省有色金屬地質局九三五隊 廣東 惠州516001）

靜力觸探和十字板剪切試驗在巖土工程中的應用

■莫茗鈞

（廣東省有色金屬地質局九三五隊 廣東 惠州516001）

巖土工程勘察需要通過現場原位試驗來獲取相關數據進行工程場地的可行性分析，常見原位試驗包括靜力觸探試驗和十字板剪切試驗。十字板剪切主要測定軟粘土的抗剪強度、地基承載力，判斷軟土固結程度、靈敏度、計算地基穩定性等方面有很好的效果；靜力觸探用于土類判別和力學分層、估算單樁承載力。本文在介紹兩種原位試驗的基礎上結合工程實例對其在工程中的應用展開論述。

靜力觸探；十字板剪切；比貫入阻力；不排水抗剪強度；靈敏度

0 引言

最新版的巖土工程勘察規范將e不小于1，w大于IL的土定義為軟土，其種類有淤泥、淤泥質土等。軟土是一種特殊的土，沉積物在靜水或流速緩慢的水環境中具有觸變性、流變性、壓縮性高、強度低、滲透率低等工程危險性大的非均質性特征，往往會引起地基失效，大的沉降和邊坡失穩，需引起高度重視。

十字板剪切試驗通常被用來測定飽和軟粘性土的抗剪強度和殘余抗剪強度，判斷軟土固結程度、靈敏度、計算地基穩定性，靜力觸探則用于土類判別和力學分層、估算單樁承載力，這兩種方法經驗較多，理論較完善，數據可靠。

1 靜力觸探在巖土工程中的應用

1.1 靜力觸探應用分析

靜力觸探成果已廣泛應用于工程地質評價，如土壤類型判別和分層，對土壤、摩擦角和砂土相對密度的評價，不排水抗剪強度評價、壓縮模量和變形模量E0，確定土壤的承載能力，均得到了令人滿意的結果。在樁基礎的調查中，單樁的豎向承載力和樁受到的阻力可以根據樁的類型（如摩擦端承樁、端承樁等）進行估計。

1.1.1 確定土體特征和微地貌單元

地貌單元的劃分和判斷是根據地層結構分布特點和地貌形態及地形標高等因素。反之，查明了地層結構分布特點就可以判斷河流階地類型，進而幫助評價場地的工程地質條件。

圖1是某市區河漫灘和河流一、二級階地的土層靜力觸探ps值曲線圖，所反映的地層結構是內疊階地。根據曲線反映的土層剖面，地基靜力觸探ps值曲線反映的地層剖面則是河流上疊階地的地層結構，上部是全新統土層，其下為更新統地層。

圖1 某市漫灘及河流一、二級階地土層靜力觸探ps值曲線圖

1.1.2 確定泥質軟巖的中風化帶界線

我國廣泛分布中、新生代的紅色泥質砂巖，由于其厚度巨大，埋藏較淺，常常是重大工程的樁基持力層。例如某市紅色泥質砂巖埋深一般15～25m，中厚-巨厚層狀，泥質膠結，是該市高層建筑及市政橋梁樁基持力層。紅色泥質巖由于強度低，各風化帶的界線不明顯，往往給(中)風化帶的劃分帶來困難。由于地質、施工和監理對中風化帶(設計的持力層)的劃分難以把握，致使到新鮮巖的情況下還在向下開挖，只有確定樁端持力層的標高，才能避免了成本的增加。

風化巖常含有風化帶，有時是很難被穿透，比較軟巖中的靜力觸探曲線，亦發現一般只有在風化帶以上約1m，顯示一個隨著地形變化的疏緩波狀的曲面。由于其滲透曲線的取值是連續的，在綜合評判中比較容易確定。因此，在泥漿中的風化帶的界面是由鉆井確定的，這是很好的驗證。雖然這可能是一個少數的例外，但在實際工程中，這種解決問題的思路是有用的。此外，根據靜態滲透曲線的值以及滲透阻力，確定邊坡滑動界面是一個更可靠的方法，在調查和評估的土體滑坡中取得了令人滿意的結果，。

2 十字板剪切試驗在軟土地基中的應用

2.1 機理分析

十字剪切試驗是對鉆孔中的軟粘土進行的抗剪強度試驗。測得的剪切強度等于不排水剪切強度和殘余抗剪強度，同時也可以當作無側限抗壓強度的1/2。

十字板剪切裝置由兩個相互垂直的軸結構組成，高強度且薄的金屬板焊接在軸端上。當使用十字板插入到土壤中，施加扭矩在軸上，在土壤中的葉片旋轉，形成一個圓柱形的剪切面，由設備上的量力裝置測量最大扭矩，從而測出剪切強度。

設十字板所測定的土的抗剪強度為sv，則有：

2.2 工程實例

2.2.1 概述

某市一地區原為湖泊水域，廣泛分布湖泊相厚層淤泥及淤泥質粘土等軟土，平均厚度為8～15m，最深達到20m，低承載力(30～60kPa)、高壓縮性，對市政道路排水工程、建筑工程的地基穩定性及沉降有很大影響。

上層淤泥及下層淤泥質粘土的性質見表1。

表1 土的主要物理、力學指標統計

2.2.2 地基承載力計算

式中，fa為地基承載力特征值，按抗剪強度確定；Mb、Md、Mc為各項承載力參數，查規范中的表5.2.5可得；b為基礎底面寬度，大于6m時取6m，砂土時若小于3m則取3m；Ck為粘聚力標準值；γ為天然重度，地下水位以下要減去地下水的重度；γm為基礎底面以上土的加權平均重度。

從而可以算出該工程中 (2-1)淤泥 fa=3.14Cu=3.14× 11.9=37.3kPa，(2-2)淤泥質粘土fa=3.14Cu=3.14×24.2=76kPa。依據當地工程經驗所記錄的含水量、比貫入阻力可以查得承載力特征值誤差不是很大，(2-1)層淤泥的承載力特征值小于40kPa，(2-2)層淤泥質粘土的承載力特征值在60kPa左右。十字板剪切試驗得出的地基承載力和當地工程經驗估算的結果是一致的。

2.2.3 應力歷史的推算

對比兩種勘察現場試驗得出的各項參數，結合不同思路求出超固結比。

1）土工試驗法，(2-1)層淤泥超固結比0.85～0.93，平均值0.91；(2-2)層淤泥質粘土的超固結比0.30～0.99，平均值0.74。超固結比均小于1。

2）十字板剪切試驗法，由公式

可以得出(2-1)層淤泥為0.55～1.16，平均值0.85；(2-2)層淤泥質粘土為0.39～1.05，平均值0.62。除了部分點超過1，大多數的測試點超固結比都小于1。

巖土工程試驗和現場試驗結果表明，該地區軟土處于固結狀態，在重力作用下尚未完成沉降。在自重或土樁的情況下，沉降將繼續，樁體將形成一個負摩阻力，這將降低樁基礎的承載力。設計和施工需要考慮其帶來的不利影響。

2.2.4 靈敏度

軟土的敏感度可以表示軟土土體原始結構被破壞后強度的降低情況：St=Su/S'u，式中，St為靈敏度；Su為原狀土的抗剪強度，kPa；S'u為擾動土的抗剪強度，kPa。

兩種現場試驗分別得出靈敏度，其結果如下表2中所示。

從表2中可以看出以下幾點：

表2 軟土靈敏度統計

1）該地區軟土的敏感性為4以上，屬于敏感中等偏上的粘土部分表現出不靈敏或極靈敏。最大靈敏度為12，這表明，當地的軟土的結構是非常強的，土壤受到干擾后強度的變化會很小。

2）土工試驗獲得的軟土的敏感性明顯低于十字板試驗（2-3），淤泥質粘土的差異幾乎為1倍。

3）土工試驗得出的（2-1）靈敏度淤泥高于（2-3）淤泥質粘土，這和十字板試驗結果正好相反。

靈敏度反映了粘性土的結構，中度敏感和敏感的土壤的結構強度稍強，也就是說，由于一些粘性土的強度損失是非常快，現場十字板剪切試驗可以減少土壤樣品擾動的影響，方法簡單、快速。可以認為，十字板的試驗結果可以更準確地反映實際情況。因此，在求軟土靈敏度的方法中，應首推野外十字板現場剪切試驗。

3 結語

十字板試驗和靜力觸探是原位測試中常見的兩種手段，尤其適用于抗剪強度和殘余承載力的測定，可用于軟土的固結度的計算、軟土工程地基穩定性評價、靈敏度分析。此外這兩種方法的經驗豐富，理論完善，數據可靠，可用于軟土地基勘察。由于巖土工程在工程中的靈活性，我們還需要積累工程實踐經驗，保證地質參數的精確，確保勘察結果的可靠度。

[1]常示驃,張蘇民《.巖土工程手冊》 （第四版）.北京：中國建筑工業出版社，2007 (2).

[2]《巖土工程勘察規范》.GB50021-2001（2009版）.

[3]高大釗等.軟土地基理論與實踐 [M].北京:中國建筑工業出版社,1992.

TU[文獻碼]B

1000-405X（2016）-12-453-2