十字板剪切試驗在軟土勘察中的應(yīng)用

高林，李亞軍

（1. 廣東佛山地質(zhì)工程勘察院，廣東 佛山528000；2. 廣東省佛山地質(zhì)局，廣東 佛山528000）

1 引言

根據(jù)JTG 3363—2019《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，軟土為濱海、湖沼、谷底、河灘等處天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪強度低的細(xì)粒土，其鑒別特征為：天然含水量≥35%或液限，天然孔隙比≥1.0，直剪內(nèi)摩擦角宜小于5°，十字板剪切強度＜35kPa，壓縮系數(shù)宜大于0.5MPa-1；根據(jù)《工程地質(zhì)手冊（第五版）》，軟土是指天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限、具有高壓縮性、低強度、高靈敏度、低透水性和高流變性，且在較大地震作用下可能出現(xiàn)震陷的細(xì)粒土。各規(guī)范、手冊和標(biāo)準(zhǔn)對軟土的表述雖不統(tǒng)一，但大體一致，都強調(diào)軟土包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭質(zhì)土等。軟土在我國分布尤為普遍，特別是湖南、江蘇及兩廣等東南地區(qū)最為常見。軟土因含水量大，天然孔隙大、壓縮系數(shù)比較小，承載能力較低，一般情況下需經(jīng)過地基處理后再作為建構(gòu)物的持力層。因此，在巖土工程勘察過程中，需重點查明軟土的分布情況及其承載能力。

在軟土地基的勘察中，多采用現(xiàn)場原位測試結(jié)合室內(nèi)試驗確定軟土的物理力學(xué)指標(biāo)和承載能力。由于飽和軟土一般情況下承載能力低、受荷易變性、靈敏度較高等特點，在取樣、運輸、切樣及試驗過程中，會受到不同程度的擾動，導(dǎo)致室內(nèi)試驗得到的物理力學(xué)參數(shù)失真。而現(xiàn)場原位測試則能避開軟土取樣、運輸、切樣等過程，極大地降低試驗操作過程對軟土造成的擾動，從而得到較為準(zhǔn)確的物理力學(xué)參數(shù)。十字板剪切試驗因其構(gòu)造簡單，操作方便，廣泛運用于軟土地基現(xiàn)場原位測試中。

2 工程概況

擬建截污管線主要沿村道（堤路）鋪設(shè)，擬主要采用明挖方法施工，管道埋深約1.2～3.0m，局部（過橋、河段）擬采用頂管法施工，管道埋深約6～8m。基礎(chǔ)擬采用天然地基基礎(chǔ)或復(fù)合地基基礎(chǔ)，管道采用DN400mm～DN500mm 的HDPE 中空壁塑鋼纏繞排水管，其他設(shè)計條件由設(shè)計確定。

3 地層巖性

經(jīng)鉆探揭露，在鉆探深度范圍內(nèi)，本場地地基土由第四系人工填土層（Qml）、第四系海陸交互相淤積層（Qal）組成。具體分層自下而上為：①人工填土：平均厚度2.71m；②淤泥、淤泥質(zhì)土：層厚1.00～20.20m；③淤質(zhì)粉砂：層厚0.50～12.70m。

4 工程應(yīng)用

4.1 土層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)巖土工程勘察報告及室內(nèi)土工試驗結(jié)果，將本次勘察范圍內(nèi)鉆孔揭露的軟土層物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計匯總?cè)绫? 所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計成果

4.2 十字板剪切試驗結(jié)果

對試驗資料進(jìn)行統(tǒng)計所得各土層現(xiàn)場十字板剪切試驗參數(shù)統(tǒng)計值供設(shè)計及地基處理參考，如表2 所示。

表2 現(xiàn)場十字板剪切試驗統(tǒng)計成果

共選定試驗孔3 個，試驗33 點次，原狀土抗剪強度、重塑土抗剪強度和靈敏度有效統(tǒng)計數(shù)據(jù)28 個，平均值分別為33.3kPa、11.3kPa、3.1。

4.3 強度修正

十字板剪切試驗長期強度約為峰值強度的60%～70%，所以，有必要在使用中對實測值進(jìn)行修正[1]。

依據(jù)《工程地質(zhì)手冊》（第五版）[2]推薦按式（1）進(jìn)行修正：

式中，Cu為不排水剪抗剪強度修正值，kPa；μ 為修正系數(shù)；Su為十字板剪切試驗不排水剪抗剪強度現(xiàn)場實測值，kPa。

修正系數(shù)的選取，僅介紹《工程地質(zhì)手冊》（第五版）推薦的2 種方法：

1）修正系數(shù)依據(jù)圖1 取值，其中，曲線1 適用于IL＞1.1 的土，曲線2 適用于其他情況的軟土。

圖1 修正系數(shù)

2）TB 10018—2018《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》規(guī)定：當(dāng)塑性指數(shù)IP≤20 時，折減系數(shù)μ=1.0；當(dāng)塑性指數(shù)20＜IP≤40時，折減系數(shù)μ=0.9。

中山市港口地區(qū)軟土采用上述2 種方法得到的修正系數(shù)如表3 所示。

表3 修正系數(shù)μ

中山市港口鎮(zhèn)地區(qū)軟土的塑性指數(shù)IP均小于20。從保證安全的角度出發(fā)，本區(qū)的修正系數(shù)按《工程地質(zhì)手冊》（第五版）推薦的方法取值，原狀土與重塑土的修正系數(shù)μ 均取0.83。修正后的抗剪強度原狀土標(biāo)準(zhǔn)值Cu=23.99kPa；重塑土標(biāo)準(zhǔn)值Su=7.90kPa；修正后的靈敏度St=23.99/7.90=3.1。

4.4 推求地基承載力

1）初步判定軟土地基承載力特征值時，可按式（2）估算：

式中，fak為地基承載力特征值，kPa；γ 為土的天然重度，kN/m3；h 為基礎(chǔ)的埋置深度，m。

根據(jù)表1 得到港口鎮(zhèn)地區(qū)原狀淤泥土的地基承載力特征值為fak=2×23.99+18.2×1=66.18kPa，但需要經(jīng)深寬修正后才可以使用。

2）當(dāng)基底偏心距e≤0.033b 時，可依據(jù)十字板剪切試驗確定的抗剪強度按式（3）計算軟土的地基承載力特征值，但應(yīng)注意驗算地基變形：

式中，fa為軟土的地基承載力特征值；Mb、Md、Mc為承載力系數(shù)；b 為基底寬度；ck為基底下土層的黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值；γ 為基底下土的天然重度；γm為基底面以上土的加權(quán)平均重度，所以，得到承載力特征值的計算公式為fa=3.14Cu。

以此推算港口鎮(zhèn)地區(qū)試驗范圍內(nèi)原狀淤泥土fa=3.14Cu=3.14×23.99=75.33kPa，不需要進(jìn)行深、寬修正。

由式（2）和式（3）計算得到的中山市港口鎮(zhèn)地區(qū)本試驗范圍內(nèi)軟土的地基承載力特征值分別為66.18kPa、75.33kPa，結(jié)果較為吻合，但需注意的是前者需進(jìn)行深、寬修正后才可使用，而后者不需要進(jìn)行深、寬修正。

5 結(jié)論

綜上所述，得到以下結(jié)論：

1）值需經(jīng)修正才可使用，文中參考《工程地質(zhì)手冊》（第五版）僅給出了2 種修正方法，建議在實際應(yīng)用中，修正系數(shù)的選取應(yīng)結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗選取或進(jìn)行現(xiàn)場平板載荷試驗來確定修正系數(shù)選取的正確性。

2）式（2）與式（3）兩種推求地基承載力的方法，使用中應(yīng)注意：由式（2）計算得到的地基承載力特征值需進(jìn)行深、寬修正，而由式（3）計算得到的地基承載力特征值不需要進(jìn)行深、寬修正。