上海濱海平原區(qū)土的熱物理指標(biāo)與靜力觸探Ps 值的關(guān)系研究

張丁寧

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

0 引 言

上海地區(qū)屬于典型的軟土地區(qū)，軟土具有地下水位高、含水量高、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，對地鐵的建設(shè)要求嚴(yán)格。實(shí)際施工時(shí)，特別是隧道聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)，常采用冷凍法來施工。冷凍法設(shè)計(jì)時(shí)就需要土層的熱物理指標(biāo)。土層熱物理指標(biāo)的測定，可采用面熱源法、熱線比較法、熱流計(jì)法及熱平衡法[1]，土的含水量、孔隙率、密度以及礦物成分等因素對土的熱物理指標(biāo)有較大的影響[2-5]。在實(shí)際工程時(shí)，通常是采取地下土層的原狀土樣送到土工實(shí)驗(yàn)室來測定土的導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容。在采取土樣的過程中，受各種因素的影響，土樣或多或少受到擾動，從而測出的熱物理指標(biāo)有較大的變異性，在一定程度上影響數(shù)據(jù)的真實(shí)性。靜力觸探（CPT）技術(shù)作為一種原位測試技術(shù)，由于其能較好地模擬地下環(huán)境，不破壞土的原有屬性，能很好地反應(yīng)土的物理力學(xué)性質(zhì)的獨(dú)特性，在上海地區(qū)得到了廣泛的運(yùn)用，較多經(jīng)驗(yàn)公式都是基于靜力觸探Ps 值建立的[6-10]。本文收集了上海濱海平原區(qū)的多條地鐵隧道的土工熱物理試驗(yàn)指標(biāo)，通過研究發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)溫系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)隨著土層靜力觸探Ps 值的增大而增大，比熱容隨著土層靜力觸探Ps 值的增大而減小，呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。通過對熱物理指標(biāo)和靜力觸探Ps 值進(jìn)行曲線擬合，發(fā)現(xiàn)熱物理指標(biāo)可以利用靜力觸探Ps 值通過特定的公式進(jìn)行換算。

1 工程地質(zhì)概況

上海地區(qū)按照地貌形態(tài)、時(shí)代成因、沉積環(huán)境和組成物質(zhì)等方面的差異, 境內(nèi)可分為五大地貌類型，包括湖沼平原，濱海平原，河口、砂嘴、砂島，潮坪地帶和剝蝕殘丘。其中濱海平原位于湖沼平原以東，顧路、合慶、蔡路、江鎮(zhèn)、鹽倉、大團(tuán)一線以西，奉城、柘林、漕涇一線以北地區(qū),上海市區(qū)位于其中，地勢較平坦[1]。濱海平原的主要地層有：②1層褐黃色粉質(zhì)黏土、②2層灰黃色粉質(zhì)黏土、③1層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③2層灰色粉性土、④層灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤1層灰色黏性土；受古河道影響，局部分布⑤2層灰色粉性土、⑤3層灰色黏性土、⑤4層灰綠色粉質(zhì)黏土、⑥層暗綠色粉質(zhì)黏土、⑦層粉、砂性土、⑧1層灰色黏性土、⑧2層灰色黏性土與砂性土互層、⑨層青灰色粉細(xì)砂。其中以第⑥層暗綠色粉質(zhì)黏土硬土層分布為典型特征。

地鐵隧道在局部穿越黃浦江等大河大江時(shí)，埋深加深到⑦層外，其他大部分地區(qū)埋深主要分布在④層和⑤層。④層土是上海典型的軟土，含水量高、強(qiáng)度低，屬高等壓縮性、高靈敏度土，是天然地基的主要軟弱下臥層。⑤層相對于④層而言，狀態(tài)要好，⑤層是正常固結(jié)土層，埋深合適，是地鐵隧道主要穿行的土層。

2 熱物理指標(biāo)分析

2.1 熱物理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)概況

本次選取濱海平原區(qū)內(nèi)③1層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④層灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤1層灰色粉質(zhì)黏土、⑤2層灰色黏質(zhì)粉土、⑥層暗綠色粉質(zhì)黏土、⑦1層灰色砂質(zhì)粉土和⑦2層灰色粉砂，這7 層土進(jìn)行熱物理指標(biāo)研究。各土層熱物理試驗(yàn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)表見表1。

表1 各土層熱物理試驗(yàn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)表 單位：個

2.2 熱物理指標(biāo)分析

為了更好地分析土層熱物理指標(biāo)與土層靜力觸探Ps 值之間的關(guān)系，選取研究區(qū)某條地鐵隧道的熱物理指標(biāo)數(shù)據(jù)見表2。

表2 某條地鐵隧道熱物理指標(biāo)

從表2 的數(shù)據(jù)可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)隨著土層靜力觸探Ps 值的增大逐漸增大，而比熱容隨著土層靜力觸探Ps 值的增大而減小，呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。通過對研究區(qū)內(nèi)其他地鐵隧道的土層熱物理指標(biāo)和土層靜力觸探Ps 值的數(shù)據(jù)分析，均發(fā)現(xiàn)此規(guī)律，于是采用研究區(qū)的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，擬合這兩種指標(biāo)之間的內(nèi)在規(guī)律。

3 指標(biāo)關(guān)聯(lián)性研究

3.1 導(dǎo)熱系數(shù)與P s 值關(guān)聯(lián)性研究

從表2 可知，隨著靜力觸探Ps 值的增大，導(dǎo)熱系數(shù)也出現(xiàn)相同的增大趨勢，但不能得出導(dǎo)熱系數(shù)與靜力觸探Ps 值的具體規(guī)律，為了研究導(dǎo)熱系數(shù)與靜力觸探Ps 值關(guān)聯(lián)性，將靜力觸探Ps 值作為橫坐標(biāo)，導(dǎo)熱系數(shù)作為縱坐標(biāo)，繪制導(dǎo)熱系數(shù)—靜力觸探Ps值曲線，如圖1 所示。

利用圖1 導(dǎo)熱系數(shù)—靜力觸探值進(jìn)行曲線擬合，繪制出一條光滑曲線，從曲線可以明顯看出導(dǎo)熱系數(shù)和靜力觸探Ps 值呈冪函數(shù)關(guān)系，擬合的曲線函數(shù)為：

圖1 導(dǎo)熱系數(shù)—靜力觸探P s 值曲線（單位：MP a）

數(shù)據(jù)擬合的精度達(dá)到0.929，表明擬合結(jié)果比較理想，如在該研究區(qū)，可以直接利用靜力觸探Ps 值指標(biāo)通過式（1）換算熱物理導(dǎo)熱系數(shù)指標(biāo)。

3.2 導(dǎo)溫系數(shù)與P s 值關(guān)聯(lián)性研究

從表2 可以看出，隨著靜力觸探Ps 值的增大，導(dǎo)溫系數(shù)也出現(xiàn)相同的增大趨勢，但不能得出導(dǎo)溫系數(shù)與靜力觸探Ps 值的具體規(guī)律，為了研究導(dǎo)溫系數(shù)與靜力觸探Ps 值關(guān)聯(lián)性，將靜力觸探Ps 值作為橫坐標(biāo)，導(dǎo)溫系數(shù)作為縱坐標(biāo)，繪制導(dǎo)溫系數(shù)—靜力觸探Ps 值曲線，如圖2 所示。

圖2 導(dǎo)溫系數(shù)—靜力觸探P s 值曲線（單位：MP a）

利用圖2 導(dǎo)溫系數(shù)—靜力觸探值進(jìn)行曲線擬合，繪制出一條光滑曲線，從曲線可以明顯看出導(dǎo)溫系數(shù)和靜力觸探Ps 值呈冪函數(shù)關(guān)系，擬合的曲線函數(shù)為：

數(shù)據(jù)擬合的精度達(dá)到0.959 1，表明擬合結(jié)果比較理想，如在該研究區(qū)，可以直接利用靜力觸探Ps值指標(biāo)通過式（2）換算熱物理導(dǎo)溫系數(shù)指標(biāo)。

3.3 比熱容與P s 值關(guān)聯(lián)性研究

從表2 可以看出，隨著靜力觸探Ps 值的增大，比熱容出現(xiàn)相反的減小趨勢，但不能得出比熱容與靜力觸探Ps 值的具體規(guī)律，為了研究比熱容與靜力觸探Ps 值關(guān)聯(lián)性，將靜力觸探Ps 值作為橫坐標(biāo)，比熱容作為縱坐標(biāo)，繪制比熱容—靜力觸探Ps 值曲線，如圖3 所示。

利用圖3 比熱容—靜力觸探值進(jìn)行曲線擬合，繪制出一條光滑曲線，從曲線可以明顯看出比熱容和靜力觸探Ps 值呈冪函數(shù)關(guān)系，擬合的曲線函數(shù)為：

圖3 比熱容—靜力觸探P s 值曲線（單位：MP a）

數(shù)據(jù)擬合的精度達(dá)到0.945 8，表明擬合結(jié)果比較理想，如在該研究區(qū)，可以直接利用靜力觸探Ps值指標(biāo)通過式（3）換算熱物理比熱容指標(biāo)。

4 結(jié) 論

（1）本文收集了上海濱海平原區(qū)的多條地鐵隧道的土工熱物理試驗(yàn)指標(biāo)，通過研究發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)溫系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)隨著土層靜力觸探Ps 值的增大而增大，比熱容隨著土層靜力觸探Ps 值的增大而減小，呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。通過對熱物理指標(biāo)和靜力觸探Ps 值進(jìn)行曲線擬合，發(fā)現(xiàn)熱物理指標(biāo)可以利用靜力觸探Ps 值通過特定的公式進(jìn)行換算。

（2）通過研究地基土層導(dǎo)熱系數(shù)—靜力觸探Ps 值曲線、導(dǎo)溫系數(shù)—靜力觸探Ps 值曲線和比熱容—靜力觸探Ps 值曲線，擬合經(jīng)驗(yàn)公式，通過經(jīng)驗(yàn)公式可以實(shí)現(xiàn)利用靜力觸探Ps 值換算土層熱物理指標(biāo)，為研究區(qū)地基土層的熱物理理論研究提供一定的依據(jù)。

（3）利用擬合經(jīng)驗(yàn)公式，只能反映土層一些普遍的屬性，而對某些特殊的土層，比如夾層、極不均性土層，是不能通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行預(yù)測的，仍需依靠傳統(tǒng)的方法進(jìn)行測試。