西安渭河高漫灘砂土層抗剪強度試驗與強度參數對比研究

張 鑫，趙 成，王電華，余 海，潘登麗

(1.西安市軌道交通集團有限公司，西安 710018；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

隨著西安市城市發展范圍的擴大，北跨渭河發展戰略的深入實施，西安北向的城市發展空間進一步擴展，特別是近年來城市基礎設施的不斷完善，軌道交通線網的進一步完善、外圍線路的進一步延伸，渭河漫灘區和階地區砂土地層的開挖、支護、降水、地基處理等巖土工程問題已成為軌道交通地下工程建設中面臨的主要問題。

西安市范圍內渭河沿線主要有粉砂層、粉細砂層、細砂層、中砂層、粗砂層及礫砂層，一般具有松散、力學性質差的特征。在地下工程建設中砂層基坑的開挖和支護尤為重要。因此，獲取準確的砂層物理力學參數，對于基坑的設計和施工起著決定性作用。

學界和工程界一般認為砂土強度基本上受兩類關鍵因素控制和影響：土顆粒物理屬性及土體存在狀態。前者包括礦物組分、粒徑、級配、顆粒形狀；后者包括土體結構、密實程度、有效應力狀態等[1]。魯博等[2]分析了砂土內摩擦角和黏聚力隨不同顆粒粒組含量、密實度的變化趨勢及規律；朱建群等[3]對含無塑性粉粒的砂土進行了三軸固結不排水試驗，并指出粉粒含量通過顆粒組成和結構對粉砂強度和變形產生重要影響；常在[4]、曾軍[5]分別采用顆粒力學和離散元模擬試驗進行砂土強度的研究；朱俊高等[6]研究了密度對砂土應力應變強度特性的影響，發現密度對軸向應變、體積應變、變形模量、強度指標等均影響較大；劉清秉等[7]開展了砂粒土顆粒形狀的量化工作，研究表明顆粒形狀參數與剪脹角、臨界狀態摩擦角均具有良好的相關性。針對砂土強度的影響因素雖已開展了很多的工作，但由于現場采取原狀砂試樣難度大、原狀試樣和重塑試樣對比試驗數量多、成本大并且周期長，因此，對于砂土地層的原狀試樣與重塑試樣直剪試驗、三軸試驗以及休止角試驗的對比分析開展的相對較少。

本文在西安市地鐵4號線北客站巖土工程常規試驗的基礎上，針對工程中涉及到的砂土層進行了原狀和重塑試樣的直接剪切試驗、重塑試樣的三軸壓縮試驗，對比分析剪切試驗結果，開展水上和水下休止角試驗，分析休止角與內摩擦角之間的關系，并結合現場工程設計及施工的應用情況，提出測試砂層剪切指標的推薦方法和建議值選取原則方法，為本地區地下軌道交通工程基坑支護和地基處理巖土參數的合理選取提供支撐。

1 試樣及試驗概況

1.1 工程背景

工程場地位于西安市北郊渭河南岸，北距渭河約3 km，渭河河床寬200～2 000 m，河流曲折，以侵蝕北岸為主。如圖1所示，工程場地地表有大面積人工填土等，地形起伏較大，地貌單元屬渭河高漫灘。場地分兩階段共進行勘探及各類測試鉆孔76個，深度30～40 m不等，不同地層均采取原狀試樣和擾動試樣，對218組原狀試樣和733組擾動試樣進行室內物理力學指標測試。

工程場地地層主要由第四系全新統人工填土、沖積砂類土，上更新統沖積粉質黏土、砂類土構成。綜合地層的時代成因、地層巖性和工程特性對場地的砂層進行工程地質分類見表1。砂層共分為8層，由淺及深編號為①～⑧。①～⑥層為第四系全新統地層，⑦、⑧層為上更新統砂類土。其中②、④層中砂分布連續、穩定；①、③層粉細砂、⑤層粗砂、⑥層礫砂分布不連續，多以透鏡體形式出現；⑦層粉細砂、⑧層中砂現場勘探揭示分布較為連續，但厚度變化較大，局部有缺失。按照GB/T 50123-1999《土工試驗方法標準》[8]測試各砂層的基本物理力學性質指標并進行分層統計，其平均值見表2。

表2 場地各砂層基本物理力學性質指標平均值統計

根據室內土工試驗資料，①、②層砂層位于水位以上，含水率較低，孔隙比相對其它砂層大。對比分析水下各砂層，發現各層物理力學性質指標除了與埋深和時代有關，還與粒徑大小有關。粒徑粉細砂<中砂<粗砂<礫砂，天然密度、最大干密度、最小干密度也逐漸增大；反之孔隙比則逐漸減小。

1.2 試樣采集和制備

原狀砂試樣采用孔內取砂器采取，如圖2所示，探井內采用環刀人工采取，擾動試樣采用探井、巖芯管及標貫器內獲取。

圖2 取砂器

1.3 試驗方案設計

每層砂土均獲取多組試樣并開展直接剪切試驗、三軸壓縮試驗和休止角試驗，試驗方案如表3所示。每一層砂土的原狀試樣進行直剪試驗，與原狀試樣同等密度的重塑樣進行直剪試驗和三軸固結排水剪試驗。

表3 試驗方案表

三軸壓縮試驗是根據摩爾-庫倫強度理論，采用3～4個試樣，分別在不同的恒定圍壓(小主應力σ3)下施加軸向壓力(主應力差)，進行剪切直至破壞，從而確定土的抗剪強度參數。三軸壓縮試驗中砂類土試樣的制備方法如下：首先，在壓力室底座上一次放上不透水板、橡膠膜和對開圓膜；然后，在對開圓膜內注入純水至1/3高度，將煮沸的砂料分3層填入，達到預定高度。放上不透水板、試樣帽、扎緊橡皮膜；最后，對試樣內部施加5 kPa負壓力，使試樣能站立，拆除對開膜。

根據排水條件的不同，三軸試驗分為3種：① 不固結不排水試驗(UU)；② 固結不排水試驗(CU)；③ 固結排水試驗(CD)。其中固結排水剪切試驗(CD)是在整個試驗過程中允許試樣充分排水，即在某一圍壓下排水固結，然后在充分排水的情況下增加軸向壓力直到剪壞為止，進而測定有效抗剪強度指標(黏聚力 、內摩擦角 )，試驗過程見圖3。

圖3 三軸壓縮試驗(CD)

測試每層砂土的水上和水下休止角，如圖4所示，分析休止角與內摩擦角的關系。

圖4 休止角試驗

1.4 試驗過程及統計

試驗過程中，每天固定專人、固定儀器進行試樣采集并及時送回土工試驗室開展室內試驗，樣品具有代表性。室內試驗操作人員、直剪、三軸試驗和休止角測試設備相對固定，避免試驗操作引起的誤差。統計過程中各地層的物理力學性質指標按巖土分層進行統計。統計時，對由于巖土層的不均勻性或夾層造成的明顯離散的個別數據予以剔除。

2 成果分析

2.1 砂層剪切試驗結果

圖5 各砂層剪切試驗結果

對比各砂層的原狀和重塑試樣直剪試驗結果，發現①、③層粉細砂的重塑試樣黏聚力及內摩擦角均較原狀樣剪切試驗成果大，強度包線也在原狀試樣之上;②層中砂、④層中砂、⑦層粉細砂、⑧層中砂的原狀試樣和重塑試樣的強度包線基本重疊，相差不大;⑤層粗砂、⑥層礫砂重塑試樣的強度包線在原狀試樣之下，這是由于粒徑較大的砂層在河流沖積作用下，歷經漫長時間沉積下來，砂顆粒之間的接觸處于較穩定的狀態，機械咬合力大，不宜產生相對滑動，而重塑試樣的砂顆粒在人為條件下重新排列，砂顆粒無法在短時間內達到最優排列狀態，在強度上表現為較原狀樣的強度較小，這種情況在大粒徑的砂層中表現更明顯。

圖6 原狀和重塑快剪、三軸CD試驗對比

鑒于以上分析，從工程安全性原則考慮，工程應用中各砂層的黏聚力建議值取0，內摩擦角的建議值參考原狀砂試樣的直剪試驗結果取值。實際在該車站基坑設計及施工過程中，各砂層的抗剪強度指標建議值按上述原則進行應用，取得了較為滿意的成果，為基坑的開挖設計參數提供了較為科學的依據。

2.2 休止角與內摩擦角的關系

顆粒休止角是在重力場中，顆粒在粉體堆積層的自由斜面上滑動時所受重力和粒子之間摩擦力達到平衡而處于靜止狀態下測得的最大角[9]。休止角試驗環境有水上和水下兩種。區別于內摩擦角一般通過剪切試驗或三軸壓縮試驗獲取，側重于描述砂土顆粒被擠壓密實后滑動面顆粒之間的咬合摩擦關系[10]。盡管工程上認為內摩擦角可用休止角近似代替，但是砂土內摩擦角的數值選取問題一直困擾著研究人員。

根據GB/T 50123-1999《土工試驗方法標準》[8]對8層砂層開展風干狀態和水下狀態下的休止角試驗，并統計每個砂層的水上休止角、水下休止角和原狀砂土快剪試驗內摩擦角的平均值并進行對比，如圖7所示。

圖7 水上、水下休止角與內摩擦角對比

從圖7中統計結果來看，原狀砂土的水上休止角普遍大于水下休止角，這與孟震[11]、王新強[12]等通過試驗得到的結論相同，說明砂土顆粒堆積體浸泡在水體中將會發生崩塌。原狀砂層的內摩擦角的大小介于水上休止角和水下休止角之間，隨著埋藏深度增大而增大，從①～⑧層呈現逐漸增大的規律，③層和⑦層除外，這是由于③層和⑦層為粉細砂。當砂土中含粉粒時，在外力作用下砂粒相互錯動導致處于砂粒接觸點上的粉粒滑入孔隙中。這樣的粉粒-砂粒相互接觸關系使得砂粒間的咬合作用被削弱，呈現出粉細砂的內摩擦角相對較小。

3 結 論

(1) 砂層在顆粒大的情況下，砂層間具有一定的機械咬合力，重塑后變小；中細砂重塑試樣黏聚力及內摩擦角較原狀試樣剪切試驗成果大，而粗砂重塑試樣的抗剪強度參數小于原狀試樣。

(2) 同一砂層的直剪試驗和三軸CD試驗表明，三軸CD試驗的砂層內摩擦角及黏聚力均大于室內直剪試驗。

(3) 針對不同砂層的水上、水下休止角測試，水上休止角一般大于水下休止角，水上休止角大于原狀試樣直剪試驗得到的內摩擦角。

(4) 基坑支護設計中可不考慮砂層的黏聚力作用，原狀砂層的直接剪切指標一般較為貼近現實，內摩擦角建議取原狀砂層的直剪試驗結果。