惠州港區軟土室內與原位十字板剪切試驗強度對比分析

戚玉紅，劉長殿，安鵬程，張紀欣，孟令福

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

1 研究背景

自1954 年南京水利科學研究所引進以來，十字板剪切試驗作為一種原位測試技術在沿海軟土地區得到廣泛的應用[1]。經過多年實踐，十字板測試成果在地基穩定性驗算、固結歷史判定、承載力計算和飽和軟黏土靈敏度測定等方面的應用已經十分成熟。作為一種原位測試手段，尤其是海洋地質勘察時，原位十字板測試受外界影響較大，陶凱等[2]對十字板海上作業的影響因素進行了總結并提出應對方案。十字板剪切試驗作為一種室內測試手段在國外已有應用并有技術標準[3]支持，國內學者對十字板試驗的室內應用也有嘗試；程瑾[4]對天津地區軟土試驗分別進行了電測式、機械式十字板和微型十字板試驗，總結了幾種十字板的優缺點和適用條件；高彥斌等[5]通過對比試驗分析總結了室內十字板、原位十字板測試、無側限抗壓強度試驗在軟土靈敏度測試中的差別；劉永勝等[6]對室內和原位十字板測試進行對比試驗，總結分析了2 種試驗方法差異的影響因素；但是國內研究者對室內十字板剪切試驗的研究還不夠深入，室內十字板的應用方面缺乏經驗。

結合以上背景，依托惠州港區勘察項目，對軟土開展室內、原位十字板剪切對比試驗，研究2 種試驗方法抗剪切強度存在的關系及產生差異的機理，以其為室內十字板剪切試驗在水運工程建設中的應用提供幫助。

2 試驗儀器和方法

2.1 試驗儀器

本次試驗原位測試采用一航院研發的機械式十字板儀，板頭寬75 mm、高150 mm、厚3 mm、刃角60?、面積比≤13%；室內試驗采用張家港晟泰克智能儀器有限公司生產的IJZS-1 型室內十字板剪切儀，板頭寬25.4 mm、高50.8 mm、厚1 mm、面積比≤15%。室內十字板剪切試驗系統包括十字板板頭、扭矩測量組件、數據記錄和顯示組件、測量設備的絕緣電阻等組件，見圖1。

圖1 室內十字板剪切試驗系統及不同規格板頭示意圖Fig.1 Laboratory vane shear testing system and different specifications of vanes

2.2 試驗方法

試驗土樣的制備、物理指標等試驗均按照土工試驗方法標準[7]進行，室內十字板試驗在薄壁取土器中進行，試樣直徑75 mm、長度50 cm。原位十字板剪切試驗按照水運行業標準[8]進行。

室內十字板剪切試驗按以下步驟進行：

1）儀器檢查、安裝、調試。

2）修整并安裝土樣：修平土樣表面，將土樣安裝在土樣架上，保持土樣和十字板軸線重合。

3）十字板貫入：將十字板平穩貫入土樣，剪切位置十字板板頭頂端距土樣表面應大于2.5 倍板頭寬度，記錄貫入深度，靜止等待2～3 min 后開始試驗。

4）輸入參數：根據土樣硬度選擇扭矩傳感器量程和板頭寬度，本次試驗板頭寬度為25.4 mm，高寬比為2 ∶1，輸入土樣深度、采數步長、剪切速率應控制在6～12 ?/min。

5）剪切試驗：傳感器清零并開始試驗，記錄試驗數據，出現峰值或曲線穩定后試驗結束，記錄峰值或穩定剪切應力和破壞角度。

6）測定重塑強度：快速順時針旋轉十字板6圈重塑剪切區域土樣，并根據試驗需要按步驟5）測定重塑應力。

7）提升并清理板頭。

8）如需在同一土樣中多次試驗，則相鄰2 個測試點中心距離不得小于板頭直徑的2.5 倍。

9）試驗完成后取出土樣，剖開土樣對剪切破壞面進行描述并測定破壞面位置含水率。

室內十字板測試數據出現異常時，通過對破壞剖面進行直接觀察可以有效地剔除數據異常點，提高測試精度。

3 測試土樣的物理性指標

在軟土試驗區布置6 個鉆孔進行原位十字板測試，并在鉆孔附近布置取土孔取樣進行室內十字板剪切試驗及室內常規物理力學試驗，試驗深度范圍內共計取流泥、淤泥和淤泥質黏土原狀樣品69 個，土樣物理指標統計如表1 所示。

表1 物理指標統計表Table 1 Statistics of physical indicators

4 室內、原位十字板剪切試驗對比分析

4.1 抗剪強度-深度曲線對比

對各鉆孔同一深度土樣十字板強度取平均值，獲得原位與室內十字板測試十字板強度隨取樣深度變化曲線，見圖2。

圖2 十字板強度隨試驗深度變化曲線Fig.2 Relationship of vane strength against test depth

通過曲線發現：室內試驗與原位測試相比曲線波動較小，室內試驗與原位測試十字板強度都隨深度增加而增大，同一深度土樣室內試驗十字板強度小于原位測試且差值隨深度增加而增大；原位測試十字板強度與室內試驗抗剪強度與試驗深度均存在良好的線性關系。

4.2 室內與原位試驗差異性及原因分析

結合室內、原位十字板剪切試驗試樣狀態和測試原理對室內試驗和原位測試差異性及原因做以下分析：

1）對同一深度試樣抗剪強度室內試驗結果小于原位測試。原位測試土體處于天然狀態，結構強度充分發揮，取樣后土樣脫離應力場發生應力釋放以及取樣和樣品運輸產生擾動會使土樣損失部分結構強度，從而導致室內測試強度較小。

2）室內試驗的深度效應相對較弱。原位測試土樣處于三維應力狀態，土體在自重應力下形成的結構強度自上到下也逐漸增大，因此原位測試中三維應力對抗剪強度的影響隨深度增加而增加；其次，十字板強度測試假設固定破壞面，在破壞面的形成過程中必然存在板頭及周邊土體受力發生塑性形變而后發展至破壞的過程，土體變形產生抵抗力矩，隨著深度的增加土體結構強度增大變形產生的抵抗力矩越大，因此原位測試抗剪強度表現更明顯的深度效應。

4.3 室內、原位十字板抗剪強度相關性分析

已有研究成果表明原位測試、室內試驗十字板強度與深度均存在較好的線性關系[9-10]，根據試驗數據擬合出惠州港區軟土原位、室內十字板抗剪強度隨深度變化關系式：

式中：cuy為原位十字板測試強度，kPa；cus為室內十字板測試強度，kPa；Z 為原位十字板測試深度、室內十字板測試取樣深度，m。

根據式（1）、式（2）即可得出惠州港區軟土根據室內十字板抗剪強度計算的原位十字板強度：

式中：c′uy為根據室內十字板試驗計算的原位十字板強度，kPa；cus為室內十字板測試強度，kPa；Z為測試取樣深度，m。

式（3）表示可以通過室內強度與測試深度對原位十字板測試強度進行計算，也反映出2 種試驗方法測試結果的差異與土樣深度相關；原位測試結果大于室內試驗且具有較強的深度效應；室內測試與原位測試存在差異的主要原因，一是隨深度變化的應力環境，二是取樣、運輸和試驗過程造成的土樣強度損失。

4.4 驗證試驗分析

室內、原位十字板抗剪強度存在良好的線性關系，為進一步對式（3）進行驗證，在同一試驗場地新布置3 組驗證鉆孔進行室內、原位十字板試驗，分別得出室內、原位十字板強度以及根據公式（3）擬合的原位十字板強度。3 組鉆孔十字板強度隨深度變化曲線分別如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 1 號孔十字板強度隨深度變化曲線Fig.3 Relationship of vane strength and test depth of Borehole No.1

圖4 2 號孔十字板強度隨深度變化曲線Fig.4 Relationship of vane strength and test depth of Borehole No.2

圖5 3 號孔十字板強度隨深度變化曲線Fig.5 Relationship of vane strength and test depth of Borehole No.3

觀察圖（3）—圖（5）發現利用室內試驗結果通過關系式（3）擬合的十字板強度與原位測試結果十字板強度-深度曲線具有較好的一致性。對試驗結果進行統計分析發現：1 號孔室內試驗擬合的抗剪強度與原位實測抗剪強度相對誤差最大值為26%，最小值為4%，平均值為15%；2 號孔相對誤差最大值為25%，最小值為1%，平均值為13%；3 號孔相對誤差最大值為23%，最小值為2%，平均值為8%。本次3 個驗證鉆孔原位十字板強度估算值和實測值平均相對誤差為12%，說明在試驗軟土區利用室內十字板試驗結果估算原位十字板強度是可行的。

5 結語

通過對比試驗，得出以下結論：

1）相同深度處室內試驗強度小于原位測試強度，室內測試深度效應較弱而原位測試深度效應更明顯。

2）造成室內、原位十字板強度差異的主要原因一是應力狀態的差異，二是取樣和樣品運輸過程中土樣擾動造成的強度損失。

3）原位十字板抗剪強度與室內測試強度和試驗深度相關性良好，惠州港區軟土利用室內十字板強度估算的原位十字板強度和實測值平均誤差約為12%，表明可以在不具備原位十字板測試條件時通過室內試驗間接獲得較為可靠的原位十字板強度數據。