软土静力触探与十字板剪切相关性研究

时间：2024-12-27

叶文超

（福州市勘测院有限公司，福州 350108）

0 引言

福州滨海新城主要位于长乐东部海积平原区域，区域内广泛发育软土地层。而软土作为一种特殊性的岩土，在此类土体环境中修建人工结构，土体的稳定性问题和沉降问题显得尤为重要，获取准确的物理力学参数是正确评价软土工程性质的前提[1]。由于软土强度较低，且具有一定的结构性特征，现场取样、样品运输与室内制备过程中，不可避免地对样品造成应力释放和扰动，进而导致试验数据失真，因此，不同原位测试的应用，弥补了样品扰动的缺陷，进一步获取更准确的土体物理力学指标。

目前，对于软土地基，静力触探试验与十字板剪切试验因其准确性相对较高，作为原位测试手段得到了广泛的应用。考虑节省工程勘察项目成本投入、缩短勘察工期以及试验方法的简便性，人们一般试图建立该两种原位测试参数之间的相关关系。

基于福州滨海新城多个工程项目资料，文中在福州滨海新城软土分布区域，通过同时进行十字板剪切试验与静力触探试验两种原位测试，获取软土不排水抗剪强度指标Cu与比贯入阻力Ps，利用数理统计方法进行对比分析，建立了不排水抗剪强度指标Cu与比贯入阻力Ps线性回归方程，并通过具体项目进行验证。最终，通过线性回归方程在滨海新城周边项目上的推广应用，仅利用静力触探原位测试，即可获取多参数，一定程度上节省工程勘察费用并缩短了项目工期。

1 原位测试指标相关分析

1.1 不排水抗剪强度指标Cu与比贯入阻力Ps回归分析

福州滨海新城所处位置，受海、河水以及风等地质营力相互作用，场地内地表出露地层主要为全新统风积层、海积层与冲洪积层见图1。其中，全新统海积层主要分布于平原中部（潭头-古槐-江田一带），发育厚层软土（最厚可达31.85m）[2]。

图1 福州滨海新城地质

根据钻探取样室内试验结果，滨海新城全新统海积层中软土主要分布在0～25m深度范围内见图2，场地内软土含水率为34.8%～58.5%，孔隙比为1.013～1.492，液限为31.4%～48.6%，塑限为18.4%～28.1%，塑性指数为11.8～20.7，液性指数为1.05～1.80，压缩系数为 0.42～1.71MPa-1，压缩模量为 1.4～5.31MPa，凝聚力为 8.6～22.8kPa，内摩擦角为 7.17°～15.46°，灵敏度为3.1～6.3，总体上场地内软土特点主要为强度低、压缩性大、高含水率、高孔隙比、高液塑限以及灵敏度高等见表1。

图2 滨海新城软土分布剖面

表1 软土物理力学参数

利用溧阳科尔仪器厂生产的KE-2103型十字板-静力触探二用仪对软土层进行静力触探试验与十字板剪切试验。其中，十字板剪切试验是利用静力触探仪的贯入装置将十字板头压入到不同的试验深度，借助扭力装置旋转十字板头，利用电子仪器量测土的抵抗力矩，从而获得土体的抗剪强度值；静力触探试验是利用静力将探头以一定的速率压入土中，利用探头内的力传感器，通过电子测量器记录探头受到的贯入阻力。由于贯入阻力的大小与土层的性质有关，通过贯入阻力的变化情况，可以达到了解土层的工程性质的目的。

利用现场原位测试试验，获得各个钻孔比贯入阻力值Ps和不排水抗剪强度值Cu见表2。

表2 滨海新城软土Ps与Cu值 kPa

通过对十字板剪切强度指标与比贯入阻力值的统计与比对，可发现两者间存在一定的线性关系见图3，由于软土层中零星夹薄层砂、木屑、贝壳等相对硬成分，导致部分数据值偏大，进而导致离散性较大。

图3 Cu与Ps回归关系

根据两者散点图分布情况，可见大致呈线性相关趋势，故假设两者线性方程为Cu=aPs+b，利用数理统计分析方法计算得出a=0.0343，b=14.635kPa，即回归方程为Cu=0.0343Ps+14.635，相关系数r=0.739，Cu与Ps在显著水平α=0.01时，相关系数临界值r0.01（73）=0.292，线性相关关系显著。

1.2 软土不排水抗剪强度指标Cu与比贯入阻力Ps回归方程

根据实际工程应用以及相关的文献检索，目前，软土不排水抗剪强度的获取方法主要分为三类：①即采用现场十字板剪切试验；②室内无侧限抗剪试验；③静力触探试验法。由于软土强度较低，且具有一定的结构性特征，现场取样、试样运输与制备等因素影响，不可避免的对样品造成应力释放和扰动，大大限制了室内试验方法广泛应用；原位十字板剪切试验主要应用于软土地层，其测试成果可进行软土地基承载力估算、软土路基临界高度确定以及软土灵敏度的测定等，但受软土层埋深、软土上部地层密实度等因素影响，较少用于填土、一般粘性土与砂性土等，与静力触探试验方法相比，应用面相对较窄。静力触探试验方法的成果除了确定土的强度指标C、φ值外，还可用于土层分类、地基土的承载力与变形指标确定，以及砂土液化可能性判别等，另外，也可利用软土不排水抗剪强度指标Cu与比贯入阻力Ps回归方程获取软土不排水抗剪强度指标Cu，一定程度上也节省了工程勘察费用以及缩短了项目工期[3]。

1.3 滨海新城软土与周边地区回归方程对比

目前，根据现有文献资料以及工程实践经验，利用静力触探测试方法进行软土的不排水抗剪强度指标的确定，首先需要确定静力触探试验方法，如单桥静力触探测试、双桥静力触探测试或者带孔压消散的静力触探测试等，进而确定对应的静力触探指标，如单桥探头的比贯入阻力Ps、双桥探头的锥尖阻力qc、双桥探头的的侧摩擦力fs、探头贯入时的孔压水压力u等，并建立这些指标与不排水抗剪强度Cu相关关系。理论上，上述静力触探测试获取的参数指标与不排水抗剪强度Cu呈线性相关关系，但受软土在区域上的分布位置、形成原因、软土应力历史以及软土中混杂薄层砂层、贝壳、泥碳与有机质含量等影响，比较难形成适用于所有场地的公式。

随着技术设备的更新发展，如今我国岩土工程勘察工作应用的静力触探测试方法正慢慢地从单桥静力触探方法往双桥静力触探方法发展，根据已有的文献及实际应用情况，现有不同区域得出的主要关系及其应用条件多为单桥静力触探方法下获取[4-10]，具体：

（1）Cu=0.0696Ps-0.0027（0.3≤Ps≤1.2MPa）（武汉、宁波）。

（2）Cu=0.0543Ps+0.0048（0.1≤Ps≤0.8MPa）（上海、广州）。

（3）Cu=0.05Ps+0.0016（Ps＜1.5MPa）（宁波、上海宝山、杭州、肖山、南京、芜湖及湖北等地）。

（4）Cu=0.05Ps（Ps＜1.2MPa）（天津塘沽）。

（5）Cu=0.0308Ps+0.004（0.1≤Ps≤1.5MPa）（天津塘沽）。

（6）Cu=0.0534Ps（华东电力设计院理论推导）。

（7）Cu=0.057Ps+0.00003（云南滇池）。

式中，a为回归系数，表示Cu与Ps呈正相关关系，b为截距。

综上，在线性方程Cu=aPs+b中，a多集中在0.0308～0.0696，b多为4kPa。鉴于滨海新城软土Cu=0.0343Ps+14.635，a值与全国其他区域基本一致，b值因福州滨海新城位于冲积与海积平原交互带，受3次海侵事件影响，并且与地表径流交互冲刷，导致软土上下多分布砂层，排水条件较好，且沉积时间较长，总体上，b值相较于全国其他区域较大。同时，该回归方程将通过滨海新城工程实例进行进一步验证。