上海地区滨海相软黏土十字板强度分析

高彦斌，袁祥成，陈 杰，沈 超

（1. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；2. 上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海 200032）

上海地区滨海相软黏土十字板强度分析

高彦斌1，袁祥成1，陈 杰2，沈 超2

（1. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；2. 上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海 200032）

利用上海地区滨海相软黏土的十字板试验和土工测试数据，分析了十字板强度与深度的线性关系、十字板不排水抗剪强度与上覆有效压力之比随埋深及塑性指数的关系与变化规律，研究了每层土十字板强度平均值与静力触探比贯入阻力平均值之间的相关性，并与已有研究成果作了对比。

软黏土；十字板强度；上覆有效压力；塑性指数；比贯入阻力

上海境内的地貌形态按成因时代、沉积环境和组成物质等方面的差异，可分为剥蚀残丘、湖沼平原、滨海平原、河口砂嘴砂岛、潮坪地带等五大类型[1]，滨海平原是最主要的地貌单元，其普遍分布较厚的软弱土层，主要有第③层灰色淤泥质粉质黏土层、第④层灰色淤泥质黏性土层和第⑤1层黏土层，这三类土层力学性质差，具有强度低、含水率高、压缩性大和高孔隙比等特点（表1），是上海地区地面沉降的主要层位，也容易引发其它环境地质问题，对其强度进行专门研究和定量分析，具有科研学术意义和工程实践指导作用。本文搜集利用12个重要工程项目岩土工程勘察十字板试验和土工测试成果（工程点位参见图1），对上海滨海平原区软黏土十字板强度进行分析。

表1 上海滨海平原区软黏土物理力学性质Table 1 Physical and mechanical characters of soft soil in Shanghai

图1 上海地貌类型及测试数据工程位置示意Fig.1 Shanghai landform partition and projects location of testing data source

1 十字板强度与埋深的关系分析

图1是十字板强度Su随埋深Z的变化关系统计，由此看出，第③层淤泥质粉质黏土层在大部分地区十字板强度随埋深增加有减小趋势，在第④层淤泥质黏土层、第⑤1层黏土层则与深度呈线性变化。在深度4～12m范围内表现出较大的离散性；在深度12～25m范围内，线性拟合可表示为：Su=2.7Z±10，式中的Su、Z的单位分别是kPa和m。

图1 十字板强度Su随埋深Z的变化关系Fig.1 The variation of vane strength with depth

对于十字板强度随深度的变化规律，以往也有相关的研究成果：胡中雄指出，在均匀的饱和软土层中，十字板强度通常随深度线性增加[2]；高冠仁在对上海石化厂地区的十字板测试成果分析后指出，十字板强度随埋深增加而增长，基本呈直线关系，并给出相应的经验公式Su=1.4Z+18.7[3]；周志洁与张剑锋根据上海宝钢原料场的相关资料，建议在深度10～16m时，Su取最小值29.6 kPa，16～20m深度采用Su=29.6+2.96(Z-16)，取最小值，或Su=29.6+1.96(Z-10)，取最小中值[4]；孙更生和郑大同指出，上海、浙江、福建等沿海地区的试验资料均表明软黏土十字板强度随深度的变化有如图2的规律，并由上海某地两孔十字板试验得出Su=1.5Z+18.8[5]；童翌湘等根据上海某地10个十字板试验数据发现，埋深增加，十字板强度数据离散[6]。这些成果都是从某一单个工程中一个或多个试验孔得到的经验性结论，其普遍适用性还需进一步研究。

图2 软黏土十字板强度随深度变化规律（据孙更生等）Fig.2 Soft clay vane strength variation with depth (from references [5] )

与上述研究相比，本文所得的软黏土十字板强度Su与埋深Z的线性拟合表达式，数据来源更广，适用性更大。

2 十字板强度与上覆有效压力的比值随埋深的变化

图3是根据搜集到的实测资料计算求得的十字板强度Su与上覆有效压力σ'v0的比值Su/σ'v0随埋深Z的变化关系。由此看出，Su/σ'v0随埋深增大呈现出单调减小趋势，变化范围在0.3～1之间，第③层灰色淤泥质粉质黏土层中Su/σ'v0在0.4～1，离散性较大，特别在深度小于5m的范围内，离散范围0.5～1；第④层淤泥质黏性土层和第⑤1层黏土层中Su/σ'v0主要在0.3～0.4之间变化，离散性较小。

总体来讲，此方面的研究成果还较少。胡中雄罗列了上海5个工程地点在深度10m处软土Su/σ'v0的取值情况，在0.275～0.5之间[7]。由图3可以看出，在深度10m处，本文的分析结论Su/σ'v0=0.3～0.5，与其结果比较一致。

3 十字板强度与上覆有效压力的比值和塑性指数的关系探讨

国外研究成果表明，Su/σ'v0随Ip增大而增大。Skempton曾给出正常沉积土Su/σ'v0～Ip的经验公式[8]：Su/ σ'v0=0.11+0.0037Ip，其中的Ip范围很大，约10～120。这个公式已被广泛使用。Bjerrum根据挪威Dramen地区新老黏土的试验资料，得到Su/σ'v0与塑性指数Ip关系图，并指出老黏土由于长期的次固结作用，其Su/σ'v0比几乎没有经过次固结作用的新黏土要高[9]。但是，Skempton和Bjerrum的研究成果在上海地区的适用性研究很缺乏；而且，我国塑性指数Ip测量方法与西方国家不同，我国采用76g平衡锥来测量的液限（ωL）稍低于用“落皿法”测定的数值（ωL*），因此将液塑限进行修正，并与国际普遍认可的研究成果进行比较十分必要。南京水利科学研究院曾根据塑性指数在7～51之间的84个试样，统计得出ωL=5.59+0.7ωL*，并得到修正后的塑性指数Ip*计算式为：Ip*=Ip+0.43ωL-7.99。

图3 Su/σ'v0随埋深Z的变化Fig.3 The variation of Su/σ'v0with depth

图4是将Skempton公式和Bjerrum观测资料与本文所得结果进行的比较。本文的塑性指数Ip是整个场地在该深度的平均值，并用上式得到修正后的塑性指数Ip*。考虑到夹砂层的影响，图中略去较大离散点。从图4可以看出，第③层淤泥质粉质黏土层Su/σ'v0位于老黏土曲线之上，第④层灰色淤泥质黏土层Su/σ'v0位于新老黏土之间，而第⑤1层黏土层接近新黏土曲线。

从沉积历史上看，第⑤1层黏土层先沉积，然后依次是第④层灰色淤泥质黏土层和第③层淤泥质粉质黏土层。理论上讲，先沉积的土层经历了长时期因流变性造成的次固结作用，其强度会逐渐增大[10～12]，相应的Su/σ'v0比值也会更加接近老黏土曲线，后沉积的土层在新黏土曲线附近。但从图4看到，实际情况与理论恰恰相反，即第③层灰色淤泥质粉质黏土层Su/σ'v0稍高，第⑤1层黏土层Su/σ'v0则处于较低位置。这可能是因为，尽管第③层灰色淤泥质粉质黏土塑性指数较低，但土颗粒间存在化学联结作用，这种作用对

浅部土层的强度Su及Su/σ'v0有较大影响，并随着深度的增加逐渐降低。

图4 Su/σ'v0与塑性指数Ip*的关系Fig.4 The relationship of Su/σ' and I*v0p

胡中雄根据上海炼油厂的实测资料整理得到，塑性指数Ip=16～25的软土，Su/σ'v0=0.19～0.13[2]。Su/σ'v0相对较低，推测此处软土由于某种原因尚未完成固结。

4 十字板强度与静力触探比贯入阻力相关性分析

软黏土的十字板强度Su与静力触探比贯入阻力Ps的相关性已有较多研究，并各自给出了关系表达式（表2），但对不同表达式的分析对比与评价还很缺乏。

表2 十字板强度Su与静力触探比贯入阻力Ps相关性部分成果Table 2 The correlation of Su and Ps

本文在搜集12个工程的岩土测试资料基础上，选取每层土十字板强度平均值与静力触探比贯入阻力Ps平均值，整理得到图5所示结果。可以看出，Su随Ps增大而增大的趋势明显，二者关系可采用线性关系式表达，但数据离散性较大。另外，收集到的数据多位于经验公式的上方，相对而言，①②更加合适，现有铁路规范所给出的线性相关性公式偏于保守。

图5 十字板强度Su与比贯入阻力Ps相关性Fig.5 The correlation of Suand Ps

5 结语

上海地区滨海相软黏土十字板强度Su整体上随深度呈先减小后增大趋势：在浅部土层具有很大的离散性；在埋深12～25m范围内，Su与土层深度Z呈线性关系，可以Su=2.7Z±10关系式进行拟合。

十字板强度Su与上覆有效压力σ'v0的比值Su/σ'v0随埋深Z有减小趋势，埋深越小离散性越大，埋深越大离散性越小。各层土Su/σ'v0的变化范围在0.3～1之间，第③层比值为0.4～1.0，第④层和第⑤层比值为0.3～0.4。

研究修正后的塑性指数Ip*与Su/σ'v0的关系表明，上海地区浅部软土层塑性指数小，Su/σ'v0稍高，深部土层塑性指数小，Su/σ'v0反而低。已有的研究成果在上海滨海相软土层并不适用。

上海地区滨海相软黏土Su随Ps增大而增大的现象明显，二者相关性若用线性关系式表达，则数据离散性较大。现有研究成果和铁路规范所给的关系式偏保守。

本文仅针对上海地区滨海相软黏土，是否适用于其他沉积类型的软黏土还需进一步研究。

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The vane strength of soft marine clays in the Shanghai area

GAO Yan-Bin1, YUAN Xiang-Cheng1, CHEN Jie2, SHEN Chao2
(1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Shanghai Geotechnical Investigation & Design Institute Co., Ltd, Shanghai 200032, China)

This paper reports depth profiles of the vane shear strength of soft marine clays in Shanghai based on the results of 12 engineering investigation surveys. The relationship between depth and the ratio of undrained strength to effective overburden stress is analyzed, and the range of observed values is given. The relationship between the plasticity index and the ratio of undrained strength to effective overburden stress was also analyzed. Finally, the correlation between FVT strength and the specific penetration resistance of CPT was determined.

soft soil; vane strength; effective overburden pressure; plasticity index; specific penetration resistance

P642

A

2095-1329(2015)02-0092-04

2015-04-13

2015-06-09

高彦斌(1973-),男,博士,副教授,主要从事软黏土力学特性及软基处理研究.

电子邮箱: yanbin_gao@tongji.edu.cn

联系电话: 021-65983715

国家自然科学基金(40702051)

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.02.021