珠三角软土原位测试的工程实践及成果应用效果分析

陈富强，杨光华，，孙树楷，官大庶，朱思军

（1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2.广东省岩土工程技术研究中心，广州 510635；3.广东省山洪灾害突发事件应急技术研究中心，广州 510635；4.华南理工大学土木工程系，广州 510641；5.广东水利电力职业技术学院，广州510925；6.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 221116）

1 研究背景

原位测试是在岩土体所处的位置，基本保持岩土原来的结构、湿度和应力状态，对岩土体进行的测试，与室内试验相比，可避免采取岩土样的运输过程扰动、含水量损失等产生的影响，所以原位测试更能反映岩土体的实际状态。

原位测试技术的应用与研究一直受到业界的重视，如早期工程师们就采用载荷试验来确定地基的承载力，该方法已较成熟，如各勘察规范和地基设计和检测规范中均有介绍。赖琼华［1］通过载荷试验确定岩土体的变形模量，建立标准贯入试验锤击数与变形模量的关系等。近年来，原位测试的研究成果也较多，如刘松玉等［2-4］在静力触探试验和孔压静力触探（CPTU）测试方面做了大量研究，如将CPTU用于确定土的先期固结压力、土的分类、砂土液化判别等。闫澍旺等［5］将十字板剪切试验用于推算软黏土抗剪强度，此后该方法被编入《港口工程地基规范》（JTS 147-1—2010）。杨光华等［6-7］利用原位旁压试验获取切线模量法计算参数和地基承载力等。随着科技发展和机械、仪器设备更新换代，原位测试已成为勘察和检测的重要辅助或者主导方法［8-9］，可以预见，原位测试的应用前景必将越来越广泛。虽然原位测试的手段是越来越先进和自动化了，但是对其测试机理的研究还很少，另外，由于原位测试往往并不能直接获得岩土体的抗剪强度参数和变形参数，在一定程度上阻碍了原位测试的发展，所以对原位测试结果的应用也还有待进一步的研究和推广。

本文以十字板剪切试验在珠三角软土工程的工程实践案例为背景，利用十字板剪切强度试验推算抗剪强度指标的方法应用于广东软土地基，并通过对试验的数据整理及工程应用效果进行分析研究。将该方法得到的抗剪强度指标与常规室内试验进行对比，以期解决若用常规室内试验无法处理的工程问题，为类似工程提供借鉴，并在珠三角软土地区示范性推广十字板剪切试验。验和十字板剪切试验，测试设备均采用进口设备。其中，静力触探采用瑞典GEOTECH公司NOVA型静力触探仪，十字板剪切试验采用瑞典GEOTECH公司VANE型电测十字板剪切仪，如图1所示。并且将静力触探和十字板剪切的装置进行了改造，将其与履带式车组合在一起，如图2所示，这样可以机械液压式下锚和拔锚，方便拆运，静力触探贯入和十字板剪切过程机械自动化，避免了人为操作的不均匀性和不规范性。采用静力触探主要是为了查明土层的分布情况，因为静力触探可以连续反映土层沿深度方向的变化情况，所以易于地把十字板剪切试验过程中可能异常的数据剔除（如剔除淤泥中夹砂层的试验数据）。

2 原位测试试验设备

在同一试验区域，原位测试采用了静力触探试

图1 瑞典GEOTECH公司VANE型电测十字板剪切仪Fig．1 VANE cross plate shear apparatus by Swedish GEOTECH company

图2 履带式液压静探车Fig．2 Crawler hydraulic static probe vehicle

瑞典GEOTECH公司VANE型电测十字板剪切仪主要由以下几部分组成：

（1）十字板板头选用十字板头宽度75 mm，高度150 mm，顶端锥形。

（2）贯入装置采用台州市建元工程勘察仪器有限公司制造的TLSY-20型履带式液压静探车提供贯入力和起拔力。其额定贯入力为200 kN，额定起拔力为230 kN。

（3）探杆采用长1 m的Ф22 mm高强度钢管，共50根。

（4）主机提供剪切力，并记录数据，量程为100 N·m。

3 在珠海软土填方边坡中的应用及效果分析

该填方边坡为广东珠海某改线新建的排洪渠岸墙边坡，原设计断面如图3所示。2011年施工过程中，挡土墙后回填土到标高1.5～1.8 m时，排洪渠左岸和右岸的部分挡土墙先后出现了滑移变形，排洪渠内局部出现了隆起。根据施工图，挡土墙后填土还需要继续回填至标高3.8 m。后来采用了广东省水利水电科学研究院的建议方案，即渠内抛石反压和墙后插塑料排水带加固，该项目得以成功实施和完工，节省了大量资金，取得了非常好的效果［10］。

现在的问题是由于渠内反压了抛石，可能会影响排洪渠的行洪能力，所以业主方还是想拆除渠内的反压抛石，但是拆除后，排洪渠的挡墙是否安全需要通过挡墙的稳定性计算。计算挡墙稳定性时，淤泥的抗剪强度参数是关键。为此，先后进行了3次钻探取样测试淤泥的抗剪强度参数，试验结果如表1所示。

表1 各年勘察钻探取样淤泥层的室内土工试验结果对比Table 1 Comparison of laboratory test results of drilled samples of silty soil

表1中2010年10月为初设时间，从表1可知，随着时间的延长，淤泥的强度指标总体呈现增长趋势。根据2015年9月的勘察资料，淤泥质土和淤泥的强度参数均取自勘察报告建议值，重新复核了拆除全部反压的抛石后挡墙的整体稳定性，其安全系数为0.928，是不稳定的，故尚不能全部拆除抛石。由于采用室内试验测得的指标，验算后尚不能全部拆除抛石。

但是从固结理论推算淤泥的指标，初步分析已可拆除抛石。为了验证这个结果的可靠性，为此，2016年7月广东省水利水电科学研究院建议业主采用原位十字板剪切试验重新测试淤泥的参数，在现场共布置了6个（试验孔编号FVST1—FVST6）十字板剪切试验孔，各试验点土的不排水抗剪峰值强度见表2。

图3 挡墙设计断面Fig．3 Design section of retaining wall

然后将6个孔的试验数据，按《港口工程地基规》（JTS 147-1—2010）中附录J的方法推算了淤泥的强度参数，具体计算方法为：根据测得的每个测点抗剪峰值强度¯Y和深度¯X，可以通过线性回归公式（1）获得回归参数a和b，然后利用式（2）和式（3）即可求出内摩擦角φ和黏聚力c。

式中：D为十字板的直径，取75 mm；H为十字板的高度，取 150 mm；K0为土层的侧压力系数，K0＝0.62；Ut为淤泥的固结度，取0.9（真空预压完成）；γ′为土的有效重度。

该方法相比室内常规试验，避免了对土体的扰动，但也存在以下误差：

（1）该方法测定的结果为土的不排水抗剪强度，但实际测试中，已有部分排水，所测的cu值偏大。

（2）该方法采用统计回归的方法推算出土体的抗剪强度指标，存在一定的数值误差。

试验孔FVST5试验曲线及拟合结果如图4所示，其余点位同理可得，结果汇总如表3所示。

图4 试验孔FVST5十字板剪切强度与试验深度的关系Fig．4 Relationship between shear strength obtained from vane shear test and test depth of test hole FVST5

表3 根据十字板剪切试验成果推算淤泥的强度参数结果Table 3 Strength parameters of silt calculated based on vane shear test results

用推算的淤泥的黏聚力最小值c＝12.7 kPa，内摩擦角φ＝5.5°验算拆除抛石后挡墙稳定性可满足要求，目前业主方正准备拆除抛石。

4 在广州南沙某基坑工程中的应用及效果分析

广州市南沙区某工程规划建设用地面积243 492.90 m2，地下室242 708 m2，分成了 7个地块：西一地块、东三东五地块，东四东六地块、西二地块、西三地块、西四东一地块和东二地块，如图5所示。

图5 工程各地块平面Fig．5 Project plans around the block

该场地土层分布由上而下依次为：人工填土层、淤泥、淤泥质土、细砂、砾砂和岩层。从真空预压前后地勘报告中室内土工试验提供的淤泥的直剪指标看，其抗剪强度值提高不多，如表4所示。

表4 地勘报告给出的真空预压处理前、后淤泥的直剪指标Table 4 Direct shear indicators of silt given by geological prospecting report（before and after vacuum preloading）

根据地勘报告提供的各土层抗剪强度参数建议值，基坑支护设计造价比较高。业主方为了减少基坑支护设计的造价，根据广东省水利水电科学研究院的建议，增加了原位测试来推算淤泥的强度指标，并将结果用于基坑支护设计使用，从而优化了基坑支护方案，可节省大量的投资。

对场地内的淤泥、淤泥质土进行静力触探试验，试验孔共15个，穿透淤泥层，孔深平均约30 m，得到侧阻和端阻及摩阻比随深度变化曲线，静力触探试验的另一个主要目的是验证十字板剪切试验结果。同时进行了十字板剪切试验，试验孔15个，试验点沿深度间距为1 m，得到各试验点淤泥的不排水抗剪峰值强度，重塑土强度和灵敏度，并绘制单孔十字板剪切试验淤泥的不排水抗剪峰值强度随深度的变化曲线，西二地块、西三地块、西四东一地块各试验点的试验数据分别如表5—表7所示。

表5 西二地块各试验点土的不排水抗剪峰值强度Table 5 Undrained peak shear strength at various test points in west second block

表6 西三地块各试验点土的不排水抗剪峰值强度Table 6 Undrained peak shear strength at various test points in west third block

表7 西四东一地块各试验点土的不排水抗剪峰值强度Table 7 Undrained peak shear strength at various test points in west fourth and east first block

将15个孔的试验数据，按《港口工程地基规范》（JTS 147-1—2010）的附录J方法推算了淤泥的强度参数，FVST9试验曲线及拟合结果如图6所示，其余点位同理可得，结果汇总如表8所示。

图6 FVST9十字板剪切强度与试验深度的关系Fig．6 Relationship between shear strength obtained from vane shear test and test depth in FVST9

根据表8中十字板剪切试验数据推算淤泥的抗剪强度指标，西二地块淤泥抗剪强度指标最小值c＝13.23 kPa，φ＝5.72°；西三地块淤泥抗剪强度指标最小值 c＝15.84 kPa，φ＝5.68°；西四东一地块淤泥抗剪强度指标最小值 c＝15.78 kPa，φ＝7.07°。可见，经原位测试推算确定的淤泥的抗剪强度指标值均比室内试验获得的大，所以采用原位测试更能反映淤泥的实际状态。文献［11］的结果表明，不同方法推算的淤泥的内摩擦角相差不大，比较稳定，但是推算的淤泥的黏聚力c值比较大，如果直接用于基坑设计可能偏于不安全，故为了安全起见，黏聚力c值还是采用地勘报告中的建议值。

表8 根据十字板成果推算的淤泥抗剪强度参数Table 8 Shear strength parameters of silt calculated based on vane shear test results

主动土压力系数ka和土的水平反力系数的比例系数m均与抗剪强度指标有关，即：

式中vb为挡土构件在坑底处的水平位移量（mm）。

淤泥的强度指标变化对主动土压力系数ka的影响和淤泥的水平反力系数的比例系数m的影响，如表9所示。

表9 淤泥的强度指标变化对k a和m的影响Table 9 Impact of changes in the strength indexes of silt on k a and m

可见，淤泥的强度指标变化对主动土压力系数ka的影响和淤泥的水平反力系数的比例系数m的影响还比较大，然后利用原位测试推算的淤泥的强度参数设计基坑支护，可以降低造价，初步估算，基坑支护每延米造价节省超过12%［12］，取得了较好的经济效益。该项目所有地块的基坑已于2017年全部完成，从基坑监测结果来看，支护方案安全可靠，说明了通过原位测试的数据推算淤泥的抗剪强度参数，并用于基坑设计的做法是成功的，是值得推广应用的。

5 结 论

（1）原位测试更能反映淤泥的实际状态，用原位测试十字板剪切试验数据推算的软土的抗剪强度参数大于室内土工试验得到的参数。

（2）目前规范中用十字板剪切推算的软土的抗剪强度参数的方法，推算出内摩擦角相对稳定和可靠，但是黏聚力偏大，说明该方法还不完善，建议黏聚力应折减使用。

（3）建议对利用原位测试数据推算软土的抗剪强度的方法进一步研究和验证，以扩大原位测试应用范围。