扁铲侧胀试验在软土工程特性评价中的应用研究

郭 霞，万进东

(核工业湖州工程勘察院有限公司，浙江 湖州 313000)

0 引言

近年来，随着原位测试技术的发展，各式各样的测试方法不断被应用于工程实践中，扁铲侧胀试验方法作为一种快速、经济、准确、理论成熟、能提供近连续剖面和不受测试人员熟练程度影响的测试方法，在全球40余个国家得到成熟应用，被美国ASTM 6635通用标准[1]、欧洲规范EUROPE CODE收录，同时也写入了我国国家规范《岩土工程勘察规范》GB50021-2001)[2]、行业标准《铁路工程地质原位测试规程》(TB10018-2018)[3]。

大量的研究表明，在贯入类原位测试方法中，相比于静力触探锥形探头、十字板剪切试验十字板型探头和旁压试验的圆形探头，扁铲侧胀试验的楔形探头在贯入过程中能将土体的扰动程度降低至最低[4-5]。Davidson和Boghrat(1983)使用立体摄影技术观测了静力触探圆锥体尖端和扁铲侧胀楔形探头在砂中产生的应变，结果发现圆锥体周围的砂土应变要高得多[6]。Baligh & Scott(1975)比较了静力触探圆锥体尖端和扁铲侧胀楔形端在黏土中引起的变形[7]，变形网格表明，相对于圆锥体尖端而言，扁铲侧胀楔形探头引起的变形要小得多。软土地层作为特殊工程性质的岩土，具有强度低、流变性、灵敏性、触变性、难于取样和室内试验等特点，土层原始结构状态极易受到贯入设备的扰动，获取其原位强度和刚度参数等十分困难，因此，选取扁铲侧胀试验对软土进行力学测试具有明显优势。

其次，扁铲侧胀试验的测试土层范围十分广泛，可测试土层的不排水抗剪强度范围为2～1000 kPa，侧限压缩模量范围为0.40～400 MPa，对于流塑状态下的软弱土层，能获取精度高的物理力学参数，是其他原位测试方法无法比拟的[8-12]。

其三，扁铲侧胀试验仅通过测试指定位移1.10 mm和0.05 mm位置处的压力值，即可以获取大量物理力学参数，诸如土体的不排水抗剪强度、超固结比、静止侧压力系数、侧限压缩模量等，由于扁铲侧胀是旁压试验之外，少有的能提供横向测试的原位技术，它对土体的原位水平应力变化具有很高的灵敏度，研究表明扁铲侧胀试验侧限模量MDMT和侧胀水平应力指数Kd对土体的灵敏度是静力触探参数锥尖阻力qc的8～12倍，因此，扁铲侧胀试验可以提供静力触探试验和标贯试验等竖向测试方法无法提供的土体应力历史参数[13-15]。

众多的国内学者也对扁铲侧胀试验的方法理论和工程应用展开了大量研究，任建兴[16]对扁铲侧胀探头的贯入和膨胀过程进行离散元分析，观测土体的水平应力变化和变形规律；唐飞跃[17]通过武汉地区多个工程的扁铲侧胀测试数据进行统计分析，建立了地域性的材料指数划分岩土类别经验公式；曾小红[18]介绍了地震扁铲侧胀试验应用于岩土工程勘察实例，测试成果与静力触探试验进行比较；任士房[19]等基于圆形弹性薄板模型，采用理论计算方法对土体的侧向基床系数进行求解。

然而，国内外的研究主要在普通黏性土或者砂土中进行测试，采用的研究手段为数值模拟、理论推导或者与其他原位试验进行对比，对软土这类特殊性的黏性土，采用扁铲侧胀进行原位测试并系统分析和总结经验的报道较少，在工程实践上仍需要大量的研究以揭示其工程性质。

本文通过对湖州市内环快速路北线(二环北路)快速化改造工程东段的软土进行扁铲侧胀试验数据采集，分析材料指数、侧胀水平应力指数、侧胀模量和侧胀孔压指数的变化规律，并在此基础上进一步计算分析软土的重度与类别、静止侧压力系数、不排水抗剪强度、侧限压缩模量和超固结比，以评价软土的工程性质。

1 工程概况及场区软土地质特征

湖州市内环快速路北线(二环北路)快速化改造工程东段(西塞山路—体育场路)起于凤凰开发区巴黎春天住宅小区，以高架方式沿二环西路至苏家庄设苏家庄互通，跨轻纺路，转为隧道向东，下穿龙溪北路、青铜路；转为高架沿二环北路向东，跨机房港；东段西起机坊港，跨四中路、二环东路至三环东路。线路全长约9.23 km。其中地下段全长约1.265 km，高架段全长7.965 km。测试场区为西塞山路—体育场路段的路基、高架、苏家庄互通及隧道。其中路基主要有三段，起止里程分别为K0+400～K0+180、K1+440～K1+640、K2+880～K3+360；路基设计宽度60 m，双向12车道，隧道设计车行断面为双向六车道，起点为轻纺路与二环北路交叉路口，向东至青塘小区北侧，起止里程为K1+640～K2+880；高架主要为苏家庄互通改扩建部分，主线为陵阳路及杭长桥北路高架，增设A、B、C、D、F匝道。拟建场地地貌类型属杭嘉湖冲、湖积平原，地貌类型单一，地势平坦，沿线地面高程一般在3.30～5.60 m之间，沿线表部为厚度巨大的第四系覆盖，上部为全新世中期及早期的河湖相沉积及海相沉积，以黏性土为主；中部为晚更新世晚期河湖相、冲海积相及湖海相沉积，以黏性土和砂性土为主；下部为晚更新世早期河湖相、冲海积相，以黏性土和砂性土为主。场区上覆软土主要如下：

②1淤泥，灰黄色，灰褐色，流塑，质较均，有腥臭味，夹薄层状粉砂，分布不均，局部富集贝壳碎屑，取芯较为困难，该层勘区上部分布较为普遍，分布连续，厚薄不均。埋置深度0～9 m。平均标准贯入击数N=2(1～4)击。

②2淤泥，深灰色，流塑，大部分质均，夹薄层状细砂，分布不均，局部富集贝壳碎屑，多显水平层理，有腥臭味，该层勘区分布较为普遍；厚度较均，埋置深度10～17 m。平均标准贯入击数N=4(1～5)击。

②2-1淤泥质粉质黏土，深灰色，流塑，质不均，分布连续；厚度较均，埋置深度15～25 m。平均标准贯入击数N=7(3～10)击。

2 测试数据分析

图1为现场测试膜片向土中膨胀前的接触压力p0、膜片膨胀至1.10 mm时压力p1、膜片回到0.05 mm时的终止压力p2随深度的变化关系。由图1可见，深度的增加，p0、p1、p2逐渐增加，表明土层埋深越大，在指定相同位移变化条件下，所需的压力越大，换言之，土的刚度随着深度的增加而增加。与钻探揭示地层比较，在深度0～8 m范围内为 ②1淤泥、8～16 m为 ②2淤泥、16～25 m为 ②2-1淤泥质粉质黏土，p0、p1、p2在各地层范围内可以明显划分出不同斜率的直线，如图1中的实斜线，表明各压力值对软土地层具有明显的分辨能力。比较p0、p2值可知，p2值比p0值大，表明软土发生了一定的塑性变形。

图2为p2值、上覆水土总应力、有效土压力、超孔隙水压力随深度变化的关系曲线。由图2可见，②1淤泥和 ②2淤泥的超孔隙水压力较大，而 ②2-1淤泥质粉质黏土层的超孔隙水压力较小。一般来说，对砂层土，p2值与土中静水压力相近，而对于黏性土来说，由于膜片在膨胀过程中，黏性土具有一定的塑性变形能力，对于流态的软土而言，其塑性变形能力则更加明显，因此，测试出的p2值包含了土压力和水压力，不能够反映土中水压力或超空隙水压力的变化。

图1 测试压力随深度变化关系Fig.1 Relationship between test pressure and depth

图2 水土应力值随深度变化关系Fig.2 Relationship between soil & water stress and depth

3 软土工程特性评价

3.1 土体的重度与类别

Marchetti (1980)[20]在研究p0、p1、p2参数过程中发现，在不同的土层中，土层越“硬”，p1值与p0值的差值越大，土层越“软”，则差值越小。因此，提出利用材料指数Id划分土层类别的方法，划分细则见表1。

表1 利用材料指数划分土层类别Table 1 Classification of soil layer by material index

图3为利用扁铲侧胀对测试土层的分类划分结果。由图3可见，利用材料指数对土层划分效果较好，能够反映土层的力学性能，对于深度0～8 m范围内 ②1淤泥、8～16 m ②2淤泥其材料指数基本上落在0.1～0.35范围内，而对于16～25 m ②2-1淤泥质粉质黏土层，其材料指数范围有一定的起伏变化，但基本在0.30～0.65之间，变化的原因与土的软硬程度有关。

进一步地，Marchetti和Crapps(1981)提出利用土层的材料指数和侧胀模量进行推算土体重度的图表法(图4)。由图4可见，对于扁铲侧胀模量Ed<12 MPa的软土而言，其重度为恒定值15 kN/m3。对场区内724个软土样本进行室内试验重度测试，统计发现，其重度平均值在16 kN/m3(图5)。因此，在软土地层中，利用材料指数进行计算土层重度时，有必要参考室内试验测试结果，而图4中的重度值，并非扁铲侧胀试验直接测试值而是换算值，导致其值偏小，应用时可在图4的基础上加1 kN/m3。

图3 利用材料指数划分土层结果Fig.3 Result of soil layer classification by material index

图4 土层的重度确定及土类名称确定Fig.4 Determination of soil layer unite weight and soil type

图5 室内试验测试的土层重度分布Fig.5 Distribution of soil layer unit weight in laboratory test

3.2 静止侧压力系数

在扁铲侧胀试验中，楔形探头的贯入对土层的扰动较小，且圆形钢薄膜的横向膨胀最大值为1.1 mm，因此在小应变条件下，对土层的原状结构性反应灵敏，在软黏土中能够获得精确的侧胀水平应力指数，并依据Lunne(1989)提出的计算方法，由公式(1)可计算得到土体的静止侧压力系数。

(1)

式中，k0为静止侧压力系数，Kd为扁铲侧胀水平应力指数。

根据实际测试侧胀水平应力指数结果(图6)，可以得到内 ②1淤泥、②2淤泥、②2-1淤泥质粉质黏土层的静止侧压力系数土(图7)。由图7可见，尽管都是淤泥，②1淤泥与 ②2淤泥由于埋藏深度和土层天然应力状态不一样，其静止侧压力系数结果也不相同，②1淤泥的静止侧压力系数范围为0.75～1.0，②2淤泥与 ②2-1淤泥质粉质黏土层的静止侧压力系数相近，范围为0.48～0.78。

图6 侧胀水平应力指数Kd随深度变化曲线Fig.6 Variation curve of lateral expansion horizontalstress index Kdwith depth

图7 各土层的静止侧压力系数k0Fig.7 Static lateral pressure coefficient k0 of each soil layer

3.3 不排水抗剪强度

图8为侧胀孔压指数随深度变化曲线。由图8可见，Ud大于0，土体存在着超孔隙水压力，由于软土天然的饱和黏性土特性，获取其不排水抗剪强度成为勘察中最为重要的工作内容。图9为各层土的不排水抗剪强度与侧胀水平应力指数关系，由图9可见，②2-1淤泥质粉质黏土与 ②1淤泥与 ②1淤泥的不排水抗剪强度明显分离，其数值范围在50 kPa～100 kPa之间，而 ②1淤泥与 ②2淤泥的不排水抗剪强度范围相互重叠，但总体而言，②2淤泥的不排水抗剪强度范围在20 kPa～50 kPa之间，②1淤泥的不排水抗剪强度范围在10 kPa～50 kPa之间。

图8 侧胀孔压指数Ud随深度变化曲线Fig.8 Variation curve of lateral expansion porepressure index Ud with depth

图9 各土层的不排水抗剪强度CuFig.9 Undrained shear strength Cuof each soil layer

3.4 侧限压缩模量

侧限压缩模量MDMT是扁铲侧胀试验中的一个重要参数，可直接应用于计算地基土的压缩量和路基沉降。侧限压缩模量MDMT是一维竖向排水条件下的变形对有效上覆土压力的切线模量，其计算方法可通过对扁铲侧胀模量Ed进行系数修正得到，见公式(2)：

MDMT=RMEd

(2)

式中，Ed为扁铲侧胀模量，RM为材料指数与侧胀水平应力指数的函数，见公式(3)。

(3)

图10为侧胀模量随深度变化曲线。将其按公式(2)换算为侧限压缩模量，并统计分析(图11)。由图11可见，②1淤泥、②2淤泥、②2-1淤泥质粉质黏土有67%的样本数，其侧限压缩模量值相近，而剩余33%样本中，②2淤泥、②1淤泥、②2-1淤泥质粉质黏土的侧限压缩模量依次增大。

3.5 超固结比

扁铲侧胀水平应力指数Kd与土的超固结比OCR之间存在着良好的相关关系被众多的学者所证实。Marchetti(1980)最早推算出了未固结黏性土的侧胀水平应力指数与超固结比的指数关系，见公式(4)。

(4)

1995年，Kamei 和 Iwasaki依据大量的Kd和 OCR的数据对公式(4)进行修正，修正后的关系式见公式(5)：

(5)

图10 侧胀模量Ed随深度变化曲线Fig.10 Variation curve of lateral expansionmodulus Edwith depth

图11 各土层的侧限压缩模量MDMTFig.11 Lateral-confined compression modulusMDMT of each soil layer

图12为根据式(4)、式(5)计算的土层超固结比随深度的变化情况，由图12可见，在0～12 m深度范围内，土层的超固结比离散型较大，但其超固结比OCR=2～3，可以判断该范围内软土为超固结土，而在12 m以下土层，超固结比OCR约为1，因此可以判断该段范围内软土为正常固结土。对于软土层，不同公式计算的较为接近，表明对于软土而言，采用侧胀水平应力指数的指数关系式对超固结比的计算结果影响较小，换言之，侧胀水平应力指数是反映土层超固结比的稳定指标，依赖侧胀水平应力指数可获得较为精确的超固结比。

图12 不同深度处土层的超固结比Fig.12 Over consolidation ratio of soil layer atdifferent depths

4 结论

依托湖州市内环快速路北线(二环北路)快速化改造工程东段工程扁铲侧胀试验，针对场区 ②1淤泥、②2淤泥、②2-1淤泥质粉质黏土进行工程特性评价，得出以下结论：

1)随着深度的增加，p0、p1、p2逐渐增加，p0、p1、p2在各地层范围内可以明显划分出不同斜率的直线，表明各压力值对软土地层具有明显的分辨能力。

2)材料指数能准确地对各个软土层进行类别划分，而图表法提供的重度值偏小，对于侧胀模量Ed<12 MPa的土层，其重度可取为16 kN/m3。

3)利用扁铲侧胀水平应力指数能计算和分辨出不同土层的静止侧压力系数、不排水抗剪强度和侧限压缩模量。

4)侧胀水平应力指数是反映土层超固结比的稳定指标，依赖侧胀水平应力指数可获得较为精确的超固结比。