西安渭河高漫滩砂土层抗剪强度试验与强度参数对比研究

张 鑫，赵 成，王电华，余 海，潘登丽

(1.西安市轨道交通集团有限公司，西安 710018；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

随着西安市城市发展范围的扩大，北跨渭河发展战略的深入实施，西安北向的城市发展空间进一步扩展，特别是近年来城市基础设施的不断完善，轨道交通线网的进一步完善、外围线路的进一步延伸，渭河漫滩区和阶地区砂土地层的开挖、支护、降水、地基处理等岩土工程问题已成为轨道交通地下工程建设中面临的主要问题。

西安市范围内渭河沿线主要有粉砂层、粉细砂层、细砂层、中砂层、粗砂层及砾砂层，一般具有松散、力学性质差的特征。在地下工程建设中砂层基坑的开挖和支护尤为重要。因此，获取准确的砂层物理力学参数，对于基坑的设计和施工起着决定性作用。

学界和工程界一般认为砂土强度基本上受两类关键因素控制和影响：土颗粒物理属性及土体存在状态。前者包括矿物组分、粒径、级配、颗粒形状；后者包括土体结构、密实程度、有效应力状态等[1]。鲁博等[2]分析了砂土内摩擦角和黏聚力随不同颗粒粒组含量、密实度的变化趋势及规律；朱建群等[3]对含无塑性粉粒的砂土进行了三轴固结不排水试验，并指出粉粒含量通过颗粒组成和结构对粉砂强度和变形产生重要影响；常在[4]、曾军[5]分别采用颗粒力学和离散元模拟试验进行砂土强度的研究；朱俊高等[6]研究了密度对砂土应力应变强度特性的影响，发现密度对轴向应变、体积应变、变形模量、强度指标等均影响较大；刘清秉等[7]开展了砂粒土颗粒形状的量化工作，研究表明颗粒形状参数与剪胀角、临界状态摩擦角均具有良好的相关性。针对砂土强度的影响因素虽已开展了很多的工作，但由于现场采取原状砂试样难度大、原状试样和重塑试样对比试验数量多、成本大并且周期长，因此，对于砂土地层的原状试样与重塑试样直剪试验、三轴试验以及休止角试验的对比分析开展的相对较少。

本文在西安市地铁4号线北客站岩土工程常规试验的基础上，针对工程中涉及到的砂土层进行了原状和重塑试样的直接剪切试验、重塑试样的三轴压缩试验，对比分析剪切试验结果，开展水上和水下休止角试验，分析休止角与内摩擦角之间的关系，并结合现场工程设计及施工的应用情况，提出测试砂层剪切指标的推荐方法和建议值选取原则方法，为本地区地下轨道交通工程基坑支护和地基处理岩土参数的合理选取提供支撑。

1 试样及试验概况

1.1 工程背景

工程场地位于西安市北郊渭河南岸，北距渭河约3 km，渭河河床宽200～2 000 m，河流曲折，以侵蚀北岸为主。如图1所示，工程场地地表有大面积人工填土等，地形起伏较大，地貌单元属渭河高漫滩。场地分两阶段共进行勘探及各类测试钻孔76个，深度30～40 m不等，不同地层均采取原状试样和扰动试样，对218组原状试样和733组扰动试样进行室内物理力学指标测试。

工程场地地层主要由第四系全新统人工填土、冲积砂类土，上更新统冲积粉质黏土、砂类土构成。综合地层的时代成因、地层岩性和工程特性对场地的砂层进行工程地质分类见表1。砂层共分为8层，由浅及深编号为①～⑧。①～⑥层为第四系全新统地层，⑦、⑧层为上更新统砂类土。其中②、④层中砂分布连续、稳定；①、③层粉细砂、⑤层粗砂、⑥层砾砂分布不连续，多以透镜体形式出现；⑦层粉细砂、⑧层中砂现场勘探揭示分布较为连续，但厚度变化较大，局部有缺失。按照GB/T 50123-1999《土工试验方法标准》[8]测试各砂层的基本物理力学性质指标并进行分层统计，其平均值见表2。

表2 场地各砂层基本物理力学性质指标平均值统计

根据室内土工试验资料，①、②层砂层位于水位以上，含水率较低，孔隙比相对其它砂层大。对比分析水下各砂层，发现各层物理力学性质指标除了与埋深和时代有关，还与粒径大小有关。粒径粉细砂<中砂<粗砂<砾砂，天然密度、最大干密度、最小干密度也逐渐增大；反之孔隙比则逐渐减小。

1.2 试样采集和制备

原状砂试样采用孔内取砂器采取，如图2所示，探井内采用环刀人工采取，扰动试样采用探井、岩芯管及标贯器内获取。

图2 取砂器

1.3 试验方案设计

每层砂土均获取多组试样并开展直接剪切试验、三轴压缩试验和休止角试验，试验方案如表3所示。每一层砂土的原状试样进行直剪试验，与原状试样同等密度的重塑样进行直剪试验和三轴固结排水剪试验。

表3 试验方案表

三轴压缩试验是根据摩尔-库伦强度理论，采用3～4个试样，分别在不同的恒定围压(小主应力σ3)下施加轴向压力(主应力差)，进行剪切直至破坏，从而确定土的抗剪强度参数。三轴压缩试验中砂类土试样的制备方法如下：首先，在压力室底座上一次放上不透水板、橡胶膜和对开圆膜；然后，在对开圆膜内注入纯水至1/3高度，将煮沸的砂料分3层填入，达到预定高度。放上不透水板、试样帽、扎紧橡皮膜；最后，对试样内部施加5 kPa负压力，使试样能站立，拆除对开膜。

根据排水条件的不同，三轴试验分为3种：① 不固结不排水试验(UU)；② 固结不排水试验(CU)；③ 固结排水试验(CD)。其中固结排水剪切试验(CD)是在整个试验过程中允许试样充分排水，即在某一围压下排水固结，然后在充分排水的情况下增加轴向压力直到剪坏为止，进而测定有效抗剪强度指标(黏聚力 、内摩擦角 )，试验过程见图3。

图3 三轴压缩试验(CD)

测试每层砂土的水上和水下休止角，如图4所示，分析休止角与内摩擦角的关系。

图4 休止角试验

1.4 试验过程及统计

试验过程中，每天固定专人、固定仪器进行试样采集并及时送回土工试验室开展室内试验，样品具有代表性。室内试验操作人员、直剪、三轴试验和休止角测试设备相对固定，避免试验操作引起的误差。统计过程中各地层的物理力学性质指标按岩土分层进行统计。统计时，对由于岩土层的不均匀性或夹层造成的明显离散的个别数据予以剔除。

2 成果分析

2.1 砂层剪切试验结果

图5 各砂层剪切试验结果

对比各砂层的原状和重塑试样直剪试验结果，发现①、③层粉细砂的重塑试样黏聚力及内摩擦角均较原状样剪切试验成果大，强度包线也在原状试样之上;②层中砂、④层中砂、⑦层粉细砂、⑧层中砂的原状试样和重塑试样的强度包线基本重叠，相差不大;⑤层粗砂、⑥层砾砂重塑试样的强度包线在原状试样之下，这是由于粒径较大的砂层在河流冲积作用下，历经漫长时间沉积下来，砂颗粒之间的接触处于较稳定的状态，机械咬合力大，不宜产生相对滑动，而重塑试样的砂颗粒在人为条件下重新排列，砂颗粒无法在短时间内达到最优排列状态，在强度上表现为较原状样的强度较小，这种情况在大粒径的砂层中表现更明显。

图6 原状和重塑快剪、三轴CD试验对比

鉴于以上分析，从工程安全性原则考虑，工程应用中各砂层的黏聚力建议值取0，内摩擦角的建议值参考原状砂试样的直剪试验结果取值。实际在该车站基坑设计及施工过程中，各砂层的抗剪强度指标建议值按上述原则进行应用，取得了较为满意的成果，为基坑的开挖设计参数提供了较为科学的依据。

2.2 休止角与内摩擦角的关系

颗粒休止角是在重力场中，颗粒在粉体堆积层的自由斜面上滑动时所受重力和粒子之间摩擦力达到平衡而处于静止状态下测得的最大角[9]。休止角试验环境有水上和水下两种。区别于内摩擦角一般通过剪切试验或三轴压缩试验获取，侧重于描述砂土颗粒被挤压密实后滑动面颗粒之间的咬合摩擦关系[10]。尽管工程上认为内摩擦角可用休止角近似代替，但是砂土内摩擦角的数值选取问题一直困扰着研究人员。

根据GB/T 50123-1999《土工试验方法标准》[8]对8层砂层开展风干状态和水下状态下的休止角试验，并统计每个砂层的水上休止角、水下休止角和原状砂土快剪试验内摩擦角的平均值并进行对比，如图7所示。

图7 水上、水下休止角与内摩擦角对比

从图7中统计结果来看，原状砂土的水上休止角普遍大于水下休止角，这与孟震[11]、王新强[12]等通过试验得到的结论相同，说明砂土颗粒堆积体浸泡在水体中将会发生崩塌。原状砂层的内摩擦角的大小介于水上休止角和水下休止角之间，随着埋藏深度增大而增大，从①～⑧层呈现逐渐增大的规律，③层和⑦层除外，这是由于③层和⑦层为粉细砂。当砂土中含粉粒时，在外力作用下砂粒相互错动导致处于砂粒接触点上的粉粒滑入孔隙中。这样的粉粒-砂粒相互接触关系使得砂粒间的咬合作用被削弱，呈现出粉细砂的内摩擦角相对较小。

3 结 论

(1) 砂层在颗粒大的情况下，砂层间具有一定的机械咬合力，重塑后变小；中细砂重塑试样黏聚力及内摩擦角较原状试样剪切试验成果大，而粗砂重塑试样的抗剪强度参数小于原状试样。

(2) 同一砂层的直剪试验和三轴CD试验表明，三轴CD试验的砂层内摩擦角及黏聚力均大于室内直剪试验。

(3) 针对不同砂层的水上、水下休止角测试，水上休止角一般大于水下休止角，水上休止角大于原状试样直剪试验得到的内摩擦角。

(4) 基坑支护设计中可不考虑砂层的黏聚力作用，原状砂层的直接剪切指标一般较为贴近现实，内摩擦角建议取原状砂层的直剪试验结果。