廈門花崗巖風化層的地震扁鏟側脹(SDMT)試驗研究*

陳曉堅

(廈門軌道交通集團有限公司 廈門 361000)

0 引 言

廈門地區廣泛分布著風化的花崗巖地層，花崗巖殘積土與全風化、強風化花崗巖的厚度達10～50im。在當地的工程建設中，如何科學安全與經濟合理利用花崗巖風化層，以及如何準確獲得基坑開挖與支護過程中土體的力學性質指標表現得尤為突出。國內外眾多的研究成果表明，花崗巖殘積土作為一種區域性特殊土體，雖然具有相對較高的強度，但同時也表現出較差的抗水性，即隨著含水率增大，其強度會顯著降低，突降暴雨還可能引發強烈的崩解現象(張抒等， 2013; 張先偉等， 2016a； 簡文彬等， 2017； Zhang et al.，2017)。另一方面，花崗巖風化土層的石英砂礫含量較高，孔隙比很大，易于擾動，擾動效應也容易引起強度的降低(Kim et al.，2010)。這也要求該類土必須采用擾動較小的取樣技術取土，制樣及試驗操作必須極其小心，避免擾動后獲得的強度指標失真。因此，花崗巖風化土力學指標的測定多采用原位手段(張先偉等， 2014， 2016b； 尹松等， 2017)。這是因為原位試驗的優點是可以保持土體在天然狀態下，測試其力學性質指標，避免了取樣與制樣過程中的應力釋放與擾動影響，獲得的試驗結果更加真實可靠。目前，對于我國南方花崗巖風化土的力學試驗多集中于室內試驗，系統的現場試驗與結果分析并不多見。

扁鏟側脹試驗(DMT)是由Marchetti發明的一種原位試驗方法，該方法由于試驗操作便捷、重復性高，受外界環境影響小收到工程師的普遍歡迎，這種原位試驗方法也列入美國土木工程學會推薦的原位試驗方法(Choo et al.，2016； Schnaid et al.，2016)。隨著勘察需求的增高，最近發展了一種新型的原位測試技術——地震扁鏟側脹試驗(seismic dilatometer test， SDMT)，這是在扁鏟側脹儀的基礎上加入剪切波速測試。它的原理是在扁鏟鏟頭的上方設置間距0.5im的兩個波速接收裝置，可以獲得在地表施加的錘擊波動信號，由此計算得到不同埋深的剪切波速Vs。由于巖土工程勘察規范(DBJ 13-84-2006)建議對于花崗巖殘積土需要測定剪切波速來劃分風化等級，這也便于該方法在我國花崗巖地區推廣使用。現有的一些研究成果也表明(Monaco et al.，2014)，對于風化土地層，利用地震扁鏟側脹試驗可以較準確地獲得土體多種力學性質指標，具有較高的可靠性與適用性。

本文選取廈門市城市地鐵軌道交通1號線的3個站點的典型花崗巖風化地層為研究對象，開展了地震扁鏟側脹試驗(SDMT)，對花崗巖風化土層的風化程度和力學性能進行了較系統的試驗研究，研究結果對廈門地區風化土地基的優化設計具有直接的指導意義。

1 場地工程地質特性與試驗方法

1.1 試驗場地的工程地質特征

根據廈門城市地鐵軌道交通1號線的24個站點基坑勘察報告，該區地下水位普遍為1～3im。廈門地區的花崗巖殘積土呈灰白色，黃色，褐色，埋深相對較淺的受紅土化影響，呈紅色； 除石英顆粒外，其他礦物基本風化為高嶺石； 土中礫粒含量一般為15%～35%，大多屬礫質黏性土，少部分為砂質黏性土，屬不連續級配土； 土體孔隙率高，干燥狀態下顆粒間有一定結合力，遇水后強度急劇降低。花崗巖風化帶的顯著特點是差異風化特別明顯，全-強風化帶中普遍存在中等-微風化殘余體(小碎石顆粒)，中等風化帶中也會有強風化巖體囊狀風化特征，風化帶的均勻性差，風化界面復雜，增加了巖土工程勘察和施工的難度。

試驗場地選擇廈門市地鐵軌道交通1號線的3個站點：呂厝站、杏錦路站和園博苑站。3個場地的典型地層剖面見圖 1。從揭露深度30im的3個地層鑒別孔可以發現，埋深1.2～3.6im后開始進入花崗巖風化層，隨著深度增加風化程度逐漸減弱，根據風化程度不同依次為殘積土、全風化層、強風化層和中風化層，但個別站點(如呂厝站)沒有發現強風化花崗巖。同時，殘積土層厚度相對較厚，根據土顆粒中黏粒含量不同與風化程度差異，將殘積土層進行地層的進一步劃分為兩個亞層(圖 1)。

圖 1 試驗場地的標準貫入試驗結果和地層劃分Fig. 1 Geological section and standard penetration test results of the test site

圖 2 地震扁鏟側脹試驗儀Fig. 2 Photo of seismic dilatometer

1.2 地震扁鏟側脹(SDMT)試驗

首先根據標準貫入試驗初步確定土層分層，在距離標準貫入試驗孔約1.5im處進行地震扁鏟側脹試驗，試驗儀器見圖 2，試驗深度范圍涵蓋花崗巖殘積土層。首先將鏟頭用鉆機靜力壓入土中，達到預定的測試深度后，采用應力控制式施加氣壓是鏟頭的膜片膨脹，測試此時的氣壓值； 當鏟頭膜片膨脹至位移量0.05imm，測試得到的壓力值記為A，再逐漸施加氣壓，當膜片膨脹至位移量1.1imm 時，測試得到的壓力值記為B； 然后，逐漸降低氣壓，當膜片收縮恢復到初始擴展的位置時，當膜片內縮到開始擴張的位置，測試得到的壓力值記為C。上述步驟為一個測試深度的試驗過程，測試完成后，繼續下壓鏟頭進行下一個點位的測試，直至測試完所有花崗巖風化地層。其中，相鄰測試孔間距為0.2im，同一測試孔的測試深度間隔為1im。

根據上述測試的膜片不同位置的氣壓值A和B，可以計算出土體的土壓力P1、P0、⊿P。其中，定義扁鏟膜片在土中膨脹前的接觸土壓力為P0(kPa)，膜片膨脹位移1.1imm時，即膨脹至B點時的土壓力為P1(kPa)，則進一步得到B點與開始膨脹之前的接觸土壓力之差⊿P(kPa)，該值即為P1與P0之差，計算公式為：

(1)

p1=B-zm-ΔB

(2)

P2=C-zm+ΔA

(3)

Δp=p1-p0=1.05(B-A-ΔA-ΔB)

(4)

式中，zm為壓力表零漂(kPa)。

根據上述定義值可以計算扁鏟側脹試驗的原位力學參數：側脹模量ED、水平應力指數KD與土類指數ID。

ED=34.7(p1-p0)

(5)

KD=(p0-uw)/σv0

(6)

ID=(p1-p0)/(p0-uw)

(7)

式中，σ′v為不同埋深的土體的有效自重壓力(kPa)；uw為對應的土體的靜水壓力(kPa)。

在進行扁鏟側脹試驗的同時，可以在預定深度同步進行剪切波速的測試，試驗原理見圖 3。需要說明的是，扁鏟側脹試驗測試深度為圖 3中Z2點下的0.5im左右，而剪切波速測試深度為(Z1與Z2)的中點。

圖 3 SDMT地震剪切波測試原理Fig. 3 Principle of shear wave test of SDMT

2 SDMT試驗結果與分析

2.1 風化程度判定與土性分類

圖 4 SDMT試驗結果Fig. 4 SDMT test results of three sitesa. 扁鏟側脹試驗結果(杏錦路站); b. 剪切波速試驗結果

表 1 福建省花崗巖風化程度劃分標準Table 1 Classification standards of granite weathering in Fujian Province

需要說明的是，風化形成的土體由于其成土過程復雜，土質分類多介于黏性土與砂性土之間，工程中常對其進行土質分類，在根據力學指標進行地基承載力的確定和工程設計。利用SDMT試驗結果可以很好地解決這一問題。根據Marchetti提出的判定標準(Marchetti， 1980)，如表 2所示，從圖 5a可知，杏錦路站埋深15im的范圍內殘積土土質分類為粉土； 園博苑站土質分類為砂性土； 呂厝站上部為粉土，在11im風化程度變弱，土質分類變為砂性土。上述結果與現場鉆探取樣得到結果是基本吻合，因此，采用土類指數ID可以直觀反映土性變化特點。

表 2 根據SDMT試驗結果的土層劃分標準Table 2 Soil classification standards based on SDMT test results

2.2 水平應力特性

水平應力指數KD反映土體的水平應力，越大反映出土的水平應力越高； 側脹模量ED可反映土的強度，越大土的強度越高。從圖 5b， 圖5c可以看出，隨著埋深逐漸變小，風化程度增強導致土中黏粒含量增加，土的水平應力增高，但土的強度降低，反映在KD逐漸增大，ED逐漸降低。

另外，KD可視為土層由于探頭貫入放大之后的K0。在正常固結黏土中，KD的值約為2。大量研究成果表明，KD的剖面與OCR相似，根據KD的測試結果有助于認識沉積土層的應力歷史。Marchetti根據水平應力指數KD，對正常固結黏性土提出了如下關系式(Marchetti， 1980)：

OCRDMT=(0.5KD)1.56

(8)

式(8)考慮了當KD=2時OCR=1的情形，這已經被大量的正常固結黏土沉積物所證明。根據圖 5f可以看出， 3個試驗場地的OCR計算值都超過1，可判定為超固結土。但必須說明的是，不同于沉積型土，風化型土應該是一種似超固結性，這種似超固結性主要是由于殘積土保留了母巖一定的結構強度以及風化形成的次生膠結所引起。

利用KD還可以計算土的靜止土壓力系數K0，根據鐵路工程地質原位測試規程，對于水平應力指數KD為1.5～4.0的一般飽和黏性土，靜止土壓力系數K0可以用下式計算：

(9)

由此可獲得不同深度殘積土的K0(圖 5e)。呂厝站與杏錦路站殘積土層的K0=0.4～0.6，園博苑站殘積土層的K0=0.5～0.8。3個場地土層的K0基本呈現隨著深度增加K0逐漸降低。

2.3 排水特征分析

準確判斷土的排水特性對于基坑開挖，地基排水措施選型等具有重要意義。Marchetti指出SDMT測試得到的P2可以用來判斷土體的排水特征(Marchetti， 1980)：當P2近似等于靜水壓力u0時，土體呈現自由排水特性(如砂土)； 當P2>u0時，土體呈現非自由排水特性(如軟黏土)。從呂厝站測得的P2可以看出，隨著深度逐漸增加，P2逐漸靠近u0，埋深大于12im后P2明顯小于u0(圖6)，反映出隨著風化程度的增強土體從自由排水向非自由排水過渡的特性。

圖 6 P2與u0隨深度變化曲線(呂厝站)Fig. 6 Change curves of P2i and u0 with depth(Lü Cuo site)

為了進一步分析土體的排水特性，引入孔壓指數UD。根據以往研究，UD=0，為排水層；UD=0.7，為非排水層； 0

2.4 剪切波速與動剪切模量

剪切波速Vs是場地分類、飽和土液化評判和工程場地地震安全評價等分析中一個重要參數。相對于常規的落孔法或跨孔法，以及物探方法測試剪切波速，SDMT試驗提供了一種簡單地獲取土體剪切波速的方法。為了評價SDMT試驗測試Vs的可靠性，在杏錦路站試驗場地進行了跨孔法和SDMT的比對試驗。從圖 5g可以看出，跨孔法與SDMT試驗在鉆孔淺部測試結果相差幅度較大，隨著深度增加，兩種方法得到結果逐步減小，并在一定深度后趨于一致，這與以往研究結果基本一致。由于跨孔法至少需要兩個鉆孔，鉆探工作量大，成孔質量要求較高，工程費用高，因此，SDMT具有更廣泛的適用性和經濟性。

根據SDMT試驗得到剪切波速后，可進一步獲得不同埋深土體的動剪切模量G0，計算公式為：

(10)

式中，ρ為土體的天然密度。

根據式(10)可以得到3個場地的花崗巖風化層的不同深度的G0(圖 5h)。其中，園博苑站殘積土的動剪切模量最小，即小應變范圍內土體的剛度最小， 15im的深度范圍內G0變化范圍為25～40iMPa； 杏錦路站土層的剛度最大，在12im的深度范圍內G0變化范圍為53～85iMPa，埋深超過12im后，G0超過100iMPa。

3 結 論

(1)通過對廈門典型花崗巖風化地層的地震扁鏟側脹試驗可以看出，SDMT是一種適用性強、可靠性高的原位測試方法，從扁鏟指數可以獲得一系列的土體力學參數，判定土層的風化程度，評價土體的原位水平應力和排水特征，相對于傳統的DMT試驗，SDMT還可以獲得土體剪切波速，進而評價土體動剛度特性，是一種適用性較強的新型原位測試手段。

(2)綜合分析SDMT試驗的各項指標，采用剪切波速和土類指數ID可以進行土質分類。廈門花崗巖殘積土土質分類基本為粉土-砂性土，具有似超固結特性，表現出計算OCR值普遍大于1，排水特性介于排水型與非排水型的中間過渡階段。其中，呂厝站、杏錦路站和園博苑站試驗場地的殘積土層的靜止土壓力系數K0=0.4～0.8，動剪切模量G0=25～120iMPa。

(3)花崗巖殘積土的力學性質指標對風化程度特別敏感，隨著埋深增加，風化程度逐漸減弱，土質分類由粉土向砂性土轉化，受其黏粒含量減少影響，土體水平應力減小，但強度與剛度增加，剪切波速逐漸增大，似超固結特性逐漸減弱，排水特性逐漸從非排水型向排水型過渡。這種差異風化的影響要求在風化土層地區必須重視場地勘察工作，尤其是注意不均勻風化引起的土體力學指標的變異性評價。

(4)目前國內外學者基于DMT或SDMT試驗結果，提出了很多力學指標評價方法與經驗公式，但多是針對砂土與黏土，廈門花崗巖殘積土屬于一種區域性特殊土，如何立足于殘積土特殊的力學行為表現，提出適用于這種特殊土的原位力學指標評價體系將是未來研究的重點。