軟土靜力觸探與十字板剪切相關性研究

葉文超

（福州市勘測院有限公司，福州 350108）

0 引言

福州濱海新城主要位于長樂東部海積平原區域，區域內廣泛發育軟土地層。而軟土作為一種特殊性的巖土，在此類土體環境中修建人工結構，土體的穩定性問題和沉降問題顯得尤為重要，獲取準確的物理力學參數是正確評價軟土工程性質的前提[1]。由于軟土強度較低，且具有一定的結構性特征，現場取樣、樣品運輸與室內制備過程中，不可避免地對樣品造成應力釋放和擾動，進而導致試驗數據失真，因此，不同原位測試的應用，彌補了樣品擾動的缺陷，進一步獲取更準確的土體物理力學指標。

目前，對于軟土地基，靜力觸探試驗與十字板剪切試驗因其準確性相對較高，作為原位測試手段得到了廣泛的應用。考慮節省工程勘察項目成本投入、縮短勘察工期以及試驗方法的簡便性，人們一般試圖建立該兩種原位測試參數之間的相關關系。

基于福州濱海新城多個工程項目資料，文中在福州濱海新城軟土分布區域，通過同時進行十字板剪切試驗與靜力觸探試驗兩種原位測試，獲取軟土不排水抗剪強度指標Cu與比貫入阻力Ps，利用數理統計方法進行對比分析，建立了不排水抗剪強度指標Cu與比貫入阻力Ps線性回歸方程，并通過具體項目進行驗證。最終，通過線性回歸方程在濱海新城周邊項目上的推廣應用，僅利用靜力觸探原位測試，即可獲取多參數，一定程度上節省工程勘察費用并縮短了項目工期。

1 原位測試指標相關分析

1.1 不排水抗剪強度指標Cu與比貫入阻力Ps回歸分析

福州濱海新城所處位置，受海、河水以及風等地質營力相互作用，場地內地表出露地層主要為全新統風積層、海積層與沖洪積層見圖1。其中，全新統海積層主要分布于平原中部（潭頭-古槐-江田一帶），發育厚層軟土（最厚可達31.85m）[2]。

圖1 福州濱海新城地質

根據鉆探取樣室內試驗結果，濱海新城全新統海積層中軟土主要分布在0～25m深度范圍內見圖2，場地內軟土含水率為34.8%～58.5%，孔隙比為1.013～1.492，液限為31.4%～48.6%，塑限為18.4%～28.1%，塑性指數為11.8～20.7，液性指數為1.05～1.80，壓縮系數為 0.42～1.71MPa-1，壓縮模量為 1.4～5.31MPa，凝聚力為 8.6～22.8kPa，內摩擦角為 7.17°～15.46°，靈敏度為3.1～6.3，總體上場地內軟土特點主要為強度低、壓縮性大、高含水率、高孔隙比、高液塑限以及靈敏度高等見表1。

圖2 濱海新城軟土分布剖面

表1 軟土物理力學參數

利用溧陽科爾儀器廠生產的KE-2103型十字板-靜力觸探二用儀對軟土層進行靜力觸探試驗與十字板剪切試驗。其中，十字板剪切試驗是利用靜力觸探儀的貫入裝置將十字板頭壓入到不同的試驗深度，借助扭力裝置旋轉十字板頭，利用電子儀器量測土的抵抗力矩，從而獲得土體的抗剪強度值；靜力觸探試驗是利用靜力將探頭以一定的速率壓入土中，利用探頭內的力傳感器，通過電子測量器記錄探頭受到的貫入阻力。由于貫入阻力的大小與土層的性質有關，通過貫入阻力的變化情況，可以達到了解土層的工程性質的目的。

利用現場原位測試試驗，獲得各個鉆孔比貫入阻力值Ps和不排水抗剪強度值Cu見表2。

表2 濱海新城軟土Ps與Cu值 kPa

通過對十字板剪切強度指標與比貫入阻力值的統計與比對，可發現兩者間存在一定的線性關系見圖3，由于軟土層中零星夾薄層砂、木屑、貝殼等相對硬成分，導致部分數據值偏大，進而導致離散性較大。

圖3 Cu與Ps回歸關系

根據兩者散點圖分布情況，可見大致呈線性相關趨勢，故假設兩者線性方程為Cu=aPs+b，利用數理統計分析方法計算得出a=0.0343，b=14.635kPa，即回歸方程為Cu=0.0343Ps+14.635，相關系數r=0.739，Cu與Ps在顯著水平α=0.01時，相關系數臨界值r0.01（73）=0.292，線性相關關系顯著。

1.2 軟土不排水抗剪強度指標Cu與比貫入阻力Ps回歸方程

根據實際工程應用以及相關的文獻檢索，目前，軟土不排水抗剪強度的獲取方法主要分為三類：①即采用現場十字板剪切試驗；②室內無側限抗剪試驗；③靜力觸探試驗法。由于軟土強度較低，且具有一定的結構性特征，現場取樣、試樣運輸與制備等因素影響，不可避免的對樣品造成應力釋放和擾動，大大限制了室內試驗方法廣泛應用；原位十字板剪切試驗主要應用于軟土地層，其測試成果可進行軟土地基承載力估算、軟土路基臨界高度確定以及軟土靈敏度的測定等，但受軟土層埋深、軟土上部地層密實度等因素影響，較少用于填土、一般粘性土與砂性土等，與靜力觸探試驗方法相比，應用面相對較窄。靜力觸探試驗方法的成果除了確定土的強度指標C、φ值外，還可用于土層分類、地基土的承載力與變形指標確定，以及砂土液化可能性判別等，另外，也可利用軟土不排水抗剪強度指標Cu與比貫入阻力Ps回歸方程獲取軟土不排水抗剪強度指標Cu，一定程度上也節省了工程勘察費用以及縮短了項目工期[3]。

1.3 濱海新城軟土與周邊地區回歸方程對比

目前，根據現有文獻資料以及工程實踐經驗，利用靜力觸探測試方法進行軟土的不排水抗剪強度指標的確定，首先需要確定靜力觸探試驗方法，如單橋靜力觸探測試、雙橋靜力觸探測試或者帶孔壓消散的靜力觸探測試等，進而確定對應的靜力觸探指標，如單橋探頭的比貫入阻力Ps、雙橋探頭的錐尖阻力qc、雙橋探頭的的側摩擦力fs、探頭貫入時的孔壓水壓力u等，并建立這些指標與不排水抗剪強度Cu相關關系。理論上，上述靜力觸探測試獲取的參數指標與不排水抗剪強度Cu呈線性相關關系，但受軟土在區域上的分布位置、形成原因、軟土應力歷史以及軟土中混雜薄層砂層、貝殼、泥碳與有機質含量等影響，比較難形成適用于所有場地的公式。

隨著技術設備的更新發展，如今我國巖土工程勘察工作應用的靜力觸探測試方法正慢慢地從單橋靜力觸探方法往雙橋靜力觸探方法發展，根據已有的文獻及實際應用情況，現有不同區域得出的主要關系及其應用條件多為單橋靜力觸探方法下獲取[4-10]，具體：

（1）Cu=0.0696Ps-0.0027（0.3≤Ps≤1.2MPa）（武漢、寧波）。

（2）Cu=0.0543Ps+0.0048（0.1≤Ps≤0.8MPa）（上海、廣州）。

（3）Cu=0.05Ps+0.0016（Ps＜1.5MPa）（寧波、上海寶山、杭州、肖山、南京、蕪湖及湖北等地）。

（4）Cu=0.05Ps（Ps＜1.2MPa）（天津塘沽）。

（5）Cu=0.0308Ps+0.004（0.1≤Ps≤1.5MPa）（天津塘沽）。

（6）Cu=0.0534Ps（華東電力設計院理論推導）。

（7）Cu=0.057Ps+0.00003（云南滇池）。

式中，a為回歸系數，表示Cu與Ps呈正相關關系，b為截距。

綜上，在線性方程Cu=aPs+b中，a多集中在0.0308～0.0696，b多為4kPa。鑒于濱海新城軟土Cu=0.0343Ps+14.635，a值與全國其他區域基本一致，b值因福州濱海新城位于沖積與海積平原交互帶，受3次海侵事件影響，并且與地表徑流交互沖刷，導致軟土上下多分布砂層，排水條件較好，且沉積時間較長，總體上，b值相較于全國其他區域較大。同時，該回歸方程將通過濱海新城工程實例進行進一步驗證。

2 回歸方程的檢驗與應用

結合福州濱海新城新建金濱路道路工程地質勘察工作內容，在道路軟土分布路段，布置原位十字板剪切試驗與靜力觸探試驗，利用原位十字板剪切試驗與靜力觸探試驗獲得的現場試驗結果，與文中總結出的線性回歸方程Cu=0.0343Ps+14.635計算結果進行對比，并計算相對誤差值見表3。

表3 濱海新城金濱路軟土不排水抗剪強度實測與計算值的分析

通過對比實測值與回歸方程得出的計算值，10組數據相對誤差平均值為4.6%，總體上，可以反映回歸方程在福州濱海新城軟土分布區域的適用性。

由于福州濱海新城軟土分布較廣，且目前整體處于大規模開發進程中，各種類型的工程場地眾多，Ps與Cu之間回歸方程的應用對該區域的工程勘察成本控制與工期保證等方面具有重要意義，對于周邊工地均可借鑒。

3 結語

基于福州濱海新城多個工程項目資料，文中利用靜力觸探與十字板剪切原位測試試驗獲取軟土不排水抗剪強度指標Cu與比貫入阻力Ps，通過分析兩者相關性獲取線性回歸方程，并在工程實例中進行應用，得出結論如下：

（1）福州濱海新城軟土比貫入阻力值Ps和不排水抗剪強度值Cu線性回歸式為Cu=0.0343Ps+14.635，線性相關關系顯著。

（2）通過工程實例應用與檢驗，線性回歸方程Cu=0.0343Ps+14.635在福州濱海新城軟土分布區域具有適用性。