深厚復合軟土地層力學參數試驗對比研究

劉皓 杜學才 駱行文 趙利鵬 龍杰 何志攀

摘要：

土體抗剪強度、壓縮模量及靜止側壓力系數是深埋引水隧洞設計和施工的重要力學參數。通過試驗對滇中引水工程昆明城區深厚復合軟土地層的力學參數分布特征進行研究，并對不同試驗方法獲得的力學參數其關聯性進行分析。研究結果表明：三軸（UU）試驗獲得的土層摩擦角較快剪試驗獲得的摩擦角小，而黏聚力大于快剪試驗土體黏聚力，兩種試驗獲得的黏聚力、內摩擦角均具有良好的線性關系。土層埋深較淺時，旁壓試驗和固結試驗獲得的壓縮模量相近；土層埋深較大時，旁壓試驗獲得的壓縮模量小于固結試驗獲得的壓縮模量。深厚復合軟土地層的靜止壓力系數K0與深度不相關，其大小主要受土性的影響；利用旁壓試驗進行K0測試與室內K0測試獲得的結果相近，驗證了旁壓試驗在深厚復合軟土地層中進行K0測試的適用性。研究結果對指導滇中引水工程及類似深埋巖土工程的設計施工有較強參考意義。

關 鍵 詞：

深厚復合軟土地層； 靜止側壓力系數； 快剪試驗； 三軸試驗

中圖法分類號： TU41

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.029

0 引 言

當前中國城市地下空間的開發仍以淺層為主，城市高層建筑的基坑工程以及地鐵工程的埋深通常不超過30 m。隨著中國地下空間開發和綜合利用的快速發展，對于城市深厚地層的物理、力學性質研究愈加重要。一般情況下，深厚地層往往是由不同土性的巖土層“混合”交替構成，且巖土層種類較多，不同土層的物理力學性質差異較大，國外把這種地層稱為“Composite stratum”，國內通常稱為復合地層。比如，滇中引水工程穿越昆明市主城區，引水隧洞埋深接近80 m，地層主要由粉土、黏土、有機質黏土、砂礫石、中細砂、褐煤等多種土層復合而成，不同的土層交替出現，表現出明顯的深厚復合軟土地層特征。

目前國內對淺層軟土的力學特性研究比較多，而對于深厚復合軟土地層的力學特性研究并不常見。張遂［1］以合肥地區粉質黏土為研究對象，開展多種測試方法對比研究。試驗結果表明：標準貫入試驗在判斷黏性土稠度狀態時效果較好；扁鏟側脹試驗在土類判別、比重判斷、稠度狀態判斷上誤差都較大；靜力觸探試驗在土層劃分上應用效果很好。蔣建平等［2］通過室內電阻率試驗和土工試驗，對軟土地層的電阻率特征及其與物理力學參數的相關關系進行了研究，試驗結果表明：軟土地層的電阻率隨含水率、孔隙比、飽和度的減小而增加，且隨垂直滲透系數、水平滲透系數、壓縮模量、標準貫入錘擊數的增大而增加。陳斌等［3］通過靜力觸探、標準貫入、扁鏟和十字板等原位試驗，提出寧波地區典型土層地基承載力的建議值。

原位測試與室內土工試驗都是運用各自的技術方法得出巖土體的參數。一些學者在地層的力學性質室內、外試驗對比研究方面開展了研究工作，如：隋耀華［4］、陽云華［5］、劉永勝［6］、胡金山［7］、王參松［8］等。不少學者認為室內試驗和原位測試各有優缺點，應該相輔相成，相互兼顧，不可偏廢［9-10］。在地層某一特定力學參數的研究方面，孫敬［11］、夏玉斌等［12］通過原位測試與室內試驗對比分析了軟土的壓縮模量；羅嗣海［13］、楊果林［14］、孫長帥等［15］通過對比試驗研究了軟土的強度指標；孫靜［16］、陳少杰等［17］分析了室內和現場測試最大動剪切模量差別的原因；賀錦美等［18］提出了影響軟土試驗結果準確性的相關因素。

前已提及，滇中引水工程盾構隧洞穿越深厚復合軟土地層，土體抗剪強度、壓縮變形模量及靜止側壓力系數是深埋引水隧洞工程設計和施工的重要力學參數。本文采用多種測試手段相結合的方法，對深埋引水隧洞工程深厚復合地層的力學參數的分布特征進行分析，并對不同試驗方法得到的地層力學參數的關聯性進行深入研究。

1 深厚復合軟土地層抗剪強度

深部土體從地層中取出后會發生卸載回彈。為了分析深部地層土體的抗剪強度，應研究土體所在的原位地層應力狀態下的力學性能。對于三軸試驗，所施加的圍壓近似于地層的水平向壓力（地層水平向壓力可近似根據土層的豎向應力乘以側壓力系數計算）；對于直剪試驗，在施加豎向壓力時其最大豎向壓力超過其取樣土層的上覆壓力100～200 kPa。

1.1 三軸（UU）剪切試驗

此次采用鉆探獲取的深厚復合地層原狀土樣開展三軸試驗，試驗時向土樣施加圍壓σ3。隨后立即施加豎向力P直至剪壞。在施加σ3和豎向力P的過程中，自始至終關閉排水閥門，不允許土中水排出，這樣從開始加壓直至試樣剪壞，全過程中含水量保持不變，從而實現了不固結不排水剪切試驗，測定土體在不固結不排水條件下的抗剪強度。這種試驗方法所對應的實際工程條件相當于飽和軟黏土快速加荷時的應力狀況。試驗場地深厚復合地層三軸（UU）試驗結果沿深度分布如圖1～2所示。

由圖1及圖2可以看出，試驗場地土層種類較多，復雜多變，且交替出現。內摩擦角、黏聚力測試結果沿深度分布波動都較大。摩擦角分布區間主要集中在7°～15°，黏聚力分布區間主要集中在10～50 kPa。在地下69.1～79.3 m，內摩擦角發生突變（變大），該處地層主要為中細砂層；在地下41.4～53.8 m位置，土體的黏聚力也發生突變（變大），最大達到81.3 kPa，該處地層為①-7黏土層，為第三系上新統茨營組（N2C）老黏土層。

1.2 直剪（快剪）試驗

在進行三軸（UU）試驗的同時，取同種原狀土樣（同一鉆孔、且深度和土性相同）進行直剪（快剪）試驗。試驗時取土樣放入剪切盒內，將上盒固定，下盒可沿水平方向滑動。首先施加垂直壓力，然后對剪切盒的下盒逐級施加水平剪力，直至試樣被剪壞。一般取4～5個試樣，分別施加不同的垂直壓力來重復試驗，測定土的直剪（快剪）強度。試驗場地深厚復合軟土地層土體的直剪（快剪）試驗結果沿深度分布如圖3～4所示。

由圖3及圖4可以看出：試驗場地深厚復合軟土地層土體的直剪（快剪）試驗的內摩擦角分布在8.1°～28°，黏聚力分布在6.5～78.3 kPa。與三軸（UU）試驗結果類似，在地下69.1～79.3 m之間土體的內摩擦角出現了突變（變大）；在地下41.4～53.8 m位置，黏聚力也出現了突變，最高達到了78.3kPa。兩種剪切試驗結果沿深度的變化規律類似，表明兩種剪切試驗結果比較可靠。

1.3 兩種試驗抗剪強度參數的相關性

三軸試驗相對于直剪試驗來說，其試驗過程更加復雜，而且三軸試驗試樣制作要求更高。另外，三軸試驗設備昂貴，一般工程單位的試驗室沒有此種試驗設備。因此通過對比試驗，得出工程場地土體兩種抗剪試驗強度之間關系，這樣就可以將后期土體直剪試驗結果轉化為三軸試驗結果，為工程提供參考。

此次對深厚復合軟土地層的同種土體均進行兩種剪切試驗。以黏聚力（快剪試驗）為橫坐標，黏聚力（三軸UU試驗）作為縱坐標，研究兩種剪切試驗黏聚力的相關性，兩者間的關系如圖5所示。

由直剪（快剪）試驗和三軸（UU）試驗結果可以看出：三軸（UU）試驗獲得的土體摩擦角較直剪（快剪）試驗獲得的摩擦角小，而三軸（UU）試驗獲得的土體黏聚力大于直剪（快剪）試驗。兩種試驗獲得的黏聚力、內摩擦角均具有較好的線性相關關系。

2 深厚復合軟土地層變形參數

2.1 室內固結試驗測試Es

為研究試驗區深厚復合地層的變形參數（壓縮系數、壓縮模量等），采用多臺三聯固結儀開展室內固結試驗，固結儀包括單向固結儀，使用杠桿、氣壓（或液壓）、磅稱等加荷裝置，在完全側限和容許豎向排水的條件下分級加壓，記錄壓力、試樣發生的壓縮變形量及其相應的時間，用以計算土的壓縮系數和壓縮模量等變形參數。室內固結試驗獲得的土層壓縮模量沿深度分布結果如圖7～8所示。對于埋深在40 m以上的土體，采用了高壓固結試驗（高壓固結試驗的荷載等級分別為50，100，200，400，800，1 600 kPa，終止荷載為1 600 kPa）。

由圖7～8可以看出：土層的壓縮模量沿深度分布離散性較大，說明試驗場地復合軟土地層中土體類型較為廣泛，在外荷載作用下復合地層中不同土性的土層抵抗變形能力差異較大。在地下67.80～70.97 m處復合地層壓縮模量出現了拐點，這主要是因為在該深度處出現了壓縮性較高的①-4褐煤層，造成壓縮模量在深度分布上發生突變。但總體來看對于同一土性的土層，其壓縮模量分布較為集中，這說明試驗場地土層劃分及固結試驗結果比較可靠。

2.2 旁壓試驗測試Es

旁壓試驗是利用旁壓器的擴張，對周圍土體施加均勻壓力，測量壓力和徑向變形的關系，得到土層在水平方向上的應力應變關系的一種原位測試方法。根據試驗測試結果，可得到應力－應變或體積（位移）－壓力之間的關系曲線（旁壓曲線），據此曲線可確定土層的初始壓力P0、臨塑壓力Pf和極限壓力Pl，以評定土層的承載力，計算土層的壓縮模量Es。試驗場地深厚復合軟土地層典型的旁壓試驗曲線如圖9所示。

試驗場地深厚復合軟土地層旁壓試驗3個壓力特征值沿深度分布如圖10所示。

在土性相同的條件下，旁壓試驗地層壓力特征值一般會沿深度增加而增大。由圖10可以看出，試驗場地深厚復合地層初始壓力基本上呈現出線性關系，但臨塑壓力、極限壓力則在深度超過70 m后迅速減小。根據鉆孔揭露的地層信息，在70～85 m范圍內土層屬于軟弱土層，主要由有機質黏土、褐煤等土層構成。

本文根據TB 10018-2018《鐵路工程地質原位測試規程》的測試方法及取值相關規定，采用旁壓試驗得到的土層壓縮模量沿深度分布如圖11所示。

由圖11可以看出：旁壓試驗獲得的土層壓縮模量隨著埋深的變化，與臨塑壓力和極限壓力沿深度變化相似，隨著軟弱土層（深度70～85 m）的出現，旁壓試驗獲得的土層壓縮模量隨之減小。

2.3 兩種試驗壓縮模量對比

根據旁壓試驗及室內固結試驗獲得的土層壓縮模量結果，分別取粉土、黏土的壓縮模量Es進行對比分析，對比如表1～2所列。

表1中：粉土層深度為12.0～17.5 m時，該深度處粉土層實際上覆壓力為0.2～0.4 MPa；旁壓試驗與室內固結試驗獲得的壓縮模量Es的平均值分別為10.71 MPa和11.03 MPa，標準差分別為0.75和2.15，變異系數分別為0.07和0.19，標準值分別為10.1 MPa和9.0 MPa。由此可以看出在土層埋深較淺時，兩種試驗方法的試驗結果相近。

表2中：黏土層的埋深為41.8～60.0 m，旁壓試驗及室內固結試驗獲得的壓縮模量Es的平均值分別為16.47 MPa和26.29 MPa，標準差分別為1.20和2.58，變異系數分別為0.07和0.10，標準值分別為15.7 MPa 和25.0 MPa，在此深度處旁壓試驗測試結果約為固結試驗結果的1.59倍。這主要是因為：① 旁壓試驗測試的壓縮模量屬于間接獲得參數，通常需通過經驗公式或經驗表格間接確定。② 室內固結試驗時，試樣是放入固結儀盒子中，其側向完全限制，無法發生位移，但是旁壓試驗測試的土層只是受其周圍土體的約束，由于周圍土體存在一定的變形能力，并非完全側限，因此旁壓試驗獲得的土層壓縮模量比固結試驗測試結果小。土層越深、固結試驗施加的荷載越大時，這種差異愈加明顯。

兩種試驗結果對比表明：在土層埋深較淺時，旁壓試驗和室內固結試驗獲得的土體的壓縮模量Es相近；在土層埋深較大時，旁壓試驗獲得的土體壓縮模量Es小于室內固結試驗獲得的土體壓縮模量；在深度41.8～60.0 m范圍內，旁壓試驗壓縮模量測試結果約為固結試驗測試結果的1.59倍。

3 深厚復合軟土地層靜止側壓力系數K0

3.1 室內試驗測試K0

室內試驗通常采用固結儀進行側壓力系數測試。采用固結儀試驗時，土樣受軸向負荷發生軸向位移，并產生側向壓力。有效側壓力σ3與有效軸向壓力σ1之比即為土體的靜止側壓力系數K0。試驗場地深厚復合軟土地層鉆孔1所取土樣室內試驗的土體靜止側壓力系數沿深度分布如圖12所示。

由圖13可以看出：與室內試驗結果相似，試驗場地深厚復合軟土地層土體的靜止側壓力系數隨深度的分布比較離散，這也恰恰說明了此研究區內深厚地層的復雜性。

3.3 兩種試驗靜止側壓力系數對比

根據場地旁壓試驗和室內試驗獲得的土體靜止側壓力系數K0結果，分別?、?1中細砂、①-7黏土、①-6有質機黏土及①-4褐煤等土層對應的靜止側應力系數K0進行對比分析如圖14所示。

兩種不同試驗獲得的土層靜止側壓力系數K0對比結果表明：

（1） 對于相同土性的土層，兩種方法測得的土層靜止側壓力系數K0的變異系數都較小，且旁壓試驗測得的土層靜止側壓力系數K0的平均值與室內試驗測得的K0平均值相近，驗證了利用旁壓試驗進行深厚復合軟土地層靜止側壓力系數測試的適用性；

（2） 相同土性的土層靜止側壓力系數K0隨試驗深度的增加無明顯增大或降低；

（3） 土層的靜止側壓力系數K0主要受土性的影響，不同土性的土層K0測得結果差異較大，各土層K0從小到大分別為：①-1中細砂層，①-4褐煤層，①-6有機質黏土層，①-7黏土層。

4 結 論

通過大量的室內試驗及現場原位測試，對室內、外試驗獲得的土層力學參數分布特征及關聯性進行了深入分析和研究，主要結論如下。

（1） 多種試驗結果均表明深厚復合地層中土層種類較多，且交替出現，土層力學性質不連續，部分相鄰土層力學性質出現突變現象。

（2） 采用三軸（UU）試驗獲得的土體摩擦角較直剪（快剪）試驗獲得的摩擦角小，而黏聚力大于直剪（快剪）獲得的土體黏聚力。兩種試驗獲得的黏聚力、內摩擦角均具有良好的線性關系。

（3） 在土層埋深較淺時，旁壓試驗和室內固結試驗獲得的土層壓縮模量Es相近；在土層埋深較大時，旁壓試驗獲得的壓縮模量Es小于室內固結試驗結果。在深度為41.8～60.0 m范圍內旁壓試驗獲得的壓縮模量約為固結試驗測試結果的1.59倍。

（4） 對于相同土性的土層，兩種方法測得的土層靜止側壓力系數K0的變異系數都較小，且旁壓試驗測得的土層靜止側壓力系數K0的平均值與室內試驗測得的K0平均值相近，驗證了利用旁壓試驗進行深厚復合軟土地層中土的靜止側壓力系數測試的適用性。

（5） 土層的靜止土壓力系數K0主要受土性的影響，不同土性的土層K0測得結果差異較大。各土層的靜止側壓力系數K0從小到大分別為：①-1中細砂層，①-4褐煤層，①-6有機質黏土層，①-7黏土層。

參考文獻：

［1］ 張遂.室內與原位試驗測得的粉質黏土典型力學參數差異性研究［D］.武漢：中國科學院武漢巖土力學研究所，2021.

［2］ 蔣建平，閻長虹，徐鳴潔，等.蘇通大橋地基中深厚軟土電阻率試驗研究［J］.巖土力學，2007，28（10）：2077-2082.

［3］ 陳斌，葉俊能，朱劍鋒，等.寧波地區典型土層地基承載力確定［J］.工程地質學報，2013，21（4）：493-499.

［4］ 隋耀華，李靜榮，鄔巧勝.廣州軌道交通四號線南沙段軟土參數的比較分析［J］.廣州建筑，2006（5）：26-30.

［5］ 陽云華，馬貴生，強魯斌.南陽膨脹土試驗段現場大剪及室內試驗對比分析［J］.人民長江，2010，41（16）：21-27.

［6］ 劉永勝，肖海，祁麗華.室內十字板與原位十字板差異淺析［J］.工程地球物理學報，2010，7（2）：265-268.

［7］ 胡金山，曲海珠，甘霖.大埋深粗粒土勘察及物理力學特性試驗研究［J］.人民長江，2016，47（9）：41-47.

［8］ 王參松，雷學文，孟慶山.滇黔地區黃褐色玄武巖風化土強度試驗研究［J］.人民長江，2012，43（9）：47-50.

［9］ 魏汝龍.室內試驗和原位測試相輔相成不可偏廢［J］.巖土工程學報，1997（1）：102-103.

［10］ 楊德韶.原位測試與室內試驗指標的聯合應用［J］.價值工程，2018（18）：185-186.

［11］ 孫敬.不同方法測定軟土參數的比較分析［J］.廣東水利水電，2012（4）：20-22.

［12］ 夏玉斌，曹中興，王清.濱海區海相沉積土壓縮模量的試驗研究［J］.工程地質學報，2013，21（3）：464-469.

［13］ 羅嗣海，周龍茂，張天太.正常固結飽和地基土的總應力強度指標［J］.工程地質學報，2000，8（3）：306-311.

［14］ 楊果林，滕珂，謝蘭芳.膨脹土強度的室內直剪和原位推剪對比試驗研究［J］.中南大學學報（自然科學版），2014，45（6）：1952-1958.

［15］ 孫長帥，秦秀娟，滕繼東.特殊應力路徑下軟黏土變形與強度特性試驗研究［J］.人民長江，2013，44（4）：48-68.

［16］ 孫靜，袁曉銘，陶夏新.室內和現場測試最大動剪切模量差別的試驗研究［J］.土木工程學報，2012，45（增1）：258-262.

［17］ 陳少杰，顧曉強，高廣運.土體小應變剪切模量的現場和室內試驗對比及工程應用［J］.巖土工程學報，2019，41（增2）：133-136.

［18］ 賀錦美，曾素娟.軟土地層軟土地層原位測試與室內土工試驗的應用分析［J］.土工基礎，2013，27（3）：117-119.

（編輯：鄭 毅）

Abstract：

The shear strength，compressive modulus and static lateral pressure coefficient are important mechanical parameters for the design and construction of deep buried diversion tunnels.By a large number of tests，the distribution characteristics of mechanical parameters of deep composite stratum in Kunming urban area，a part of water diversion project in central Yunnan，were researched，and the correlations of mechanical parameters by different tests were analyzed.The results show that the friction angle of soil tested by triaxial（UU）tests are smaller than that tested by rapid shearing tests，while the cohesion of soil tested by triaxial（UU）tests are larger than that tested by rapid shearing tests.Both cohesion and internal friction angle tested by the two kinds of tests have good linear relationship.When the buried depth of the stratum is shallow，the compressive modulus measured by the manometer test is similar to that measured by the consolidation test.When the buried depth of the stratum is large，the compressive modulus measured by the manometer test is smaller than that measured by the indoor consolidation test.The static lateral pressure coefficient K0 of stratum is not related to its depth.K0 is mainly affected by the properties of the stratum itself.The K0 value of the manometer test is similar to that of the laboratory test，which verifies the applicability of pressuremeter tests in deep composite soft stratum.

Key words：

deep composite soft stratum；static lateral pressure coefficient；rapid shearing tests；triaxial tests