廈門花崗巖風(fēng)化層的地震扁鏟側(cè)脹(SDMT)試驗(yàn)研究*

陳曉堅(jiān)

(廈門軌道交通集團(tuán)有限公司 廈門 361000)

0 引 言

廈門地區(qū)廣泛分布著風(fēng)化的花崗巖地層，花崗巖殘積土與全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的厚度達(dá)10～50im。在當(dāng)?shù)氐墓こ探ㄔO(shè)中，如何科學(xué)安全與經(jīng)濟(jì)合理利用花崗巖風(fēng)化層，以及如何準(zhǔn)確獲得基坑開挖與支護(hù)過程中土體的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表現(xiàn)得尤為突出。國內(nèi)外眾多的研究成果表明，花崗巖殘積土作為一種區(qū)域性特殊土體，雖然具有相對(duì)較高的強(qiáng)度，但同時(shí)也表現(xiàn)出較差的抗水性，即隨著含水率增大，其強(qiáng)度會(huì)顯著降低，突降暴雨還可能引發(fā)強(qiáng)烈的崩解現(xiàn)象(張抒等， 2013; 張先偉等， 2016a； 簡(jiǎn)文彬等， 2017； Zhang et al.，2017)。另一方面，花崗巖風(fēng)化土層的石英砂礫含量較高，孔隙比很大，易于擾動(dòng)，擾動(dòng)效應(yīng)也容易引起強(qiáng)度的降低(Kim et al.，2010)。這也要求該類土必須采用擾動(dòng)較小的取樣技術(shù)取土，制樣及試驗(yàn)操作必須極其小心，避免擾動(dòng)后獲得的強(qiáng)度指標(biāo)失真。因此，花崗巖風(fēng)化土力學(xué)指標(biāo)的測(cè)定多采用原位手段(張先偉等， 2014， 2016b； 尹松等， 2017)。這是因?yàn)樵辉囼?yàn)的優(yōu)點(diǎn)是可以保持土體在天然狀態(tài)下，測(cè)試其力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，避免了取樣與制樣過程中的應(yīng)力釋放與擾動(dòng)影響，獲得的試驗(yàn)結(jié)果更加真實(shí)可靠。目前，對(duì)于我國南方花崗巖風(fēng)化土的力學(xué)試驗(yàn)多集中于室內(nèi)試驗(yàn)，系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與結(jié)果分析并不多見。

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)(DMT)是由Marchetti發(fā)明的一種原位試驗(yàn)方法，該方法由于試驗(yàn)操作便捷、重復(fù)性高，受外界環(huán)境影響小收到工程師的普遍歡迎，這種原位試驗(yàn)方法也列入美國土木工程學(xué)會(huì)推薦的原位試驗(yàn)方法(Choo et al.，2016； Schnaid et al.，2016)。隨著勘察需求的增高，最近發(fā)展了一種新型的原位測(cè)試技術(shù)——地震扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)(seismic dilatometer test， SDMT)，這是在扁鏟側(cè)脹儀的基礎(chǔ)上加入剪切波速測(cè)試。它的原理是在扁鏟鏟頭的上方設(shè)置間距0.5im的兩個(gè)波速接收裝置，可以獲得在地表施加的錘擊波動(dòng)信號(hào)，由此計(jì)算得到不同埋深的剪切波速Vs。由于巖土工程勘察規(guī)范(DBJ 13-84-2006)建議對(duì)于花崗巖殘積土需要測(cè)定剪切波速來劃分風(fēng)化等級(jí)，這也便于該方法在我國花崗巖地區(qū)推廣使用。現(xiàn)有的一些研究成果也表明(Monaco et al.，2014)，對(duì)于風(fēng)化土地層，利用地震扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)可以較準(zhǔn)確地獲得土體多種力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，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(hào)線的3個(gè)站點(diǎn)的典型花崗巖風(fēng)化地層為研究對(duì)象，開展了地震扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)(SDMT)，對(duì)花崗巖風(fēng)化土層的風(fēng)化程度和力學(xué)性能進(jìn)行了較系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，研究結(jié)果對(duì)廈門地區(qū)風(fēng)化土地基的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有直接的指導(dǎo)意義。

1 場(chǎng)地工程地質(zhì)特性與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地的工程地質(zhì)特征

根據(jù)廈門城市地鐵軌道交通1號(hào)線的24個(gè)站點(diǎn)基坑勘察報(bào)告，該區(qū)地下水位普遍為1～3im。廈門地區(qū)的花崗巖殘積土呈灰白色，黃色，褐色，埋深相對(duì)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(fēng)化為高嶺石； 土中礫粒含量一般為15%～35%，大多屬礫質(zhì)黏性土，少部分為砂質(zhì)黏性土，屬不連續(xù)級(jí)配土； 土體孔隙率高，干燥狀態(tài)下顆粒間有一定結(jié)合力，遇水后強(qiáng)度急劇降低?；◢弾r風(fēng)化帶的顯著特點(diǎn)是差異風(fēng)化特別明顯，全-強(qiáng)風(fēng)化帶中普遍存在中等-微風(fēng)化殘余體(小碎石顆粒)，中等風(fēng)化帶中也會(huì)有強(qiáng)風(fēng)化巖體囊狀風(fēng)化特征，風(fēng)化帶的均勻性差，風(fēng)化界面復(fù)雜，增加了巖土工程勘察和施工的難度。

試驗(yàn)場(chǎng)地選擇廈門市地鐵軌道交通1號(hào)線的3個(gè)站點(diǎn)：呂厝站、杏錦路站和園博苑站。3個(gè)場(chǎng)地的典型地層剖面見圖 1。從揭露深度30im的3個(gè)地層鑒別孔可以發(fā)現(xiàn)，埋深1.2～3.6im后開始進(jìn)入花崗巖風(fēng)化層，隨著深度增加風(fēng)化程度逐漸減弱，根據(jù)風(fēng)化程度不同依次為殘積土、全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層和中風(fēng)化層，但個(gè)別站點(diǎn)(如呂厝站)沒有發(fā)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。同時(shí)，殘積土層厚度相對(duì)較厚，根據(jù)土顆粒中黏粒含量不同與風(fēng)化程度差異，將殘積土層進(jìn)行地層的進(jìn)一步劃分為兩個(gè)亞層(圖 1)。

圖 1 試驗(yàn)場(chǎng)地的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)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(cè)脹試驗(yàn)儀Fig. 2 Photo of seismic dilatometer

1.2 地震扁鏟側(cè)脹(SDMT)試驗(yàn)

首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)初步確定土層分層，在距離標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)孔約1.5im處進(jìn)行地震扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器見圖 2，試驗(yàn)深度范圍涵蓋花崗巖殘積土層。首先將鏟頭用鉆機(jī)靜力壓入土中，達(dá)到預(yù)定的測(cè)試深度后，采用應(yīng)力控制式施加氣壓是鏟頭的膜片膨脹，測(cè)試此時(shí)的氣壓值； 當(dāng)鏟頭膜片膨脹至位移量0.05imm，測(cè)試得到的壓力值記為A，再逐漸施加氣壓，當(dāng)膜片膨脹至位移量1.1imm 時(shí)，測(cè)試得到的壓力值記為B； 然后，逐漸降低氣壓，當(dāng)膜片收縮恢復(fù)到初始擴(kuò)展的位置時(shí)，當(dāng)膜片內(nèi)縮到開始擴(kuò)張的位置，測(cè)試得到的壓力值記為C。上述步驟為一個(gè)測(cè)試深度的試驗(yàn)過程，測(cè)試完成后，繼續(xù)下壓鏟頭進(jìn)行下一個(gè)點(diǎn)位的測(cè)試，直至測(cè)試完所有花崗巖風(fēng)化地層。其中，相鄰測(cè)試孔間距為0.2im，同一測(cè)試孔的測(cè)試深度間隔為1im。

根據(jù)上述測(cè)試的膜片不同位置的氣壓值A(chǔ)和B，可以計(jì)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(shí)，即膨脹至B點(diǎn)時(shí)的土壓力為P1(kPa)，則進(jìn)一步得到B點(diǎn)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(jì)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(jù)上述定義值可以計(jì)算扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的原位力學(xué)參數(shù)：側(cè)脹模量ED、水平應(yīng)力指數(shù)KD與土類指數(shù)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(duì)應(yīng)的土體的靜水壓力(kPa)。

在進(jìn)行扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的同時(shí)，可以在預(yù)定深度同步進(jìn)行剪切波速的測(cè)試，試驗(yàn)原理見圖 3。需要說明的是，扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)測(cè)試深度為圖 3中Z2點(diǎn)下的0.5im左右，而剪切波速測(cè)試深度為(Z1與Z2)的中點(diǎn)。

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

2 SDMT試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)化程度判定與土性分類

圖 4 SDMT試驗(yàn)結(jié)果Fig. 4 SDMT test results of three sitesa. 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)結(jié)果(杏錦路站); b. 剪切波速試驗(yàn)結(jié)果

表 1 福建省花崗巖風(fēng)化程度劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standards of granite weathering in Fujian Province

需要說明的是，風(fēng)化形成的土體由于其成土過程復(fù)雜，土質(zhì)分類多介于黏性土與砂性土之間，工程中常對(duì)其進(jìn)行土質(zhì)分類，在根據(jù)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行地基承載力的確定和工程設(shè)計(jì)。利用SDMT試驗(yàn)結(jié)果可以很好地解決這一問題。根據(jù)Marchetti提出的判定標(biāo)準(zhǔn)(Marchetti， 1980)，如表 2所示，從圖 5a可知，杏錦路站埋深15im的范圍內(nèi)殘積土土質(zhì)分類為粉土； 園博苑站土質(zhì)分類為砂性土； 呂厝站上部為粉土，在11im風(fēng)化程度變?nèi)?，土質(zhì)分類變?yōu)樯靶酝痢Ｉ鲜鼋Y(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)鉆探取樣得到結(jié)果是基本吻合，因此，采用土類指數(shù)ID可以直觀反映土性變化特點(diǎn)。

表 2 根據(jù)SDMT試驗(yàn)結(jié)果的土層劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Soil classification standards based on SDMT test results

2.2 水平應(yīng)力特性

水平應(yīng)力指數(shù)KD反映土體的水平應(yīng)力，越大反映出土的水平應(yīng)力越高； 側(cè)脹模量ED可反映土的強(qiáng)度，越大土的強(qiáng)度越高。從圖 5b， 圖5c可以看出，隨著埋深逐漸變小，風(fēng)化程度增強(qiáng)導(dǎo)致土中黏粒含量增加，土的水平應(yīng)力增高，但土的強(qiáng)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(jié)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(jù)KD的測(cè)試結(jié)果有助于認(rèn)識(shí)沉積土層的應(yīng)力歷史。Marchetti根據(jù)水平應(yīng)力指數(shù)KD，對(duì)正常固結(jié)黏性土提出了如下關(guān)系式(Marchetti， 1980)：

OCRDMT=(0.5KD)1.56

(8)

式(8)考慮了當(dāng)KD=2時(shí)OCR=1的情形，這已經(jīng)被大量的正常固結(jié)黏土沉積物所證明。根據(jù)圖 5f可以看出， 3個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地的OCR計(jì)算值都超過1，可判定為超固結(jié)土。但必須說明的是，不同于沉積型土，風(fēng)化型土應(yīng)該是一種似超固結(jié)性，這種似超固結(jié)性主要是由于殘積土保留了母巖一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及風(fēng)化形成的次生膠結(jié)所引起。

利用KD還可以計(jì)算土的靜止土壓力系數(shù)K0，根據(jù)鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程，對(duì)于水平應(yīng)力指數(shù)KD為1.5～4.0的一般飽和黏性土，靜止土壓力系數(shù)K0可以用下式計(jì)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(gè)場(chǎng)地土層的K0基本呈現(xiàn)隨著深度增加K0逐漸降低。

2.3 排水特征分析

準(zhǔn)確判斷土的排水特性對(duì)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(cè)試得到的P2可以用來判斷土體的排水特征(Marchetti， 1980)：當(dāng)P2近似等于靜水壓力u0時(shí)，土體呈現(xiàn)自由排水特性(如砂土)； 當(dāng)P2>u0時(shí)，土體呈現(xiàn)非自由排水特性(如軟黏土)。從呂厝站測(cè)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(fēng)化程度的增強(qiáng)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(jìn)一步分析土體的排水特性，引入孔壓指數(shù)UD。根據(jù)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(dòng)剪切模量

剪切波速Vs是場(chǎng)地分類、飽和土液化評(píng)判和工程場(chǎng)地地震安全評(píng)價(jià)等分析中一個(gè)重要參數(shù)。相對(duì)于常規(guī)的落孔法或跨孔法，以及物探方法測(cè)試剪切波速，SDMT試驗(yàn)提供了一種簡(jiǎn)單地獲取土體剪切波速的方法。為了評(píng)價(jià)SDMT試驗(yàn)測(cè)試Vs的可靠性，在杏錦路站試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行了跨孔法和SDMT的比對(duì)試驗(yàn)。從圖 5g可以看出，跨孔法與SDMT試驗(yàn)在鉆孔淺部測(cè)試結(jié)果相差幅度較大，隨著深度增加，兩種方法得到結(jié)果逐步減小，并在一定深度后趨于一致，這與以往研究結(jié)果基本一致。由于跨孔法至少需要兩個(gè)鉆孔，鉆探工作量大，成孔質(zhì)量要求較高，工程費(fèi)用高，因此，SDMT具有更廣泛的適用性和經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)SDMT試驗(yàn)得到剪切波速后，可進(jìn)一步獲得不同埋深土體的動(dòng)剪切模量G0，計(jì)算公式為：

(10)

式中，ρ為土體的天然密度。

根據(jù)式(10)可以得到3個(gè)場(chǎng)地的花崗巖風(fēng)化層的不同深度的G0(圖 5h)。其中，園博苑站殘積土的動(dòng)剪切模量最小，即小應(yīng)變范圍內(nèi)土體的剛度最小， 15im的深度范圍內(nèi)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(nèi)G0變化范圍為53～85iMPa，埋深超過12im后，G0超過100iMPa。

3 結(jié) 論

(1)通過對(duì)廈門典型花崗巖風(fēng)化地層的地震扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)可以看出，SDMT是一種適用性強(qiáng)、可靠性高的原位測(cè)試方法，從扁鏟指數(shù)可以獲得一系列的土體力學(xué)參數(shù)，判定土層的風(fēng)化程度，評(píng)價(jià)土體的原位水平應(yīng)力和排水特征，相對(duì)于傳統(tǒng)的DMT試驗(yàn)，SDMT還可以獲得土體剪切波速，進(jìn)而評(píng)價(jià)土體動(dòng)剛度特性，是一種適用性較強(qiáng)的新型原位測(cè)試手段。

(2)綜合分析SDMT試驗(yàn)的各項(xiàng)指標(biāo)，采用剪切波速和土類指數(shù)ID可以進(jìn)行土質(zhì)分類。廈門花崗巖殘積土土質(zhì)分類基本為粉土-砂性土，具有似超固結(jié)特性，表現(xiàn)出計(jì)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(yàn)場(chǎng)地的殘積土層的靜止土壓力系數(shù)K0=0.4～0.8，動(dòng)剪切模量G0=25～120iMPa。

(3)花崗巖殘積土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)對(duì)風(fēng)化程度特別敏感，隨著埋深增加，風(fēng)化程度逐漸減弱，土質(zhì)分類由粉土向砂性土轉(zhuǎn)化，受其黏粒含量減少影響，土體水平應(yīng)力減小，但強(qiáng)度與剛度增加，剪切波速逐漸增大，似超固結(jié)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(fēng)化的影響要求在風(fēng)化土層地區(qū)必須重視場(chǎng)地勘察工作，尤其是注意不均勻風(fēng)化引起的土體力學(xué)指標(biāo)的變異性評(píng)價(jià)。

(4)目前國內(nèi)外學(xué)者基于DMT或SDMT試驗(yàn)結(jié)果，提出了很多力學(xué)指標(biāo)評(píng)價(jià)方法與經(jīng)驗(yàn)公式，但多是針對(duì)砂土與黏土，廈門花崗巖殘積土屬于一種區(qū)域性特殊土，如何立足于殘積土特殊的力學(xué)行為表現(xiàn)，提出適用于這種特殊土的原位力學(xué)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系將是未來研究的重點(diǎn)。