惠州港區(qū)軟土室內(nèi)與原位十字板剪切試驗(yàn)強(qiáng)度對(duì)比分析

戚玉紅，劉長(zhǎng)殿，安鵬程，張紀(jì)欣，孟令福

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

1 研究背景

自1954 年南京水利科學(xué)研究所引進(jìn)以來(lái)，十字板剪切試驗(yàn)作為一種原位測(cè)試技術(shù)在沿海軟土地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用[1]。經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，十字板測(cè)試成果在地基穩(wěn)定性驗(yàn)算、固結(jié)歷史判定、承載力計(jì)算和飽和軟黏土靈敏度測(cè)定等方面的應(yīng)用已經(jīng)十分成熟。作為一種原位測(cè)試手段，尤其是海洋地質(zhì)勘察時(shí)，原位十字板測(cè)試受外界影響較大，陶凱等[2]對(duì)十字板海上作業(yè)的影響因素進(jìn)行了總結(jié)并提出應(yīng)對(duì)方案。十字板剪切試驗(yàn)作為一種室內(nèi)測(cè)試手段在國(guó)外已有應(yīng)用并有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[3]支持，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)十字板試驗(yàn)的室內(nèi)應(yīng)用也有嘗試；程瑾[4]對(duì)天津地區(qū)軟土試驗(yàn)分別進(jìn)行了電測(cè)式、機(jī)械式十字板和微型十字板試驗(yàn)，總結(jié)了幾種十字板的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件；高彥斌等[5]通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)分析總結(jié)了室內(nèi)十字板、原位十字板測(cè)試、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)在軟土靈敏度測(cè)試中的差別；劉永勝等[6]對(duì)室內(nèi)和原位十字板測(cè)試進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，總結(jié)分析了2 種試驗(yàn)方法差異的影響因素；但是國(guó)內(nèi)研究者對(duì)室內(nèi)十字板剪切試驗(yàn)的研究還不夠深入，室內(nèi)十字板的應(yīng)用方面缺乏經(jīng)驗(yàn)。

結(jié)合以上背景，依托惠州港區(qū)勘察項(xiàng)目，對(duì)軟土開(kāi)展室內(nèi)、原位十字板剪切對(duì)比試驗(yàn)，研究2 種試驗(yàn)方法抗剪切強(qiáng)度存在的關(guān)系及產(chǎn)生差異的機(jī)理，以其為室內(nèi)十字板剪切試驗(yàn)在水運(yùn)工程建設(shè)中的應(yīng)用提供幫助。

2 試驗(yàn)儀器和方法

2.1 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)原位測(cè)試采用一航院研發(fā)的機(jī)械式十字板儀，板頭寬75 mm、高150 mm、厚3 mm、刃角60?、面積比≤13%；室內(nèi)試驗(yàn)采用張家港晟泰克智能儀器有限公司生產(chǎn)的IJZS-1 型室內(nèi)十字板剪切儀，板頭寬25.4 mm、高50.8 mm、厚1 mm、面積比≤15%。室內(nèi)十字板剪切試驗(yàn)系統(tǒng)包括十字板板頭、扭矩測(cè)量組件、數(shù)據(jù)記錄和顯示組件、測(cè)量設(shè)備的絕緣電阻等組件，見(jiàn)圖1。

圖1 室內(nèi)十字板剪切試驗(yàn)系統(tǒng)及不同規(guī)格板頭示意圖Fig.1 Laboratory vane shear testing system and different specifications of vanes

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)土樣的制備、物理指標(biāo)等試驗(yàn)均按照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[7]進(jìn)行，室內(nèi)十字板試驗(yàn)在薄壁取土器中進(jìn)行，試樣直徑75 mm、長(zhǎng)度50 cm。原位十字板剪切試驗(yàn)按照水運(yùn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8]進(jìn)行。

室內(nèi)十字板剪切試驗(yàn)按以下步驟進(jìn)行：

1）儀器檢查、安裝、調(diào)試。

2）修整并安裝土樣：修平土樣表面，將土樣安裝在土樣架上，保持土樣和十字板軸線重合。

3）十字板貫入：將十字板平穩(wěn)貫入土樣，剪切位置十字板板頭頂端距土樣表面應(yīng)大于2.5 倍板頭寬度，記錄貫入深度，靜止等待2～3 min 后開(kāi)始試驗(yàn)。

4）輸入?yún)?shù)：根據(jù)土樣硬度選擇扭矩傳感器量程和板頭寬度，本次試驗(yàn)板頭寬度為25.4 mm，高寬比為2 ∶1，輸入土樣深度、采數(shù)步長(zhǎng)、剪切速率應(yīng)控制在6～12 ?/min。

5）剪切試驗(yàn)：傳感器清零并開(kāi)始試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，出現(xiàn)峰值或曲線穩(wěn)定后試驗(yàn)結(jié)束，記錄峰值或穩(wěn)定剪切應(yīng)力和破壞角度。

6）測(cè)定重塑強(qiáng)度：快速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)十字板6圈重塑剪切區(qū)域土樣，并根據(jù)試驗(yàn)需要按步驟5）測(cè)定重塑應(yīng)力。

7）提升并清理板頭。

8）如需在同一土樣中多次試驗(yàn)，則相鄰2 個(gè)測(cè)試點(diǎn)中心距離不得小于板頭直徑的2.5 倍。

9）試驗(yàn)完成后取出土樣，剖開(kāi)土樣對(duì)剪切破壞面進(jìn)行描述并測(cè)定破壞面位置含水率。

室內(nèi)十字板測(cè)試數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，通過(guò)對(duì)破壞剖面進(jìn)行直接觀察可以有效地剔除數(shù)據(jù)異常點(diǎn)，提高測(cè)試精度。

3 測(cè)試土樣的物理性指標(biāo)

在軟土試驗(yàn)區(qū)布置6 個(gè)鉆孔進(jìn)行原位十字板測(cè)試，并在鉆孔附近布置取土孔取樣進(jìn)行室內(nèi)十字板剪切試驗(yàn)及室內(nèi)常規(guī)物理力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)深度范圍內(nèi)共計(jì)取流泥、淤泥和淤泥質(zhì)黏土原狀樣品69 個(gè)，土樣物理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 物理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of physical indicators

4 室內(nèi)、原位十字板剪切試驗(yàn)對(duì)比分析

4.1 抗剪強(qiáng)度-深度曲線對(duì)比

對(duì)各鉆孔同一深度土樣十字板強(qiáng)度取平均值，獲得原位與室內(nèi)十字板測(cè)試十字板強(qiáng)度隨取樣深度變化曲線，見(jiàn)圖2。

圖2 十字板強(qiáng)度隨試驗(yàn)深度變化曲線Fig.2 Relationship of vane strength against test depth

通過(guò)曲線發(fā)現(xiàn)：室內(nèi)試驗(yàn)與原位測(cè)試相比曲線波動(dòng)較小，室內(nèi)試驗(yàn)與原位測(cè)試十字板強(qiáng)度都隨深度增加而增大，同一深度土樣室內(nèi)試驗(yàn)十字板強(qiáng)度小于原位測(cè)試且差值隨深度增加而增大；原位測(cè)試十字板強(qiáng)度與室內(nèi)試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度與試驗(yàn)深度均存在良好的線性關(guān)系。

4.2 室內(nèi)與原位試驗(yàn)差異性及原因分析

結(jié)合室內(nèi)、原位十字板剪切試驗(yàn)試樣狀態(tài)和測(cè)試原理對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)和原位測(cè)試差異性及原因做以下分析：

1）對(duì)同一深度試樣抗剪強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果小于原位測(cè)試。原位測(cè)試土體處于天然狀態(tài)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度充分發(fā)揮，取樣后土樣脫離應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生應(yīng)力釋放以及取樣和樣品運(yùn)輸產(chǎn)生擾動(dòng)會(huì)使土樣損失部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而導(dǎo)致室內(nèi)測(cè)試強(qiáng)度較小。

2）室內(nèi)試驗(yàn)的深度效應(yīng)相對(duì)較弱。原位測(cè)試土樣處于三維應(yīng)力狀態(tài)，土體在自重應(yīng)力下形成的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度自上到下也逐漸增大，因此原位測(cè)試中三維應(yīng)力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響隨深度增加而增加；其次，十字板強(qiáng)度測(cè)試假設(shè)固定破壞面，在破壞面的形成過(guò)程中必然存在板頭及周邊土體受力發(fā)生塑性形變而后發(fā)展至破壞的過(guò)程，土體變形產(chǎn)生抵抗力矩，隨著深度的增加土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增大變形產(chǎn)生的抵抗力矩越大，因此原位測(cè)試抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)更明顯的深度效應(yīng)。

4.3 室內(nèi)、原位十字板抗剪強(qiáng)度相關(guān)性分析

已有研究成果表明原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)十字板強(qiáng)度與深度均存在較好的線性關(guān)系[9-10]，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出惠州港區(qū)軟土原位、室內(nèi)十字板抗剪強(qiáng)度隨深度變化關(guān)系式：

式中：cuy為原位十字板測(cè)試強(qiáng)度，kPa；cus為室內(nèi)十字板測(cè)試強(qiáng)度，kPa；Z 為原位十字板測(cè)試深度、室內(nèi)十字板測(cè)試取樣深度，m。

根據(jù)式（1）、式（2）即可得出惠州港區(qū)軟土根據(jù)室內(nèi)十字板抗剪強(qiáng)度計(jì)算的原位十字板強(qiáng)度：

式中：c′uy為根據(jù)室內(nèi)十字板試驗(yàn)計(jì)算的原位十字板強(qiáng)度，kPa；cus為室內(nèi)十字板測(cè)試強(qiáng)度，kPa；Z為測(cè)試取樣深度，m。

式（3）表示可以通過(guò)室內(nèi)強(qiáng)度與測(cè)試深度對(duì)原位十字板測(cè)試強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，也反映出2 種試驗(yàn)方法測(cè)試結(jié)果的差異與土樣深度相關(guān)；原位測(cè)試結(jié)果大于室內(nèi)試驗(yàn)且具有較強(qiáng)的深度效應(yīng)；室內(nèi)測(cè)試與原位測(cè)試存在差異的主要原因，一是隨深度變化的應(yīng)力環(huán)境，二是取樣、運(yùn)輸和試驗(yàn)過(guò)程造成的土樣強(qiáng)度損失。

4.4 驗(yàn)證試驗(yàn)分析

室內(nèi)、原位十字板抗剪強(qiáng)度存在良好的線性關(guān)系，為進(jìn)一步對(duì)式（3）進(jìn)行驗(yàn)證，在同一試驗(yàn)場(chǎng)地新布置3 組驗(yàn)證鉆孔進(jìn)行室內(nèi)、原位十字板試驗(yàn)，分別得出室內(nèi)、原位十字板強(qiáng)度以及根據(jù)公式（3）擬合的原位十字板強(qiáng)度。3 組鉆孔十字板強(qiáng)度隨深度變化曲線分別如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 1 號(hào)孔十字板強(qiáng)度隨深度變化曲線Fig.3 Relationship of vane strength and test depth of Borehole No.1

圖4 2 號(hào)孔十字板強(qiáng)度隨深度變化曲線Fig.4 Relationship of vane strength and test depth of Borehole No.2

圖5 3 號(hào)孔十字板強(qiáng)度隨深度變化曲線Fig.5 Relationship of vane strength and test depth of Borehole No.3

觀察圖（3）—圖（5）發(fā)現(xiàn)利用室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)關(guān)系式（3）擬合的十字板強(qiáng)度與原位測(cè)試結(jié)果十字板強(qiáng)度-深度曲線具有較好的一致性。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：1 號(hào)孔室內(nèi)試驗(yàn)擬合的抗剪強(qiáng)度與原位實(shí)測(cè)抗剪強(qiáng)度相對(duì)誤差最大值為26%，最小值為4%，平均值為15%；2 號(hào)孔相對(duì)誤差最大值為25%，最小值為1%，平均值為13%；3 號(hào)孔相對(duì)誤差最大值為23%，最小值為2%，平均值為8%。本次3 個(gè)驗(yàn)證鉆孔原位十字板強(qiáng)度估算值和實(shí)測(cè)值平均相對(duì)誤差為12%，說(shuō)明在試驗(yàn)軟土區(qū)利用室內(nèi)十字板試驗(yàn)結(jié)果估算原位十字板強(qiáng)度是可行的。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）相同深度處室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度小于原位測(cè)試強(qiáng)度，室內(nèi)測(cè)試深度效應(yīng)較弱而原位測(cè)試深度效應(yīng)更明顯。

2）造成室內(nèi)、原位十字板強(qiáng)度差異的主要原因一是應(yīng)力狀態(tài)的差異，二是取樣和樣品運(yùn)輸過(guò)程中土樣擾動(dòng)造成的強(qiáng)度損失。

3）原位十字板抗剪強(qiáng)度與室內(nèi)測(cè)試強(qiáng)度和試驗(yàn)深度相關(guān)性良好，惠州港區(qū)軟土利用室內(nèi)十字板強(qiáng)度估算的原位十字板強(qiáng)度和實(shí)測(cè)值平均誤差約為12%，表明可以在不具備原位十字板測(cè)試條件時(shí)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)間接獲得較為可靠的原位十字板強(qiáng)度數(shù)據(jù)。