静力触探和十字板剪切试验在岩土工程中的应用

■莫茗钧

（广东省有色金属地质局九三五队 广东 惠州516001）

静力触探和十字板剪切试验在岩土工程中的应用

■莫茗钧

（广东省有色金属地质局九三五队 广东 惠州516001）

岩土工程勘察需要通过现场原位试验来获取相关数据进行工程场地的可行性分析，常见原位试验包括静力触探试验和十字板剪切试验。十字板剪切主要测定软粘土的抗剪强度、地基承载力，判断软土固结程度、灵敏度、计算地基稳定性等方面有很好的效果；静力触探用于土类判别和力学分层、估算单桩承载力。本文在介绍两种原位试验的基础上结合工程实例对其在工程中的应用展开论述。

静力触探；十字板剪切；比贯入阻力；不排水抗剪强度；灵敏度

0 引言

最新版的岩土工程勘察规范将e不小于1，w大于IL的土定义为软土，其种类有淤泥、淤泥质土等。软土是一种特殊的土，沉积物在静水或流速缓慢的水环境中具有触变性、流变性、压缩性高、强度低、渗透率低等工程危险性大的非均质性特征，往往会引起地基失效，大的沉降和边坡失稳，需引起高度重视。

十字板剪切试验通常被用来测定饱和软粘性土的抗剪强度和残余抗剪强度，判断软土固结程度、灵敏度、计算地基稳定性，静力触探则用于土类判别和力学分层、估算单桩承载力，这两种方法经验较多，理论较完善，数据可靠。

1 静力触探在岩土工程中的应用

1.1 静力触探应用分析

静力触探成果已广泛应用于工程地质评价，如土壤类型判别和分层，对土壤、摩擦角和砂土相对密度的评价，不排水抗剪强度评价、压缩模量和变形模量E0，确定土壤的承载能力，均得到了令人满意的结果。在桩基础的调查中，单桩的竖向承载力和桩受到的阻力可以根据桩的类型（如摩擦端承桩、端承桩等）进行估计。

1.1.1 确定土体特征和微地貌单元

地貌单元的划分和判断是根据地层结构分布特点和地貌形态及地形标高等因素。反之，查明了地层结构分布特点就可以判断河流阶地类型，进而帮助评价场地的工程地质条件。

图1是某市区河漫滩和河流一、二级阶地的土层静力触探ps值曲线图，所反映的地层结构是内叠阶地。根据曲线反映的土层剖面，地基静力触探ps值曲线反映的地层剖面则是河流上叠阶地的地层结构，上部是全新统土层，其下为更新统地层。

图1 某市漫滩及河流一、二级阶地土层静力触探ps值曲线图

1.1.2 确定泥质软岩的中风化带界线

我国广泛分布中、新生代的红色泥质砂岩，由于其厚度巨大，埋藏较浅，常常是重大工程的桩基持力层。例如某市红色泥质砂岩埋深一般15～25m，中厚-巨厚层状，泥质胶结，是该市高层建筑及市政桥梁桩基持力层。红色泥质岩由于强度低，各风化带的界线不明显，往往给(中)风化带的划分带来困难。由于地质、施工和监理对中风化带(设计的持力层)的划分难以把握，致使到新鲜岩的情况下还在向下开挖，只有确定桩端持力层的标高，才能避免了成本的增加。

风化岩常含有风化带，有时是很难被穿透，比较软岩中的静力触探曲线，亦发现一般只有在风化带以上约1m，显示一个随着地形变化的疏缓波状的曲面。由于其渗透曲线的取值是连续的，在综合评判中比较容易确定。因此，在泥浆中的风化带的界面是由钻井确定的，这是很好的验证。虽然这可能是一个少数的例外，但在实际工程中，这种解决问题的思路是有用的。此外，根据静态渗透曲线的值以及渗透阻力，确定边坡滑动界面是一个更可靠的方法，在调查和评估的土体滑坡中取得了令人满意的结果，。

2 十字板剪切试验在软土地基中的应用

2.1 机理分析

十字剪切试验是对钻孔中的软粘土进行的抗剪强度试验。测得的剪切强度等于不排水剪切强度和残余抗剪强度，同时也可以当作无侧限抗压强度的1/2。

十字板剪切装置由两个相互垂直的轴结构组成，高强度且薄的金属板焊接在轴端上。当使用十字板插入到土壤中，施加扭矩在轴上，在土壤中的叶片旋转，形成一个圆柱形的剪切面，由设备上的量力装置测量最大扭矩，从而测出剪切强度。

设十字板所测定的土的抗剪强度为sv，则有：

2.2 工程实例

2.2.1 概述

某市一地区原为湖泊水域，广泛分布湖泊相厚层淤泥及淤泥质粘土等软土，平均厚度为8～15m，最深达到20m，低承载力(30～60kPa)、高压缩性，对市政道路排水工程、建筑工程的地基稳定性及沉降有很大影响。

上层淤泥及下层淤泥质粘土的性质见表1。

表1 土的主要物理、力学指标统计

2.2.2 地基承载力计算

式中，fa为地基承载力特征值，按抗剪强度确定；Mb、Md、Mc为各项承载力参数，查规范中的表5.2.5可得；b为基础底面宽度，大于6m时取6m，砂土时若小于3m则取3m；Ck为粘聚力标准值；γ为天然重度，地下水位以下要减去地下水的重度；γm为基础底面以上土的加权平均重度。

从而可以算出该工程中 (2-1)淤泥 fa=3.14Cu=3.14× 11.9=37.3kPa，(2-2)淤泥质粘土fa=3.14Cu=3.14×24.2=76kPa。依据当地工程经验所记录的含水量、比贯入阻力可以查得承载力特征值误差不是很大，(2-1)层淤泥的承载力特征值小于40kPa，(2-2)层淤泥质粘土的承载力特征值在60kPa左右。十字板剪切试验得出的地基承载力和当地工程经验估算的结果是一致的。

2.2.3 应力历史的推算

对比两种勘察现场试验得出的各项参数，结合不同思路求出超固结比。

1）土工试验法，(2-1)层淤泥超固结比0.85～0.93，平均值0.91；(2-2)层淤泥质粘土的超固结比0.30～0.99，平均值0.74。超固结比均小于1。

2）十字板剪切试验法，由公式

可以得出(2-1)层淤泥为0.55～1.16，平均值0.85；(2-2)层淤泥质粘土为0.39～1.05，平均值0.62。除了部分点超过1，大多数的测试点超固结比都小于1。

岩土工程试验和现场试验结果表明，该地区软土处于固结状态，在重力作用下尚未完成沉降。在自重或土桩的情况下，沉降将继续，桩体将形成一个负摩阻力，这将降低桩基础的承载力。设计和施工需要考虑其带来的不利影响。

2.2.4 灵敏度

软土的敏感度可以表示软土土体原始结构被破坏后强度的降低情况：St=Su/S'u，式中，St为灵敏度；Su为原状土的抗剪强度，kPa；S'u为扰动土的抗剪强度，kPa。

两种现场试验分别得出灵敏度，其结果如下表2中所示。

从表2中可以看出以下几点：

表2 软土灵敏度统计

1）该地区软土的敏感性为4以上，属于敏感中等偏上的粘土部分表现出不灵敏或极灵敏。最大灵敏度为12，这表明，当地的软土的结构是非常强的，土壤受到干扰后强度的变化会很小。

2）土工试验获得的软土的敏感性明显低于十字板试验（2-3），淤泥质粘土的差异几乎为1倍。

3）土工试验得出的（2-1）灵敏度淤泥高于（2-3）淤泥质粘土，这和十字板试验结果正好相反。

灵敏度反映了粘性土的结构，中度敏感和敏感的土壤的结构强度稍强，也就是说，由于一些粘性土的强度损失是非常快，现场十字板剪切试验可以减少土壤样品扰动的影响，方法简单、快速。可以认为，十字板的试验结果可以更准确地反映实际情况。因此，在求软土灵敏度的方法中，应首推野外十字板现场剪切试验。

3 结语

十字板试验和静力触探是原位测试中常见的两种手段，尤其适用于抗剪强度和残余承载力的测定，可用于软土的固结度的计算、软土工程地基稳定性评价、灵敏度分析。此外这两种方法的经验丰富，理论完善，数据可靠，可用于软土地基勘察。由于岩土工程在工程中的灵活性，我们还需要积累工程实践经验，保证地质参数的精确，确保勘察结果的可靠度。

[1]常示骠,张苏民《.岩土工程手册》 （第四版）.北京：中国建筑工业出版社，2007 (2).

[2]《岩土工程勘察规范》.GB50021-2001（2009版）.

[3]高大钊等.软土地基理论与实践 [M].北京:中国建筑工业出版社,1992.

TU[文献码]B

1000-405X（2016）-12-453-2