十字板剪切试验在珠三角深厚软土基坑工程中的应用

朱思军,杨光华,陈富强,张玉成

(广东省水利水电科学研究院；广东省岩土工程技术研究中心；广东省山洪灾害突发事件应急技术研究中心,广东 广州 510635)



十字板剪切试验在珠三角深厚软土基坑工程中的应用

朱思军,杨光华,陈富强,张玉成

(广东省水利水电科学研究院；广东省岩土工程技术研究中心；广东省山洪灾害突发事件应急技术研究中心,广东 广州 510635)

由于淤泥的结构性较强,被扰动后其强度会大幅下降,故通过常规的室内试验得到的淤泥的强度参数一般都偏低,往往导致基坑支护过于保守,该文尝试采用闫澍旺等人提出的根据十字板剪切试验测得的峰值抗剪强度,推导出淤泥的强度参数,对基坑支护设计进行优化,这一方法在实际基坑工程中成功运用,说明该方法可行,可供类似工程参考。

十字板；深厚软土；基坑

珠三角的软土是全国最软的软土之一,具有高含水率、高压缩性,低承载力等特点,另外还有软土较厚(有时超过30 m),低渗透性、具有很强的结构性,一旦受到扰动,其强度将迅速降低,流变性、欠固结特性等特点[1]。该地区基坑工程中,淤泥的强度参数(即粘聚力和内摩擦角)最为关键,对支护结构的安全和经济等方面有着决定性的影响,淤泥的强度参数一般采用地勘报告中提供的参数建议值,该值是勘察人员采用钻探方法,取样后在室内通过各种土工试验手段获取的岩土体参数,由于淤泥的结构性较强,被扰动后其强度会大幅下降[2],故通过常规的室内试验得到的淤泥的强度参数一般都偏低。而在深厚淤泥土层中开挖基坑时,淤泥的强度参数对基坑支护的造价影响的灵敏度很高,为了克服常规勘察对土样的扰动,可考虑采用十字板剪切试验获取淤泥土层的强度参数。

十字板剪切试验是适用于测定饱和软粘土的不排水抗剪强度及灵敏度等参数的测试试验,试验时将十字板头插入土中,以一定速率对板头施加扭力,直到将土剪损,测出十字板旋转时所形成的圆柱体表面处的抵抗力矩,从而换算出土的抗剪强度,其数值相当于在天然状态下的不固结不排水土的抗剪强度,众多学者通过现场试验与室内试验工作实践,采用统计分析、理论推导等方法,不断发展十字板剪切强度指标应用范围[3-10]。

1 根据十字板剪切试验推求淤泥强度参数

十字板剪切试验可得到淤泥的抗剪强度,但是在基坑支护设计中,求土压力时需要淤泥的强度参数,即粘聚力和内摩擦角,这就需要根据淤泥的抗剪强度推导出淤泥的强度参数,闫澍旺等人[11]基于Mohr-Coulomb 抗剪强度原理,结合十字板强度与深度有线性关系的规律性,通过对大量十字板测试结果的回归统计分析,提出了可以推算出地基土的两个抗剪强度参数的方法,即粘聚力C和内摩擦角φ。该方法已编入规范《港口工程地基规范》(JTS 147—1—2010)[12]。

(1)

(2)

C=b

(3)

式中D为十字板的直径；H为十字板的高度；K0为土层的侧压力系数,K0=0.65～0.72；Ut为淤泥的固结度；γ=16 kN/m3。

2 工程实例

珠三角某地块拟建一商业区,初勘表明此处淤泥层深厚,采用真空预压对淤泥进行处理,插18 m深塑料排水板进行排水,达到规范要求后卸载,监测显示卸载时地面平均沉降达1 m以上,然后进行详细勘察,详勘报告表明,场地岩土层按其地质年代和成因类型自上而下可划分为人工填土层(Qml)、第四系海陆相土层(Qmc)和震旦系(Z)花岗片麻岩等三部分。各岩土层的分布及特征分述如下：

1) 人工填土层(Qml,层号1)

土性主要为素填土,呈灰褐色,土黄色,主要由粉细砂组成,结构疏松,为新近填积。厚度为0.60～6.80 m,平均2.18 m。

2) 第四系冲积土层(Qal,层号2)

据钻孔揭露,按土性的差异,本层从上而下可划分为淤泥/淤泥质粘土、细砂、砾砂等3个亚层,各亚层的特征及分布评述如下：

②细砂亚层<2-2>：呈灰褐、灰白、灰黄色,饱和,稍密为主,局部中密,颗粒分选性差,含较多粘性土及中粗砂。层厚0.90～3.00 m,平均1.60 m。

③砾砂亚层<2-3>：呈灰褐、灰白、灰黄色,饱和,稍密～中密,级配一般,含中粗砂及圆砾,局部含粘粒。层厚2.50～14.50 m,平均7.01 m。

3) 基岩(Z,层号4)

场地基岩岩性为震旦期(Z)花岗片麻岩等,在钻孔控制深度范围内,按岩石的风化程度可划分为强风化、中风化和微风化3个风化岩层,各岩层的分布及特征描述如下：

①强风化片麻岩层<4-2>：呈灰褐、褐黄色,岩芯多呈半岩半土状及碎岩块,土状岩芯遇水可崩解,手捏易散,岩质软,局部夹中风化碎块。

②中风化片麻岩层<4-3>：呈褐黄、灰褐、灰白色,块状构造,岩芯多呈短柱状、块状,裂隙发育,取芯困难,沿裂面充填次生矿物,岩质硬,局部偏微风化,岩体基本质量等级为IV级。

③微风化片麻岩层<4-4>：呈灰褐色,灰白色,中粗粒结构,块状构造,岩芯较完整新鲜,多呈中长柱状、柱状,局部少量块状,岩质稍硬,岩体基本质量等级为III级。

淤泥快剪指标建议值为粘聚力C=7.0 kPa,内摩擦角φ=3.7°。

根据业主提供资料,主体建筑下设一层地下室,基坑开挖深度为5.3 m,周长为578 m,采用重力式水泥土墙+坑内加固的基坑支护型式,局部适当放坡。典型剖面如图1。

根据市价估算出的每延米造价约为4.1万元,造价较高。

为了优化设计,在保证基坑安全的前提下节约支护成本,考虑从采用的设计参数优化入手,根据广东省水利水电科学研究院在珠三角从事基坑设计和软基处理多年经验,经过真空预压处理的淤泥内摩擦角φ取3.7°偏低,设计过于保守。为了验证这一想法,业主委托勘察单位对该地块进行了十字板剪切试验,并采用上述计算方法推求淤泥土层的强度参数。

勘察单位共完成了6个十字板剪切试验(沿基坑边布置),测试深度为15 m,每米设1个测点,共90个测点。以各点位的峰值抗剪强度作为纵坐标,深度为横坐标绘出各点,然后线性拟合,得到拟合方程,结果如图2～7所示。

得到的各拟合方程的两个参数a和b汇总见表1。

表1 各拟合方程参数汇总

将表1中的参数代入到式(2)和(3)中进行计算,式中D为十字板的直径,取75 mm；H为十字板的高度,取150 mm；K0为土层的侧压力系数,K0=0.65；Ut为淤泥的固结度,取0.9(场地已完成真空预压处理,卸荷时淤泥固结度为0.9)。计算结果汇总见表2。

表2 淤泥强度参数计算结果

计算得到的各十字板剪切试验点位的粘聚力的平均值为21.7 kPa,最小值为20.58 kPa,内摩擦角平均值为6.86°,最小值为6.34°。

根据杨光华著《深基坑支护结构的实用计算方法及其应用》一书中所述[13],广东地区淤泥的粘聚力在4～10 kPa范围内,内摩擦角在4°～8°范围内,可见,根据闫澍旺等人提出的这一方法推求的淤泥土的内摩擦角在正常范围内,可采用,设计时取6.0°。而粘聚力平均值为21.7 kPa,在正常范围外,说明式(3)得到的粘聚力不合理,地勘淤泥的粘聚力建议值为7.0 kPa,在正常范围内,较合理,可采用。

图1 基坑支护典型剖面示意(单位：mm)

图2 点位VST1的抗剪强度与深度关系

图3 点位VST2的抗剪强度与深度关系

图4 点位VST3的抗剪强度与深度关系

图5 点位VST4的抗剪强度与深度关系

图6 点位VST5的抗剪强度与深度关系

图7 点位VST6的抗剪强度与深度关系

采用推算出的淤泥强度参数,即粘聚力取7.0 kPa,内摩擦角取6.0°用于优化基坑支护设计,典型剖面示意见图8。优化后的基坑支护每延米造价约为3.6万元,节省造价超过12%,取得了较好的经济效益。

现该基坑已回填完成,整个开挖过程中监测数据正常,满足规范要求,说明采用优化后的淤泥参数进行设计的支护结构是安全的,这种方法是可行的,可供类似工程参考。

图8 优化后基坑支护典型剖面示意(单位:mm)

3 结语

1) 由于淤泥的结构性较强,被扰动后其强度会大幅下降,故通过常规的室内试验得到的淤泥的强度参数一般都偏低,用于基坑支护设计时偏保守。

2) 可根据十字板剪切试验推求淤泥土层的强度参数,根据实际工程案例说明该方法得到的内摩擦角较合理,说明公式(2)是可用的。

3) 根据十字板剪切试验推求的淤泥土层的粘聚力偏离正常范围,不合理,说明公式(3)有不足之处,运用时需慎重,建议结合地勘报告建议的参数综合确定淤泥土层的粘聚力。

[1] 张玉成,杨光华,胡海英,等. 珠三角深厚软土地区浅基坑支护若干问题探讨[J].岩土工程学报,2014(11)：1-11.

[2] 高大钊,张少钦,姜安龙,等. 取样扰动对土的工程性质指标影响的试验研究[J].工程勘察,2006(3)：6-10.

[3] 程谨. 十字板剪切试验的综合应用[J].工程勘察,2008(1)：83-91.

[4] 陈惠元. 十字板剪切试验在长江口深水航道治理二期工程的应用[J].港工技术,2001(4)：52-53.

[5] 李洪增. 电测式十字板剪切试验的研究与应用[J].岩石力学与工程学报,2004(23)：4 446-4 449.

[6] 乔春生,闫澍旺,张丽丽,等. 用十字板强度计算软黏土土坡的安全系数的研究[J].中国港湾建设,2002(2)：49-53.

[7] 侯晋芳,闫澍旺,刘爱民. 十字板强度推算的抗剪强度指标在箱筒型基础设计计算中的应用[J].港工技术,2008(6)：47-50.

[8] 孙敬. 不同方法测定软土参数的比较分析[J].广东水利水电,2012(4)：20-22.

[9] 杨光华. 软土地基中几个问题的分析[J].广东水利水电,2013(5)：1-5.

[10] 刘亚洲,权锋,黄兴. 十字板剪切试验在软土地基勘察中的应用[J].勘察科学技术,2013(1)：35-38.

[11] 闫澍旺,封晓伟,侯晋芳,等. 用十字板强度推算软黏土抗剪强度指标的方法及应用[J].岩土工程学报,2009(31)：1 805-1 810.

[12] 港口工程地基规范:JTS 147-1-2010[S].北京：人民交通出版社,2010:61-62.

[13] 杨光华. 深基坑支护结构的实用计算方法及其应用[M].北京：地质出版社,2004:47-48.

(本文责任编辑 王瑞兰)

Application of the Vane Shear Test in Excavation Engineering in Deep and Soft Soil in the Pearl River Delta

ZHU Sijun, YANG Guanghua, CHEN Fuqiang, ZHANG Yucheng

(Guangdong Research Institute of Water Resources And Hydropower; Guangdong Research Center of Geotechnical Engineering; Emergency Technical Research Centre of Guangdong Province mountain flood emergencies，Guangzhou 510635，China)

Due to the high structure, the strength of silt will substantially reduce when it's being disturbed. So the silt's strength parameter of indoor tests is often lower than the intrinsic one. Thus, resulting in over-conservative design value in foundation pit support. To solve this problem, peak shear strength measured by vane shear test to derivate the strength parameter of the silt which was proposed by YAN Shuwang and etc. It is successfully used in practical foundation pit engineering show that this way is feasible. This provides reference for similar engineering.

Vane； deep and soft soil；excavation

2016-04-02;

2016-05-27

朱思军(1986),男,硕士,工程师,主要从事岩土设计咨询方面的工作。

TU471.+8

B

1008-0112(2016)06-0028-06