厦门花岗岩风化层的地震扁铲侧胀(SDMT)试验研究*

陈晓坚

(厦门轨道交通集团有限公司 厦门 361000)

0 引 言

厦门地区广泛分布着风化的花岗岩地层，花岗岩残积土与全风化、强风化花岗岩的厚度达10～50im。在当地的工程建设中，如何科学安全与经济合理利用花岗岩风化层，以及如何准确获得基坑开挖与支护过程中土体的力学性质指标表现得尤为突出。国内外众多的研究成果表明，花岗岩残积土作为一种区域性特殊土体，虽然具有相对较高的强度，但同时也表现出较差的抗水性，即随着含水率增大，其强度会显著降低，突降暴雨还可能引发强烈的崩解现象(张抒等， 2013; 张先伟等， 2016a； 简文彬等， 2017； Zhang et al.，2017)。另一方面，花岗岩风化土层的石英砂砾含量较高，孔隙比很大，易于扰动，扰动效应也容易引起强度的降低(Kim et al.，2010)。这也要求该类土必须采用扰动较小的取样技术取土，制样及试验操作必须极其小心，避免扰动后获得的强度指标失真。因此，花岗岩风化土力学指标的测定多采用原位手段(张先伟等， 2014， 2016b； 尹松等， 2017)。这是因为原位试验的优点是可以保持土体在天然状态下，测试其力学性质指标，避免了取样与制样过程中的应力释放与扰动影响，获得的试验结果更加真实可靠。目前，对于我国南方花岗岩风化土的力学试验多集中于室内试验，系统的现场试验与结果分析并不多见。

扁铲侧胀试验(DMT)是由Marchetti发明的一种原位试验方法，该方法由于试验操作便捷、重复性高，受外界环境影响小收到工程师的普遍欢迎，这种原位试验方法也列入美国土木工程学会推荐的原位试验方法(Choo et al.，2016； Schnaid et al.，2016)。随着勘察需求的增高，最近发展了一种新型的原位测试技术——地震扁铲侧胀试验(seismic dilatometer test， SDMT)，这是在扁铲侧胀仪的基础上加入剪切波速测试。它的原理是在扁铲铲头的上方设置间距0.5im的两个波速接收装置，可以获得在地表施加的锤击波动信号，由此计算得到不同埋深的剪切波速Vs。由于岩土工程勘察规范(DBJ 13-84-2006)建议对于花岗岩残积土需要测定剪切波速来划分风化等级，这也便于该方法在我国花岗岩地区推广使用。现有的一些研究成果也表明(Monaco et al.，2014)，对于风化土地层，利用地震扁铲侧胀试验可以较准确地获得土体多种力学性质指标，具有较高的可靠性与适用性。

本文选取厦门市城市地铁轨道交通1号线的3个站点的典型花岗岩风化地层为研究对象，开展了地震扁铲侧胀试验(SDMT)，对花岗岩风化土层的风化程度和力学性能进行了较系统的试验研究，研究结果对厦门地区风化土地基的优化设计具有直接的指导意义。

1 场地工程地质特性与试验方法

1.1 试验场地的工程地质特征

根据厦门城市地铁轨道交通1号线的24个站点基坑勘察报告，该区地下水位普遍为1～3im。厦门地区的花岗岩残积土呈灰白色，黄色，褐色，埋深相对较浅的受红土化影响，呈红色； 除石英颗粒外，其他矿物基本风化为高岭石； 土中砾粒含量一般为15%～35%，大多属砾质黏性土，少部分为砂质黏性土，属不连续级配土； 土体孔隙率高，干燥状态下颗粒间有一定结合力，遇水后强度急剧降低。花岗岩风化带的显著特点是差异风化特别明显，全-强风化带中普遍存在中等-微风化残余体(小碎石颗粒)，中等风化带中也会有强风化岩体囊状风化特征，风化带的均匀性差，风化界面复杂，增加了岩土工程勘察和施工的难度。

试验场地选择厦门市地铁轨道交通1号线的3个站点：吕厝站、杏锦路站和园博苑站。3个场地的典型地层剖面见图 1。从揭露深度30im的3个地层鉴别孔可以发现，埋深1.2～3.6im后开始进入花岗岩风化层，随着深度增加风化程度逐渐减弱，根据风化程度不同依次为残积土、全风化层、强风化层和中风化层，但个别站点(如吕厝站)没有发现强风化花岗岩。同时，残积土层厚度相对较厚，根据土颗粒中黏粒含量不同与风化程度差异，将残积土层进行地层的进一步划分为两个亚层(图 1)。

图 1 试验场地的标准贯入试验结果和地层划分Fig. 1 Geological section and standard penetration test results of the test site

图 2 地震扁铲侧胀试验仪Fig. 2 Photo of seismic dilatometer

1.2 地震扁铲侧胀(SDMT)试验

首先根据标准贯入试验初步确定土层分层，在距离标准贯入试验孔约1.5im处进行地震扁铲侧胀试验，试验仪器见图 2，试验深度范围涵盖花岗岩残积土层。首先将铲头用钻机静力压入土中，达到预定的测试深度后，采用应力控制式施加气压是铲头的膜片膨胀，测试此时的气压值； 当铲头膜片膨胀至位移量0.05imm，测试得到的压力值记为A，再逐渐施加气压，当膜片膨胀至位移量1.1imm 时，测试得到的压力值记为B； 然后，逐渐降低气压，当膜片收缩恢复到初始扩展的位置时，当膜片内缩到开始扩张的位置，测试得到的压力值记为C。上述步骤为一个测试深度的试验过程，测试完成后，继续下压铲头进行下一个点位的测试，直至测试完所有花岗岩风化地层。其中，相邻测试孔间距为0.2im，同一测试孔的测试深度间隔为1im。

根据上述测试的膜片不同位置的气压值A和B，可以计算出土体的土压力P1、P0、⊿P。其中，定义扁铲膜片在土中膨胀前的接触土压力为P0(kPa)，膜片膨胀位移1.1imm时，即膨胀至B点时的土压力为P1(kPa)，则进一步得到B点与开始膨胀之前的接触土压力之差⊿P(kPa)，该值即为P1与P0之差，计算公式为：

(1)

p1=B-zm-ΔB

(2)

P2=C-zm+ΔA

(3)

Δp=p1-p0=1.05(B-A-ΔA-ΔB)

(4)

式中，zm为压力表零漂(kPa)。

根据上述定义值可以计算扁铲侧胀试验的原位力学参数：侧胀模量ED、水平应力指数KD与土类指数ID。

ED=34.7(p1-p0)

(5)

KD=(p0-uw)/σv0

(6)

ID=(p1-p0)/(p0-uw)

(7)

式中，σ′v为不同埋深的土体的有效自重压力(kPa)；uw为对应的土体的静水压力(kPa)。

在进行扁铲侧胀试验的同时，可以在预定深度同步进行剪切波速的测试，试验原理见图 3。需要说明的是，扁铲侧胀试验测试深度为图 3中Z2点下的0.5im左右，而剪切波速测试深度为(Z1与Z2)的中点。

图 3 SDMT地震剪切波测试原理Fig. 3 Principle of shear wave test of SDMT

2 SDMT试验结果与分析

2.1 风化程度判定与土性分类

图 4 SDMT试验结果Fig. 4 SDMT test results of three sitesa. 扁铲侧胀试验结果(杏锦路站); b. 剪切波速试验结果

表 1 福建省花岗岩风化程度划分标准Table 1 Classification standards of granite weathering in Fujian Province

需要说明的是，风化形成的土体由于其成土过程复杂，土质分类多介于黏性土与砂性土之间，工程中常对其进行土质分类，在根据力学指标进行地基承载力的确定和工程设计。利用SDMT试验结果可以很好地解决这一问题。根据Marchetti提出的判定标准(Marchetti， 1980)，如表 2所示，从图 5a可知，杏锦路站埋深15im的范围内残积土土质分类为粉土； 园博苑站土质分类为砂性土； 吕厝站上部为粉土，在11im风化程度变弱，土质分类变为砂性土。上述结果与现场钻探取样得到结果是基本吻合，因此，采用土类指数ID可以直观反映土性变化特点。

表 2 根据SDMT试验结果的土层划分标准Table 2 Soil classification standards based on SDMT test results

2.2 水平应力特性

水平应力指数KD反映土体的水平应力，越大反映出土的水平应力越高； 侧胀模量ED可反映土的强度，越大土的强度越高。从图 5b， 图5c可以看出，随着埋深逐渐变小，风化程度增强导致土中黏粒含量增加，土的水平应力增高，但土的强度降低，反映在KD逐渐增大，ED逐渐降低。

另外，KD可视为土层由于探头贯入放大之后的K0。在正常固结黏土中，KD的值约为2。大量研究成果表明，KD的剖面与OCR相似，根据KD的测试结果有助于认识沉积土层的应力历史。Marchetti根据水平应力指数KD，对正常固结黏性土提出了如下关系式(Marchetti， 1980)：

OCRDMT=(0.5KD)1.56

(8)

式(8)考虑了当KD=2时OCR=1的情形，这已经被大量的正常固结黏土沉积物所证明。根据图 5f可以看出， 3个试验场地的OCR计算值都超过1，可判定为超固结土。但必须说明的是，不同于沉积型土，风化型土应该是一种似超固结性，这种似超固结性主要是由于残积土保留了母岩一定的结构强度以及风化形成的次生胶结所引起。

利用KD还可以计算土的静止土压力系数K0，根据铁路工程地质原位测试规程，对于水平应力指数KD为1.5～4.0的一般饱和黏性土，静止土压力系数K0可以用下式计算：

(9)

由此可获得不同深度残积土的K0(图 5e)。吕厝站与杏锦路站残积土层的K0=0.4～0.6，园博苑站残积土层的K0=0.5～0.8。3个场地土层的K0基本呈现随着深度增加K0逐渐降低。

2.3 排水特征分析

准确判断土的排水特性对于基坑开挖，地基排水措施选型等具有重要意义。Marchetti指出SDMT测试得到的P2可以用来判断土体的排水特征(Marchetti， 1980)：当P2近似等于静水压力u0时，土体呈现自由排水特性(如砂土)； 当P2>u0时，土体呈现非自由排水特性(如软黏土)。从吕厝站测得的P2可以看出，随着深度逐渐增加，P2逐渐靠近u0，埋深大于12im后P2明显小于u0(图6)，反映出随着风化程度的增强土体从自由排水向非自由排水过渡的特性。

图 6 P2与u0随深度变化曲线(吕厝站)Fig. 6 Change curves of P2i and u0 with depth(Lü Cuo site)

为了进一步分析土体的排水特性，引入孔压指数UD。根据以往研究，UD=0，为排水层；UD=0.7，为非排水层； 0

2.4 剪切波速与动剪切模量

剪切波速Vs是场地分类、饱和土液化评判和工程场地地震安全评价等分析中一个重要参数。相对于常规的落孔法或跨孔法，以及物探方法测试剪切波速，SDMT试验提供了一种简单地获取土体剪切波速的方法。为了评价SDMT试验测试Vs的可靠性，在杏锦路站试验场地进行了跨孔法和SDMT的比对试验。从图 5g可以看出，跨孔法与SDMT试验在钻孔浅部测试结果相差幅度较大，随着深度增加，两种方法得到结果逐步减小，并在一定深度后趋于一致，这与以往研究结果基本一致。由于跨孔法至少需要两个钻孔，钻探工作量大，成孔质量要求较高，工程费用高，因此，SDMT具有更广泛的适用性和经济性。

根据SDMT试验得到剪切波速后，可进一步获得不同埋深土体的动剪切模量G0，计算公式为：

(10)

式中，ρ为土体的天然密度。

根据式(10)可以得到3个场地的花岗岩风化层的不同深度的G0(图 5h)。其中，园博苑站残积土的动剪切模量最小，即小应变范围内土体的刚度最小， 15im的深度范围内G0变化范围为25～40iMPa； 杏锦路站土层的刚度最大，在12im的深度范围内G0变化范围为53～85iMPa，埋深超过12im后，G0超过100iMPa。

3 结 论

(1)通过对厦门典型花岗岩风化地层的地震扁铲侧胀试验可以看出，SDMT是一种适用性强、可靠性高的原位测试方法，从扁铲指数可以获得一系列的土体力学参数，判定土层的风化程度，评价土体的原位水平应力和排水特征，相对于传统的DMT试验，SDMT还可以获得土体剪切波速，进而评价土体动刚度特性，是一种适用性较强的新型原位测试手段。

(2)综合分析SDMT试验的各项指标，采用剪切波速和土类指数ID可以进行土质分类。厦门花岗岩残积土土质分类基本为粉土-砂性土，具有似超固结特性，表现出计算OCR值普遍大于1，排水特性介于排水型与非排水型的中间过渡阶段。其中，吕厝站、杏锦路站和园博苑站试验场地的残积土层的静止土压力系数K0=0.4～0.8，动剪切模量G0=25～120iMPa。

(3)花岗岩残积土的力学性质指标对风化程度特别敏感，随着埋深增加，风化程度逐渐减弱，土质分类由粉土向砂性土转化，受其黏粒含量减少影响，土体水平应力减小，但强度与刚度增加，剪切波速逐渐增大，似超固结特性逐渐减弱，排水特性逐渐从非排水型向排水型过渡。这种差异风化的影响要求在风化土层地区必须重视场地勘察工作，尤其是注意不均匀风化引起的土体力学指标的变异性评价。

(4)目前国内外学者基于DMT或SDMT试验结果，提出了很多力学指标评价方法与经验公式，但多是针对砂土与黏土，厦门花岗岩残积土属于一种区域性特殊土，如何立足于残积土特殊的力学行为表现，提出适用于这种特殊土的原位力学指标评价体系将是未来研究的重点。