惠州港区软土室内与原位十字板剪切试验强度对比分析

2023-03-13戚玉红刘长殿安鹏程张纪欣孟令福

中国港湾建设 2023年2期

戚玉红，刘长殿，安鹏程，张纪欣，孟令福

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

1 研究背景

自1954 年南京水利科学研究所引进以来，十字板剪切试验作为一种原位测试技术在沿海软土地区得到广泛的应用[1]。经过多年实践，十字板测试成果在地基稳定性验算、固结历史判定、承载力计算和饱和软黏土灵敏度测定等方面的应用已经十分成熟。作为一种原位测试手段，尤其是海洋地质勘察时，原位十字板测试受外界影响较大，陶凯等[2]对十字板海上作业的影响因素进行了总结并提出应对方案。十字板剪切试验作为一种室内测试手段在国外已有应用并有技术标准[3]支持，国内学者对十字板试验的室内应用也有尝试；程瑾[4]对天津地区软土试验分别进行了电测式、机械式十字板和微型十字板试验，总结了几种十字板的优缺点和适用条件；高彦斌等[5]通过对比试验分析总结了室内十字板、原位十字板测试、无侧限抗压强度试验在软土灵敏度测试中的差别；刘永胜等[6]对室内和原位十字板测试进行对比试验，总结分析了2 种试验方法差异的影响因素；但是国内研究者对室内十字板剪切试验的研究还不够深入，室内十字板的应用方面缺乏经验。

结合以上背景，依托惠州港区勘察项目，对软土开展室内、原位十字板剪切对比试验，研究2 种试验方法抗剪切强度存在的关系及产生差异的机理，以其为室内十字板剪切试验在水运工程建设中的应用提供帮助。

2 试验仪器和方法

2.1 试验仪器

本次试验原位测试采用一航院研发的机械式十字板仪，板头宽75 mm、高150 mm、厚3 mm、刃角60˚、面积比≤13%；室内试验采用张家港晟泰克智能仪器有限公司生产的IJZS-1 型室内十字板剪切仪，板头宽25.4 mm、高50.8 mm、厚1 mm、面积比≤15%。室内十字板剪切试验系统包括十字板板头、扭矩测量组件、数据记录和显示组件、测量设备的绝缘电阻等组件，见图1。

图1 室内十字板剪切试验系统及不同规格板头示意图Fig.1 Laboratory vane shear testing system and different specifications of vanes

2.2 试验方法

试验土样的制备、物理指标等试验均按照土工试验方法标准[7]进行，室内十字板试验在薄壁取土器中进行，试样直径75 mm、长度50 cm。原位十字板剪切试验按照水运行业标准[8]进行。

室内十字板剪切试验按以下步骤进行：

1）仪器检查、安装、调试。

2）修整并安装土样：修平土样表面，将土样安装在土样架上，保持土样和十字板轴线重合。

3）十字板贯入：将十字板平稳贯入土样，剪切位置十字板板头顶端距土样表面应大于2.5 倍板头宽度，记录贯入深度，静止等待2～3 min 后开始试验。

4）输入参数：根据土样硬度选择扭矩传感器量程和板头宽度，本次试验板头宽度为25.4 mm，高宽比为2 ∶1，输入土样深度、采数步长、剪切速率应控制在6～12 ˚/min。

5）剪切试验：传感器清零并开始试验，记录试验数据，出现峰值或曲线稳定后试验结束，记录峰值或稳定剪切应力和破坏角度。

6）测定重塑强度：快速顺时针旋转十字板6圈重塑剪切区域土样，并根据试验需要按步骤5）测定重塑应力。

7）提升并清理板头。

8）如需在同一土样中多次试验，则相邻2 个测试点中心距离不得小于板头直径的2.5 倍。

9）试验完成后取出土样，剖开土样对剪切破坏面进行描述并测定破坏面位置含水率。

室内十字板测试数据出现异常时，通过对破坏剖面进行直接观察可以有效地剔除数据异常点，提高测试精度。

3 测试土样的物理性指标

在软土试验区布置6 个钻孔进行原位十字板测试，并在钻孔附近布置取土孔取样进行室内十字板剪切试验及室内常规物理力学试验，试验深度范围内共计取流泥、淤泥和淤泥质黏土原状样品69 个，土样物理指标统计如表1 所示。

表1 物理指标统计表Table 1 Statistics of physical indicators

4 室内、原位十字板剪切试验对比分析

4.1 抗剪强度-深度曲线对比

对各钻孔同一深度土样十字板强度取平均值，获得原位与室内十字板测试十字板强度随取样深度变化曲线，见图2。

图2 十字板强度随试验深度变化曲线Fig.2 Relationship of vane strength against test depth

通过曲线发现：室内试验与原位测试相比曲线波动较小，室内试验与原位测试十字板强度都随深度增加而增大，同一深度土样室内试验十字板强度小于原位测试且差值随深度增加而增大；原位测试十字板强度与室内试验抗剪强度与试验深度均存在良好的线性关系。

4.2 室内与原位试验差异性及原因分析

结合室内、原位十字板剪切试验试样状态和测试原理对室内试验和原位测试差异性及原因做以下分析：

1）对同一深度试样抗剪强度室内试验结果小于原位测试。原位测试土体处于天然状态，结构强度充分发挥，取样后土样脱离应力场发生应力释放以及取样和样品运输产生扰动会使土样损失部分结构强度，从而导致室内测试强度较小。

2）室内试验的深度效应相对较弱。原位测试土样处于三维应力状态，土体在自重应力下形成的结构强度自上到下也逐渐增大，因此原位测试中三维应力对抗剪强度的影响随深度增加而增加；其次，十字板强度测试假设固定破坏面，在破坏面的形成过程中必然存在板头及周边土体受力发生塑性形变而后发展至破坏的过程，土体变形产生抵抗力矩，随着深度的增加土体结构强度增大变形产生的抵抗力矩越大，因此原位测试抗剪强度表现更明显的深度效应。

4.3 室内、原位十字板抗剪强度相关性分析

已有研究成果表明原位测试、室内试验十字板强度与深度均存在较好的线性关系[9-10]，根据试验数据拟合出惠州港区软土原位、室内十字板抗剪强度随深度变化关系式：

式中：cuy为原位十字板测试强度，kPa；cus为室内十字板测试强度，kPa；Z 为原位十字板测试深度、室内十字板测试取样深度，m。

根据式（1）、式（2）即可得出惠州港区软土根据室内十字板抗剪强度计算的原位十字板强度：

式中：c′uy为根据室内十字板试验计算的原位十字板强度，kPa；cus为室内十字板测试强度，kPa；Z为测试取样深度，m。

式（3）表示可以通过室内强度与测试深度对原位十字板测试强度进行计算，也反映出2 种试验方法测试结果的差异与土样深度相关；原位测试结果大于室内试验且具有较强的深度效应；室内测试与原位测试存在差异的主要原因，一是随深度变化的应力环境，二是取样、运输和试验过程造成的土样强度损失。

4.4 验证试验分析

室内、原位十字板抗剪强度存在良好的线性关系，为进一步对式（3）进行验证，在同一试验场地新布置3 组验证钻孔进行室内、原位十字板试验，分别得出室内、原位十字板强度以及根据公式（3）拟合的原位十字板强度。3 组钻孔十字板强度随深度变化曲线分别如图3、图4、图5所示。

图3 1 号孔十字板强度随深度变化曲线Fig.3 Relationship of vane strength and test depth of Borehole No.1

图4 2 号孔十字板强度随深度变化曲线Fig.4 Relationship of vane strength and test depth of Borehole No.2

图5 3 号孔十字板强度随深度变化曲线Fig.5 Relationship of vane strength and test depth of Borehole No.3

观察图（3）—图（5）发现利用室内试验结果通过关系式（3）拟合的十字板强度与原位测试结果十字板强度-深度曲线具有较好的一致性。对试验结果进行统计分析发现：1 号孔室内试验拟合的抗剪强度与原位实测抗剪强度相对误差最大值为26%，最小值为4%，平均值为15%；2 号孔相对误差最大值为25%，最小值为1%，平均值为13%；3 号孔相对误差最大值为23%，最小值为2%，平均值为8%。本次3 个验证钻孔原位十字板强度估算值和实测值平均相对误差为12%，说明在试验软土区利用室内十字板试验结果估算原位十字板强度是可行的。