深厚复合软土地层力学参数试验对比研究

刘皓 杜学才 骆行文 赵利鹏 龙杰 何志攀

摘要：

土体抗剪强度、压缩模量及静止侧压力系数是深埋引水隧洞设计和施工的重要力学参数。通过试验对滇中引水工程昆明城区深厚复合软土地层的力学参数分布特征进行研究，并对不同试验方法获得的力学参数其关联性进行分析。研究结果表明：三轴（UU）试验获得的土层摩擦角较快剪试验获得的摩擦角小，而黏聚力大于快剪试验土体黏聚力，两种试验获得的黏聚力、内摩擦角均具有良好的线性关系。土层埋深较浅时，旁压试验和固结试验获得的压缩模量相近；土层埋深较大时，旁压试验获得的压缩模量小于固结试验获得的压缩模量。深厚复合软土地层的静止压力系数K0与深度不相关，其大小主要受土性的影响；利用旁压试验进行K0测试与室内K0测试获得的结果相近，验证了旁压试验在深厚复合软土地层中进行K0测试的适用性。研究结果对指导滇中引水工程及类似深埋岩土工程的设计施工有较强参考意义。

关 键 词：

深厚复合软土地层； 静止侧压力系数； 快剪试验； 三轴试验

中图法分类号： TU41

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.029

0 引 言

当前中国城市地下空间的开发仍以浅层为主，城市高层建筑的基坑工程以及地铁工程的埋深通常不超过30 m。随着中国地下空间开发和综合利用的快速发展，对于城市深厚地层的物理、力学性质研究愈加重要。一般情况下，深厚地层往往是由不同土性的岩土层“混合”交替构成，且岩土层种类较多，不同土层的物理力学性质差异较大，国外把这种地层称为“Composite stratum”，国内通常称为复合地层。比如，滇中引水工程穿越昆明市主城区，引水隧洞埋深接近80 m，地层主要由粉土、黏土、有机质黏土、砂砾石、中细砂、褐煤等多种土层复合而成，不同的土层交替出现，表现出明显的深厚复合软土地层特征。

目前国内对浅层软土的力学特性研究比较多，而对于深厚复合软土地层的力学特性研究并不常见。张遂［1］以合肥地区粉质黏土为研究对象，开展多种测试方法对比研究。试验结果表明：标准贯入试验在判断黏性土稠度状态时效果较好；扁铲侧胀试验在土类判别、比重判断、稠度状态判断上误差都较大；静力触探试验在土层划分上应用效果很好。蒋建平等［2］通过室内电阻率试验和土工试验，对软土地层的电阻率特征及其与物理力学参数的相关关系进行了研究，试验结果表明：软土地层的电阻率随含水率、孔隙比、饱和度的减小而增加，且随垂直渗透系数、水平渗透系数、压缩模量、标准贯入锤击数的增大而增加。陈斌等［3］通过静力触探、标准贯入、扁铲和十字板等原位试验，提出宁波地区典型土层地基承载力的建议值。

原位测试与室内土工试验都是运用各自的技术方法得出岩土体的参数。一些学者在地层的力学性质室内、外试验对比研究方面开展了研究工作，如：隋耀华［4］、阳云华［5］、刘永胜［6］、胡金山［7］、王参松［8］等。不少学者认为室内试验和原位测试各有优缺点，应该相辅相成，相互兼顾，不可偏废［9-10］。在地层某一特定力学参数的研究方面，孙敬［11］、夏玉斌等［12］通过原位测试与室内试验对比分析了软土的压缩模量；罗嗣海［13］、杨果林［14］、孙长帅等［15］通过对比试验研究了软土的强度指标；孙静［16］、陈少杰等［17］分析了室内和现场测试最大动剪切模量差别的原因；贺锦美等［18］提出了影响软土试验结果准确性的相关因素。

前已提及，滇中引水工程盾构隧洞穿越深厚复合软土地层，土体抗剪强度、压缩变形模量及静止侧压力系数是深埋引水隧洞工程设计和施工的重要力学参数。本文采用多种测试手段相结合的方法，对深埋引水隧洞工程深厚复合地层的力学参数的分布特征进行分析，并对不同试验方法得到的地层力学参数的关联性进行深入研究。

1 深厚复合软土地层抗剪强度

深部土体从地层中取出后会发生卸载回弹。为了分析深部地层土体的抗剪强度，应研究土体所在的原位地层应力状态下的力学性能。对于三轴试验，所施加的围压近似于地层的水平向压力（地层水平向压力可近似根据土层的竖向应力乘以侧压力系数计算）；对于直剪试验，在施加竖向压力时其最大竖向压力超过其取样土层的上覆压力100～200 kPa。

1.1 三轴（UU）剪切试验

此次采用钻探获取的深厚复合地层原状土样开展三轴试验，试验时向土样施加围压σ3。随后立即施加竖向力P直至剪坏。在施加σ3和竖向力P的过程中，自始至终關闭排水阀门，不允许土中水排出，这样从开始加压直至试样剪坏，全过程中含水量保持不变，从而实现了不固结不排水剪切试验，测定土体在不固结不排水条件下的抗剪强度。这种试验方法所对应的实际工程条件相当于饱和软黏土快速加荷时的应力状况。试验场地深厚复合地层三轴（UU）试验结果沿深度分布如图1～2所示。

由图1及图2可以看出，试验场地土层种类较多，复杂多变，且交替出现。内摩擦角、黏聚力测试结果沿深度分布波动都较大。摩擦角分布区间主要集中在7°～15°，黏聚力分布区间主要集中在10～50 kPa。在地下69.1～79.3 m，内摩擦角发生突变（变大），该处地层主要为中细砂层；在地下41.4～53.8 m位置，土体的黏聚力也发生突变（变大），最大达到81.3 kPa，该处地层为①-7黏土层，为第三系上新统茨营组（N2C）老黏土层。

1.2 直剪（快剪）试验

在进行三轴（UU）试验的同时，取同种原状土样（同一钻孔、且深度和土性相同）进行直剪（快剪）试验。试验时取土样放入剪切盒内，将上盒固定，下盒可沿水平方向滑动。首先施加垂直压力，然后对剪切盒的下盒逐级施加水平剪力，直至试样被剪坏。一般取4～5个试样，分别施加不同的垂直压力来重复试验，测定土的直剪（快剪）强度。试验场地深厚复合软土地层土体的直剪（快剪）试验结果沿深度分布如图3～4所示。

由图3及图4可以看出：试验场地深厚复合软土地层土体的直剪（快剪）试验的内摩擦角分布在8.1°～28°，黏聚力分布在6.5～78.3 kPa。与三轴（UU）试验结果类似，在地下69.1～79.3 m之间土体的内摩擦角出现了突变（变大）；在地下41.4～53.8 m位置，黏聚力也出现了突变，最高达到了78.3kPa。两种剪切试验结果沿深度的变化规律类似，表明两种剪切试验结果比较可靠。

1.3 两种试验抗剪强度参数的相关性

三轴试验相对于直剪试验来说，其试验过程更加复杂，而且三轴试验试样制作要求更高。另外，三轴试验设备昂贵，一般工程单位的试验室没有此种试验设备。因此通过对比试验，得出工程场地土体两种抗剪试验强度之间关系，这样就可以将后期土体直剪试验结果转化为三轴试验结果，为工程提供参考。

此次对深厚复合软土地层的同种土体均进行两种剪切试验。以黏聚力（快剪试验）为横坐标，黏聚力（三轴UU试验）作为纵坐标，研究两种剪切试验黏聚力的相关性，两者间的关系如图5所示。

由直剪（快剪）试验和三轴（UU）试验结果可以看出：三轴（UU）试验获得的土体摩擦角较直剪（快剪）试验获得的摩擦角小，而三轴（UU）试验获得的土体黏聚力大于直剪（快剪）试验。两种试验获得的黏聚力、内摩擦角均具有较好的线性相关关系。

2 深厚复合软土地层变形参数

2.1 室内固结试验测试Es

为研究试验区深厚复合地层的变形参数（压缩系数、压缩模量等），采用多台三联固结仪开展室内固结试验，固结仪包括单向固结仪，使用杠杆、气压（或液压）、磅称等加荷装置，在完全侧限和容许竖向排水的条件下分级加压，记录压力、试样发生的压缩变形量及其相应的时间，用以计算土的压缩系数和压缩模量等变形参数。室内固结试验获得的土层压缩模量沿深度分布结果如图7～8所示。对于埋深在40 m以上的土体，采用了高压固结试验（高压固结试验的荷载等级分别为50，100，200，400，800，1 600 kPa，终止荷载为1 600 kPa）。

由图7～8可以看出：土层的压缩模量沿深度分布离散性较大，说明试验场地复合软土地层中土体类型较为广泛，在外荷载作用下复合地层中不同土性的土层抵抗变形能力差异较大。在地下67.80～70.97 m处复合地层压缩模量出现了拐点，这主要是因为在该深度处出现了压缩性较高的①-4褐煤层，造成压缩模量在深度分布上发生突变。但总体来看对于同一土性的土层，其压缩模量分布较为集中，这说明试验场地土层划分及固结试验结果比较可靠。

2.2 旁压试验测试Es

旁压试验是利用旁压器的扩张，对周围土体施加均匀压力，测量压力和径向变形的关系，得到土层在水平方向上的应力应变关系的一种原位测试方法。根据试验测试结果，可得到应力－应变或体积（位移）－压力之间的关系曲线（旁压曲线），据此曲线可确定土层的初始压力P0、临塑压力Pf和极限压力Pl，以评定土层的承载力，计算土层的压缩模量Es。试验场地深厚复合软土地层典型的旁压试验曲线如图9所示。

试验场地深厚复合软土地层旁压试验3个压力特征值沿深度分布如图10所示。

在土性相同的条件下，旁压试验地层压力特征值一般会沿深度增加而增大。由图10可以看出，试验场地深厚复合地层初始压力基本上呈现出线性关系，但临塑压力、极限压力则在深度超过70 m后迅速减小。根据钻孔揭露的地层信息，在70～85 m范围内土层属于软弱土层，主要由有机质黏土、褐煤等土层构成。

本文根据TB 10018-2018《铁路工程地质原位测试规程》的测试方法及取值相关规定，采用旁压试验得到的土层压缩模量沿深度分布如图11所示。

由图11可以看出：旁压试验获得的土层压缩模量随着埋深的变化，与临塑压力和极限压力沿深度变化相似，随着软弱土层（深度70～85 m）的出现，旁压试验获得的土层压缩模量随之减小。

2.3 两种试验压缩模量对比

根据旁压试验及室内固结试验获得的土层压缩模量结果，分别取粉土、黏土的压缩模量Es进行对比分析，对比如表1～2所列。

表1中：粉土层深度为12.0～17.5 m时，该深度处粉土层实际上覆压力为0.2～0.4 MPa；旁压试验与室内固结试验获得的压缩模量Es的平均值分别为10.71 MPa和11.03 MPa，标准差分别为0.75和2.15，变异系数分别为0.07和0.19，标准值分别为10.1 MPa和9.0 MPa。由此可以看出在土层埋深较浅时，两种试验方法的试验结果相近。

表2中：黏土层的埋深为41.8～60.0 m，旁压试验及室内固结试验获得的压缩模量Es的平均值分别为16.47 MPa和26.29 MPa，标准差分别为1.20和2.58，变异系数分别为0.07和0.10，标准值分别为15.7 MPa 和25.0 MPa，在此深度處旁压试验测试结果约为固结试验结果的1.59倍。这主要是因为：① 旁压试验测试的压缩模量属于间接获得参数，通常需通过经验公式或经验表格间接确定。② 室内固结试验时，试样是放入固结仪盒子中，其侧向完全限制，无法发生位移，但是旁压试验测试的土层只是受其周围土体的约束，由于周围土体存在一定的变形能力，并非完全侧限，因此旁压试验获得的土层压缩模量比固结试验测试结果小。土层越深、固结试验施加的荷载越大时，这种差异愈加明显。

两种试验结果对比表明：在土层埋深较浅时，旁压试验和室内固结试验获得的土体的压缩模量Es相近；在土层埋深较大时，旁压试验获得的土体压缩模量Es小于室内固结试验获得的土体压缩模量；在深度41.8～60.0 m范围内，旁压试验压缩模量测试结果约为固结试验测试结果的1.59倍。

3 深厚复合软土地层静止侧压力系数K0

3.1 室内試验测试K0

室内试验通常采用固结仪进行侧压力系数测试。采用固结仪试验时，土样受轴向负荷发生轴向位移，并产生侧向压力。有效侧压力σ3与有效轴向压力σ1之比即为土体的静止侧压力系数K0。试验场地深厚复合软土地层钻孔1所取土样室内试验的土体静止侧压力系数沿深度分布如图12所示。

由图13可以看出：与室内试验结果相似，试验场地深厚复合软土地层土体的静止侧压力系数随深度的分布比较离散，这也恰恰说明了此研究区内深厚地层的复杂性。

3.3 两种试验静止侧压力系数对比

根据场地旁压试验和室内试验获得的土体静止侧压力系数K0结果，分别取①-1中细砂、①-7黏土、①-6有质机黏土及①-4褐煤等土层对应的静止侧应力系数K0进行对比分析如图14所示。

两种不同试验获得的土层静止侧压力系数K0对比结果表明：

（1） 对于相同土性的土层，两种方法测得的土层静止侧压力系数K0的变异系数都较小，且旁压试验测得的土层静止侧压力系数K0的平均值与室内试验测得的K0平均值相近，验证了利用旁压试验进行深厚复合软土地层静止侧压力系数测试的适用性；

（2） 相同土性的土层静止侧压力系数K0随试验深度的增加无明显增大或降低；

（3） 土层的静止侧压力系数K0主要受土性的影响，不同土性的土层K0测得结果差异较大，各土层K0从小到大分别为：①-1中细砂层，①-4褐煤层，①-6有机质黏土层，①-7黏土层。

4 结 论

通过大量的室内试验及现场原位测试，对室内、外试验获得的土层力学参数分布特征及关联性进行了深入分析和研究，主要结论如下。

（1） 多种试验结果均表明深厚复合地层中土层种类较多，且交替出现，土层力学性质不连续，部分相邻土层力学性质出现突变现象。

（2） 采用三轴（UU）试验获得的土体摩擦角较直剪（快剪）试验获得的摩擦角小，而黏聚力大于直剪（快剪）获得的土体黏聚力。两种试验获得的黏聚力、内摩擦角均具有良好的线性关系。

（3） 在土层埋深较浅时，旁压试验和室内固结试验获得的土层压缩模量Es相近；在土层埋深较大时，旁压试验获得的压缩模量Es小于室内固结试验结果。在深度为41.8～60.0 m范围内旁压试验获得的压缩模量约为固结试验测试结果的1.59倍。

（4） 对于相同土性的土层，两种方法测得的土层静止侧压力系数K0的变异系数都较小，且旁压试验测得的土层静止侧压力系数K0的平均值与室内试验测得的K0平均值相近，验证了利用旁压试验进行深厚复合软土地层中土的静止侧压力系数测试的适用性。

（5） 土层的静止土压力系数K0主要受土性的影响，不同土性的土层K0测得结果差异较大。各土层的静止侧压力系数K0从小到大分别为：①-1中细砂层，①-4褐煤层，①-6有机质黏土层，①-7黏土层。

参考文献：

［1］ 张遂.室内与原位试验测得的粉质黏土典型力学参数差异性研究［D］.武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所，2021.

［2］ 蒋建平，阎长虹，徐鸣洁，等.苏通大桥地基中深厚软土电阻率试验研究［J］.岩土力学，2007，28（10）：2077-2082.

［3］ 陈斌，叶俊能，朱剑锋，等.宁波地区典型土层地基承载力确定［J］.工程地质学报，2013，21（4）：493-499.

［4］ 隋耀华，李静荣，邬巧胜.广州轨道交通四号线南沙段软土参数的比较分析［J］.广州建筑，2006（5）：26-30.

［5］ 阳云华，马贵生，强鲁斌.南阳膨胀土试验段现场大剪及室内试验对比分析［J］.人民长江，2010，41（16）：21-27.

［6］ 刘永胜，肖海，祁丽华.室内十字板与原位十字板差异浅析［J］.工程地球物理学报，2010，7（2）：265-268.

［7］ 胡金山，曲海珠，甘霖.大埋深粗粒土勘察及物理力学特性试验研究［J］.人民长江，2016，47（9）：41-47.

［8］ 王参松，雷学文，孟庆山.滇黔地区黄褐色玄武岩风化土强度试验研究［J］.人民长江，2012，43（9）：47-50.

［9］ 魏汝龙.室内试验和原位测试相辅相成不可偏废［J］.岩土工程学报，1997（1）：102-103.

［10］ 杨德韶.原位测试与室内试验指标的联合应用［J］.价值工程，2018（18）：185-186.

［11］ 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.

［12］ 夏玉斌，曹中兴，王清.滨海区海相沉积土压缩模量的试验研究［J］.工程地质学报，2013，21（3）：464-469.

［13］ 罗嗣海，周龙茂，张天太.正常固结饱和地基土的总应力强度指标［J］.工程地质学报，2000，8（3）：306-311.

［14］ 杨果林，滕珂，谢兰芳.膨胀土强度的室内直剪和原位推剪对比试验研究［J］.中南大学学报（自然科学版），2014，45（6）：1952-1958.

［15］ 孙长帅，秦秀娟，滕继东.特殊应力路径下软黏土变形与强度特性试验研究［J］.人民长江，2013，44（4）：48-68.

［16］ 孙静，袁晓铭，陶夏新.室内和现场测试最大动剪切模量差别的试验研究［J］.土木工程学报，2012，45（增1）：258-262.

［17］ 陈少杰，顾晓强，高广运.土体小应变剪切模量的现场和室内试验对比及工程应用［J］.岩土工程学报，2019，41（增2）：133-136.

［18］ 賀锦美，曾素娟.软土地层软土地层原位测试与室内土工试验的应用分析［J］.土工基础，2013，27（3）：117-119.

（编辑：郑 毅）

Abstract：

The shear strength，compressive modulus and static lateral pressure coefficient are important mechanical parameters for the design and construction of deep buried diversion tunnels.By a large number of tests，the distribution characteristics of mechanical parameters of deep composite stratum in Kunming urban area，a part of water diversion project in central Yunnan，were researched，and the correlations of mechanical parameters by different tests were analyzed.The results show that the friction angle of soil tested by triaxial（UU）tests are smaller than that tested by rapid shearing tests，while the cohesion of soil tested by triaxial（UU）tests are larger than that tested by rapid shearing tests.Both cohesion and internal friction angle tested by the two kinds of tests have good linear relationship.When the buried depth of the stratum is shallow，the compressive modulus measured by the manometer test is similar to that measured by the consolidation test.When the buried depth of the stratum is large，the compressive modulus measured by the manometer test is smaller than that measured by the indoor consolidation test.The static lateral pressure coefficient K0 of stratum is not related to its depth.K0 is mainly affected by the properties of the stratum itself.The K0 value of the manometer test is similar to that of the laboratory test，which verifies the applicability of pressuremeter tests in deep composite soft stratum.

Key words：

deep composite soft stratum；static lateral pressure coefficient；rapid shearing tests；triaxial tests