沿海港口工程中互层土直剪抗剪强度指标的探讨

戚玉红,张宏明,刘 攀

(中交第一航务工程勘察设计院有限公司,天津 300222)

互层土是土颗粒在涨落潮、静水与动水等反复交替的沉积环境下形成的,为三角洲、滨海平原及河漫滩等地区常见的第四纪沉积土层。互层土中土颗粒的大小主要受水动力大小的影响,在枯水季与潮汛小时形成细颗粒,丰水季与潮汛大时形成粗颗粒,在上述周期性水动力变化的影响下形成的细、粗颗粒相间交错的层状构造土层,具有水平层理、斜交层理等构造特征[1]。在水平维度呈单层分布格局,在垂直维度呈多层厚度不同的分布格局。按国标的规定,层状构造土按不同厚度比可以分为互层土与夹层土,当薄层与厚层的厚度比大于1/3时,宜定为“互层”,厚度比为1/10～1/3时,宜定为“夹层”[2]。

因沉积环境等因素影响,互层土是沿海港口工程中常见的一种层状构造土,具有各向异性、不均匀性强等相对复杂的物理、力学性质特征,这些异常性使得地基与基础的稳定性等验算所需抗剪强度指标具有不确定性。

国内学者对互层土进行了较多研究[3-4],卢力强等[5]对天津滨海地区黏性土与粉土互层土进行物理力学性质研究,得出互层土力学性质指标在垂直方向的各向异性;李飒等[6]通过现场孔压静力触探CPTU试验及室内试验,得出迭层土在垂直向摩阻比变化较大,摩阻比与修正端阻之间可用双曲线近似表示,不排水抗剪强度参数是CPTU试验成果的下限值;曹圣华[1]通过液性指数修正系数解决了滨海相互层土的液性指数与标贯击数之间的不协调,并获取互层土适宜的地基承载力;赵居代等[7]通过室内试验与现场试验,全面阐述互层土的物理、力学、水理等岩土工程特性;孟令福等[8]对营口地区的互层土进行了抗剪强度试验研究,得出淤泥质土与粉砂互层土宜选用三轴剪切试验指标与无侧限抗压强度试验指标,不宜采用十字板剪切试验成果;范建好[9]利用互层土的差平比、厚度比等提供了确定地基承载力特征值的方法。

文献[10]中提出了各类均质岩土的工程经验数据范围,可供工程技术人员参考;张敏江等[11]提出了一种直剪抗剪强度修正公式,克服了直剪试验存在的部分缺陷,提高了强度指标的准确性;邓忠信等[12]根据各种工况下直剪试验方案,提出了土的抗剪强度参数修正的方法;边加敏[13]研究了低应力下不同上覆土压力的直剪试验,采用双直线拟合的方法对膨胀土直剪抗剪强度指标进行修正;龚晓玲等[14]通过3种不同种类的土进行对比试验,得到了直剪试验强度指标的修正系数;高江平等[15]通过工程实例提出了扰动系数与修正系数,能够反映土体的天然状态。

沿海港口工程中直剪抗剪强度是地基承载力与岸坡稳定性验算时常用的力学性质指标,其确定方法目前仍沿用常规的水平方向直剪试验方法。由于互层土的各向异性,如何确定符合实际工况的直剪强度指标仍然是有待解决的一个难题,故对互层土力学特性的研究具有十分重要的意义。本文在前人研究的基础上,依托苏北沿海某港口工程,对淤泥质土-砂互层土直剪抗剪强度指标的确定方法和应用准则进行初步探讨。

1 工程概况

本文依托的苏北某港口工程是典型的互层土工程实例,该项目位于滨海潮间带,地貌属于滨海平原地貌单元,受潮汐周期性交替影响,形成了黏性土与砂土多次交替重复的层状构造土,经现场勘察,本项目共有3大层互层土,各土层描述如下：

②1淤泥质粉质黏土-粉砂互层：褐灰色,淤泥质粉质黏土呈软塑状,中塑性,单层厚度约4.5 cm;粉砂呈密实状,单层厚度约1.5 cm;两类土厚度比约1：3。

③1淤泥质粉质黏土-粉砂互层：褐灰色,淤泥质粉质黏土呈软塑状,中塑性,单层厚度约3 cm;粉砂呈中密～密实状,单层厚度约1.5 cm;两类土厚度比约1：2。

④1淤泥质粉质黏土-粉砂互层：褐灰色,淤泥质粉质黏土呈软塑状,中塑性,单层厚度约4 cm;粉砂呈密实状,单层厚度约4 cm;两类土厚度比约1：1。

勘察采用全断面取芯,详细测量并记录各主、次土层的土名、土性、单层厚度、厚度比等,对各互层土原状土样进行室内试验,其物理性质指标参数如表1所示。

表1 各土层物理性质指标参数Tab.1 Physical property index parameters of each soil layer

将互层土中主要土层(淤泥质粉质黏土)单独进行物理性质试验,各互层土中淤泥质土的物理性质指标详见表2。

表2 互层土中淤泥质土物理性质指标参数Tab.2 Physical property index parameters of mucky soil in layered structured soil

2 常规方法确定直剪抗剪强度存在的问题

《水运工程地基设计规范》[16]给出了简化相关法用以确定土的抗剪强度指标统计参数。根据规范得出各互层土直剪试验强度指标参数如表3所示。

由表3可知,各土层直剪快剪试验的黏聚力与内摩擦角变异系数均不小于0.30,指标的离散性大,同一指标的最大值与最小值之差即极差较大,平均值与互层土的厚度比之间的规律性不强,固结快剪指标同样存在类似的问题。这是由于互层土直剪试验剪切破坏面为水平方向,剪切破坏面或位于软层中,或位于硬层中(软层与硬层界面的情况忽略),互层土垂直方向的韵律变化决定了水平方向抗剪强度的离散性。由此可见,规范给出的直剪试验常规统计方法对于互层土是不适用的。

此外,直剪试验因其本身固定剪切面和剪切过程中不能控制排水等特点的限制,得到的抗剪强度指标与实际相比是偏大的。对于一般均质土层,直剪抗剪强度指标尚需根据土的性质并结合工程经验进行修正,而对于互层土直剪抗剪强度指标如何进行修正目前缺乏切实可行的方法。

3 确定直剪抗剪强度的新方法

由于互层土具有水平层理和各向异性特点,单一的水平方向抗剪强度不能完整表征其抗剪强度性质。《水运工程岩土勘察规范》[17]建议对层状构造土在必要时进行垂直方向的抗剪强度力学试验,故本文考虑同时采用水平和垂直方向抗剪强度来表征互层土的抗剪强度性质。

目前对于沿海港口工程,直剪试验一般还是只进行水平方向的试验。如何利用水平方向直剪试验成果来确定互层土水平和垂直方向的抗剪强度指标即是本文讨论的问题。

3.1 软层和硬层水平直剪抗剪强度的确定

因上部两层互层土样本较少,以④1淤泥质粉质黏土-粉砂互层的固结快剪试验为例,根据数理统计原理,各级垂直压力下抗剪强度的残余误差绝对值>3σ(3倍标准差)的试验数据作为异常值进行剔除,剩余试验数据作为该压力下互层土水平方向的直剪试验数据,该层土在各级垂直压力下抗剪强度区间样本数量分布图如图1所示。

1-a 50 kPa垂直压力 1-b 100 kPa垂直压力 1-c 150 kPa垂直压力 1-d 200 kPa垂直压力图1 ④1层各级垂直压力下抗剪强度区间样本数量分布图Fig.1 Distribution diagram of sample number in shear strength section under vertical pressure at all levels of ④1 layered structured soil

由图1可知,在各级压力下互层土抗剪强度在区间分布上均出现2个峰值点,近似两个正态分布,第一个峰值点抗剪强度较小,峰值点附近为软层的抗剪强度,第二个峰值点附近为硬层的抗剪强度,抗剪强度在区间分布的低点(两个峰值之间)左右两侧样本数量近似相等。

对图1中获得的软层和硬层各级垂直压力下抗剪强度试验数据,分别绘制软层与硬层各级压力下的抗剪强度与垂直压力的散点图,并用最小二乘法确定两者之间的线性关系,直线交纵轴的截距为黏聚力,直线的倾斜角为内摩擦角。④1淤泥质粉质黏土-粉砂互层土软层与硬层的固结快剪强度指标如图2所示。

2-a ④1中淤泥质粉质黏土固结快剪指标 2-b ④1中粉砂固结快剪指标图2 ④1层中软层与硬层的固结快剪试验指标参数Fig.2 Index parameters of consolidated fast shear test for soft or hard layer in ④1 layered structured soil

同理得出其他土层的软层与硬层水平直剪抗剪强度指标如表4所示。当抗剪强度区间样本数量分布图的双峰形态不明显时,软层和硬层在每级垂直压力下的抗剪强度数据按厚度比进行分割。

表4 各互层土中软/硬层的水平直剪试验指标参数Tab.4 Index parameters of horizontal direct shear test for soft or hard layer in each layered structured soil

3.2 软层和硬层水平直剪抗剪强度的修正

互层土中的软层或硬层可视为均质土,均质土的直剪抗剪强度的修正已有大量的工程经验[10-15]。软层土可根据其含水率、液性指数等物理性质指标判别其软硬程度,并据此修正其抗剪强度指标;硬层土可根据标贯击数(可由互层土的标贯击数按厚度比等参数估算)判别密实程度,并据此修正其抗剪强度指标。软层和硬层修正后的水平直剪试验强度指标如表5所示。

表5 各互层土中软/硬层修正后的水平直剪试验指标Tab.5 Value of revised horizontal direct shear strength index for soft or hard layer in each layered structured soil

3.3 互层土水平与垂直方向直剪抗剪强度的确定

工程实际中,互层土内若存在潜在滑动面,在附加应力、渗透力等作用下,一旦发生顺层滑动,滑动面势必从软层中穿过,即互层土的水平抗剪强度由软层的水平方向抗剪强度决定。因此互层土的水平方向抗剪强度指标可取软层的水平抗剪强度指标,见式(1)和式(2)。

ch=ch1

(1)

φh=φh1

(2)

式中：ch为互层土水平方向黏聚力;ch1为软层修正后水平方向黏聚力;φh为互层土水平方向内摩擦角;φh1为软层修正后水平方向内摩擦角。

假定组成互层土内的同一构造土层为均质土,均质土内各向同性,互层土潜在滑动面为垂直方向时,如图3所示,软层与硬层垂直方向的抗剪强度指标由式(3)～式(6)得出。

图3 互层土内垂直方向潜在滑动面示意图Fig.3 Sketch of vertical potential sliding surface in layered structured soil

cv1=ch1

(3)

cv2=ch2

(4)

φv1=φh1

(5)

φv2=φh2

(6)

式中：cv1为软层垂直方向黏聚力;cv2为硬层垂直方向黏聚力;ch2为硬层修正后水平方向黏聚力;φv1为软层垂直方向内摩擦角;φv2为硬层垂直方向内摩擦角;φh2为硬层修正后水平方向内摩擦角。

互层土垂直方向剪切时,水平向压力相等,需同时剪切互层土内软层与硬层,一个韵律厚度范围内的互层土垂直向抗剪强度见式(7)与式(8)。

(1+β)τ=(σtgφv1+cv1)+β(σtgφv2+cv2)

(7)

(1+β)τ=σ(tgφv1+βtgφv2)+(cv1+βcv2)

(8)

故单位厚度内互层土垂直方向抗剪强度指标可按软层和硬层的垂直方向抗剪强度指标进行推算得出,见式(9)和式(10)。

(9)

(10)

式中：cv为互层土垂直方向的黏聚力;φv为互层土垂直方向的内摩擦角;β为互层土的厚度比。

按上述方法得出各互层土的水平方向抗剪强度指标与垂直方向的抗剪强度指标如表6所示。

表6 各土层垂直与水平方向直剪抗剪强度指标参数Tab.6 Vertical and horizontal direct shear strength index parameters of each soil layer

由表6可知,与常规方法相比,新方法更符合工程实际情况,互层土水平方向抗剪强度指标与软层的直剪抗剪强度指标一致;垂直方向抗剪强度指标与厚度比、标贯击数等相关性较好,随着厚度比的增大,垂直方向内摩擦角增大,黏聚力减小。

4 结论

本文依托苏北某沿海港口工程对互层土直剪抗剪强度试验指标进行分析和探讨,得出如下结论：

(1)互层土常规水平方向直剪抗剪强度指标离散性大,规范给出的直剪试验常规统计方法对于互层土是不适用的;互层土直剪抗剪强度如何进行修正目前缺乏切实可行的方法;(2)该方法适用于软/硬相间的互层土,即垂直压力下抗剪强度区间样本数量分布图呈双峰状态的互层土,而对于密实度相差不大的互层土,比如粉土与粉砂互层时适用性较差。此外,使用该方法时,互层土的直剪抗剪强度试验指标应大于24件,以便更好获得软层和硬层各级垂直压力下抗剪强度试验样本数据不少于6件;(3)单一水平方向直剪抗剪强度指标不能全面表征互层土的抗剪强度性质,同时采用水平方向和垂直方向直剪抗剪强度可以全面表征互层土抗剪强度性质;(4)本文提出了一种新方法,通过将互层土分解为独立的软、硬两类均质土并获取各自的抗剪强度指标,根据土性特点和均质土抗剪强度修正的工程经验分别进行修正,再推算互层土的水平方向和垂直方向直剪抗剪强度指标,从而解决了常规方法确定互层土直剪抗剪强度存在的问题;(5)同时采用水平和垂直抗剪强度表征互层土力学特性在依托的工程实例中取得了良好效果,可以为进一步研究类似工程勘察、地基计算及互层土力学特性提供借鉴。