孔压静力触探与扁铲侧胀试验在上海软黏土中的应用研究

陆 顺

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

0 引言

上海地处我国长三角地区，独特的地理环境以及复杂的地质作用使得该地区第四纪地层发育厚度达200～400 m，地层从中更新世至全新世一般均有发育，浅层广泛分布着不同成因的软黏土，成因类型以海相、河湖相沉积为主，土性差异较大，准确分类成为工程勘察的难点之一[1-3]。复杂的水环境和沉积条件，使得上海地区的软黏土呈现出区域性特征，除高含水率、高压缩性、高灵敏度、大孔隙比、低渗透性和低抗剪强度外[4]，还表现出明显的结构性、超固结性及各向异性等特点，极大地困扰着上海地区的地下工程建设[5-6]。详细了解各软黏土层的工程特性，准确地划分各软土层、获取各层物理力学参数，对于工程结构的经济设计和安全施工而言至关重要[6-7]。

超固结比和压缩模量作为评价软土固结状态、结构性和变形强度特性的两个重要参数，其获取方法的正确性和结果的准确性对工程勘察而言具有一定的难度[8]。一般而言，确定这两个参数的方法主要有室内试验方法和原位测试方法。高彦斌[9]指出，室内试验方法的优势在于能明确定义试样的应力和应变状态，以及控制排水边界条件，但试样的取样和制备不可避免地对试样进行扰动，特别是对于淤泥、淤泥质土等软黏土取样困难。冷 建[10]研究表明，对于软黏土需耗费大量的经费和时间才能获得高质量的试样。肖 玮[11]、Robertson[12]、Moss[13]等研究指出，由于软土试样在受到扰动后其结构性丧失，使得测试的超固结比和强度、变形参数与实际偏离较大。孔压静力触探和扁铲侧胀试验作为最主要的两种原位测试方法，能够保证软黏土在天然结构状态和天然应力状态下进行测试，且测试变形微小，保证了数据的真实性和可靠性，唐飞跃[14]指出，这两种原位测试兼具有勘探和测试的功能，在土层分类上具有明显优势，高彦斌等[15]认为上海地区长期以来主要依赖压缩试验测试软黏土的超固结比和压缩模量，试验结果存在较大争议，有必要开展原位试验方法对上海地区软黏土的超固结比、压缩模量进行系统性研究。

依托上海轨道交通市域线机场联络线岩土工程勘察项目，采用孔压静力触探、扁铲侧胀试验、室内高质量取样压缩试验方法对上海地区土层进行划分，对软黏土的超固结比和压缩模量建立与原位试验方法、室内试验方法之间的参数拟合关系，借助多种原位测试方法认识上海软黏土的工程特性，同时为区域经验公式提供基础资料和工程实践依据。

1 工程概况

上海轨道交通市域线机场联络线工程线路自虹桥综合交通枢纽内预留的虹桥磁浮车场引出，经三林、康桥、迪士尼至浦东机场，出浦东机场后接入沪通Ⅱ期上海东站西侧的机场快线车场。线路全长约68.13 km，设站共8 个，平均站间距离为9.73 km。此外，建设两个联络支线和两个动走线，用于连接上海南站、沪杭铁路及机场快线动车所。线位走向如图1所示，从图中可以直观看出，线路横贯东西，穿越上海市区的范围广，试验土层具有区域代表性。

图1 上海轨道交通市域线机场联络线工程线路图

2 工程地质条件

场区地质钻探揭示表明（最大钻探深度为115.0 m），场地主体为正常沉积区，局部为古河道沉积。在勘探深度范围内，地层根据其形成年代、成因类型及工程性质特征自上至下划分为9 个大层和若干亚层，其中第①1层为填土层，第②-⑤层为全新世Q4沉积层，第⑥-⑨层为晚更新世Q3沉积层，第⑤31层-⑤42层为古河道沉积层。其中，③1层淤泥质粉质黏土层、④1淤泥质黏土层、⑤1黏土层为滨海相-浅海相软黏土，为上海地区软黏土典型代表，分布广泛。室内试验获得的场区各地层物性参数见表1。

表1 场区各地层物理力学参数

3 现场原位测试成果

3.1 孔压静力触探试验

1954 年，我国从荷兰首次引进静力触探试验（CPT）技术，并在岩土工程勘察领域广泛应用，但由于历史原因，我国使用的探头规格与国际通用标准差异较大，主要使用的探头类型为“单桥”探头和“双桥”探头，获取的参数主要为比贯入阻力、侧摩阻力和锥尖阻力。1974 年，挪威土工研究所Janbu 等人在“双桥”探头的基础上研发出电测式孔压静力触探设备（CPTU），使得测试时可以获得土体的孔隙水压力，大大扩展了静力触探应用范围和提供了更多的土体评价指标，比如孔隙压力参数比Bq、经过孔压修正的锥尖阻力qT等。

本项目试验选用Geotech 公司生产的U2 型孔压静力触探探头，其摩擦面积为150 cm2，探头截面积为10 cm2，锥角为60°。以2 cm/s 的速度将探头贯入土体，并测试锥尖阻力、孔隙水压力和摩阻力。现场布置孔压静力触探试验测试孔共91 个，测试延米为5292.5 m。场区典型的孔压静力触探实测锥尖阻力曲线、侧摩阻力曲线、摩阻比曲线和超孔隙水压力曲线如图2 所示。经钻探揭示，图2 中地层大致分布为：0～4.5 m 为①1填土；4.5～10.0 m 为③1淤泥质粉质黏土；10.0～16.0 m 为④1淤泥质黏土；16.0～22.0 m 为④2粉砂夹粉质黏土；22.0～28.0 m 为⑤1黏土；28.0～31.0 m 为⑤31粉质黏土夹粉砂；31.0～36.0 m为⑤42砂质粉土；36.0～38.0 m 为⑦1T粉质黏土夹粉砂；38.0～49.0 m 为⑦2T粉质黏土夹粉土；49.0～55.0 m为⑦2粉砂。

图2 场区典型孔压静力触探试验测试成果曲线

对场区所有孔压静力触探试验数据进行统计，获得各层土的孔压静力触探试验参数平均值如表2 所示。

表2 场区各土层孔压静力触探试验成果统计

3.2 扁铲侧胀试验

扁铲侧胀试验最初由意大利学者Marchetti 于1974 年发明，它的探头为一个95 mm 宽、14 mm 厚的铲形探头，表面安装有直径60 mm 的钢制圆形薄膜。测试时，向探头内充气，分别记录钢制圆形薄膜膨胀至0.5 mm 和1.1 mm 的膨胀压力A值、B值，收缩至0.05 mm 的收缩压力C值，经膜片刚度修正后得到膜片膨胀至0.5 mm 时的压力p0、膨胀至1.1 mm时的压力p1，收缩至0.05 mm 时的终止压力p2。进而计算土性指数ID、侧胀水平应力指数KD、侧胀模量ED、侧胀孔压指数UD。现场布置扁铲侧胀试验测试孔共19 个，测试延米802.8 m。场区典型的扁铲侧胀试验成果曲线如图3 所示。

图3 场区典型扁铲侧胀试验测试成果曲线

对场区所有扁铲侧胀试验数据进行统计，获得各层土的扁铲侧胀试验参数标准值如表3 所示。

表3 场区各地层物理力学参数

4 试验成果分析

4.1 土类划分

从前述可以看出，扁铲侧胀试验和孔压静力触探试验测试的土体类型较为广泛，从淤泥、黏土、粉质黏土、粉土到砂土均有涉及，因此对这些土层进行原位测试方法的分类存在较强的代表意义。

根据《工程地质手册》（第五版）[16]中用双桥静力触探参数（即孔压静力触探中的锥尖阻力和摩阻比）分类图表对场区的土层进行划分，结果见图4。从图中可以看出，对于③1淤泥质粉质黏土、④1淤泥质黏土、⑤1黏土这类软黏土而言，该图表法可以取得良好的划分效果。

图4 用双桥探头触探参数图表法判别土类

虽然⑤31粉质黏土、⑦1T粉质黏土夹粉砂、⑦2T粉质黏土夹粉土都定为粉质黏土层，但由于沉积环境和沉积时间不同，土质不一，导致三者的静力触探参数有不同结果，⑤31粉质黏土层土质均匀，力学性质稳定，因此该图标法对此划分的结果与实际相符，而对于⑦1T粉质黏土夹粉砂、⑦2T粉质黏土夹粉土，由于两者含有夹薄层，土质不均，类似于“混合土”，表现为两者的静力触探参数存在的一定离散性，该图表法对这类“混合土”的划分效果出现一定偏差；对比④2粉砂夹粉质黏土、⑦2粉砂也可以看出类似规律。

由于粉土是黏土与砂土之间的过渡土层，力学性质上表现为黏性土与砂类土的综合，这取决于黏粒含量的多少，因此，当该图表法应用于⑤42粉土时，判别结果出现明显的偏差。

对于①1填土这类成分较杂，含植物根茎、碎砖石等，局部建筑垃圾较多的新近堆填土，该图表法也无法准确判别。

1986 年，Robertson 等[12]首次提出用孔隙压力参数比和归一化锥尖阻力对土类进行划分，两个参数都为无量纲参数，同时考虑了孔压静力触探参数中超孔隙水压力的影响，两个参数的具体计算公式参考《工程地质手册》（第五版）[16]。图5 为该方法的划分结果，从图5 中可以看出，对于软黏土而言，Robertson 归一化具有良好的划分效果；对于粉质黏土而言，数据点主要分布在区域③-区域⑤，对夹薄层的粉质黏土可以划分出来，体现了土层的细节，类似地，无论是土质均匀的⑦2粉砂还是具有夹薄层的④2粉砂夹粉质黏土，该图表法都具有良好的划分效果；但对于粉土而言，Robertson 归一化图表法与双桥静力触探参数图表法类似，出现明显误差，但前者的划分准确性具有一定的提升，部分数据点落在了区域⑤中，再次证实了采用静力触探方法分离粉土土层存在一定的难度，事实上，静力触探在贯入过程中粉土可能出现的部分排水现象不仅对土体性质的可靠评估具有重要意义，而且对分类图表的正确使用也具有重要意义。

图5 Robertson 归一化图表法土质分类

表4 为Marchetti[17]提出利用土性指数划分土体的原则，划分结果如图6 所示。

表4 依据土性指数划分土体类别

从图6 中可以看出，由于采用了不同的划分指标，扁铲侧胀试验测试从根本上摒弃了静力触探方法中的竖向测试，采用的“双参数”测试指标大大化简了由于理论推导和人为因素的影响，因此相对于静力触探试验中的Robertson 归一化图表法与双桥静力于含夹薄层的“混合土”以及⑤42粉土层，都具有较高的精度。

图6 场区扁铲侧胀试验划分土层结果

4.2 软黏土的超固结比

触探参数图表法，扁铲侧胀试验从淤泥、黏土、粉质黏土、粉土到砂土都具有良好的划分效果，特别是对

Marchetti[17]提出扁铲侧胀试验侧胀水平应力指数KD非常适合评价土体的结构性与固结特性，能够高度反映土体的应力历史和计算超固结比OCR，同时扁铲侧胀试验的铲形探头相比于圆锥形静力触探探头而言，对土体的扰动变形降低到了最低，大大地保留了土体原始的结构信息和应力历史信息，特别是对上海软黏土而言，采用扁铲侧胀试验不仅克服了取样和制备试样困难的问题，而且避免了其他原位测试探头性状对土体造成的“天然结构的损伤”。场区的软黏土主要分布深度大致在4.0～30.0 m，从上至下分别为③1淤泥质粉质黏土层、④1淤泥质黏土层和⑤1黏土层。统计场区的扁铲侧胀试验计算的软黏土超固结比，结果如图7 所示。

从图7 中可以看出，三种软黏土的超固结比随深度的变化差异较大，但从整体上看，可知上海地区的软黏土具有明显的超固结性，随着深度的增加而减小。在浅部3.0～11.0 m 以内，主要为③1淤泥质粉质黏土层，其超固结比离散性较大，超固结比多为1.1～5.0；在中部11.0～18.0 m 内，主要为④1淤泥质黏土层，其超固结比离散性较小，超固结比主要集中在1.0～3.0；在深部大于18.0 m 后主要为⑤黏土层，其固结比只存在微小的变化，可以近似地取为1.0，为正常固结土。为方便工程应用，对上海地区主要的三种软黏土的超固结比进行分段拟合，得出经验公式：

图7 软黏土超固结比随深度的变化曲线

高彦斌等[16]曾依据上海地区19 个场地的勘察数据统计得出超固结比与深度关系曲线，如图7 所示。表达式如下：

可以看出这个关系明显大于本文给出的研究结果，且在深部土层中，超固结比统一取为1.6，认为以下的软黏土仍然是超固结土。魏道垛等[18]根据上海地区多个场地的软黏土进行压缩试验，得到的数据也表明在深部的软黏土超固结比约为1.01～1.07，可认为是正常固结土，图7 中给出了其软黏土超固结比与深度的变化曲线，与本文给出的规律比较接近。

4.3 软黏土的压缩模量

压缩模量是岩土设计中重要的输入参数之一，是评价土层压缩性和计算土层变形的基本参数。获取压缩模量的方法有室内试验（固结试验、三轴压缩试验）和原位测试方法（静力触探试验、旁压试验等），一般来讲，室内试验需要通过大量的现场取样和室内复杂的样品制备，尽管可以采取有效措施降低从现场取样器取样至室内试验测试完成的全过程扰动，但是也需要付出高昂的取样和测试成本，耗费较多的人力和物力，而孔压静力触探试验方法是在土体天然原位状态下进行的测试，获取的压缩模量能真实反映土体的力学性能，且成本低廉、快速可靠，因此建立室内试验压缩模量与孔压静力触探锥尖阻力之间的相关关系，对工程应用来说具有十分重要的意义。本文在室内试验时采用高质量取样设备对场区软黏土层进行取样，同时在储存和运输过程中采取了防振隔振措施，最大程度地降低了人为因素和制样设备对样品的扰动，同时对场区内91 个双桥静力触探孔同一土层同一深度的静力触探锥尖阻力与压缩模量建立对应关系，参数选取时，由于孔压静力触探存在“超前滞后”效应，同时孔压静力触探具有高灵敏，每隔10 mm采集一个数据点，因此，为避免土层分界面对数据分析的影响，剔除土层分界面上下0.3 m 范围内的数据，也剔除存在明显不合理的异常值。两者的相关关系如图8 所示。

从图8 中可以看出，各软黏土层的孔压静力触探锥尖阻力与室内压缩模量之间存在着明显的线性相关关系（R2＞0.85，R2为线性回归模型中的测定系数，在0.0～1.0 变化，其值越接近1.0，表示拟合程度越好），综合分析，两者的相关关系可以用统一的方程式进行表达，如公式（5）所示：

图8 软黏土锥尖阻力与压缩模量关系

式中：a为拟合系数，在3.980～5.122 之间。

5 结论

（1）Robertson 归一化图表法与双桥静力触探参数图表法对上海软黏土的的划分效果较好，但对含有夹层、互层的“混合土”、成分杂乱的填土以及过渡型土（粉土）的划分不理想，前者的划分准确性较后者具有一定的提升；除填土外，扁铲侧胀试验分类方法则能达到良好的分类效果。

（2）上海地区软黏土的超固结比随深度的变化差异较大，具有明显的超固结性。在浅层（深度18.0 m内），超固结比随着深度的增加而减小，土层为超固结土，而在深部（深度大于18.0 m）为正常固结土。对上海地区主要的三种软黏土的超固结比进行分段拟合，得出经验公式见式（1）、式（2）。

（3）软黏土层的孔压静力触探锥尖阻力与室内压缩模量之间存在着明显的线性相关关系，两者的相关关系符合式（5）。