高彥斌，袁祥成，陳 杰，沈 超

（1. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092；2. 上海巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200032）

上海地區(qū)濱海相軟黏土十字板強(qiáng)度分析

高彥斌1，袁祥成1，陳 杰2，沈 超2

（1. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092；2. 上海巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200032）

利用上海地區(qū)濱海相軟黏土的十字板試驗(yàn)和土工測試數(shù)據(jù)，分析了十字板強(qiáng)度與深度的線性關(guān)系、十字板不排水抗剪強(qiáng)度與上覆有效壓力之比隨埋深及塑性指數(shù)的關(guān)系與變化規(guī)律，研究了每層土十字板強(qiáng)度平均值與靜力觸探比貫入阻力平均值之間的相關(guān)性，并與已有研究成果作了對比。

軟黏土；十字板強(qiáng)度；上覆有效壓力；塑性指數(shù)；比貫入阻力

上海境內(nèi)的地貌形態(tài)按成因時代、沉積環(huán)境和組成物質(zhì)等方面的差異，可分為剝蝕殘丘、湖沼平原、濱海平原、河口砂嘴砂島、潮坪地帶等五大類型[1]，濱海平原是最主要的地貌單元，其普遍分布較厚的軟弱土層，主要有第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、第④層灰色淤泥質(zhì)黏性土層和第⑤1層黏土層，這三類土層力學(xué)性質(zhì)差，具有強(qiáng)度低、含水率高、壓縮性大和高孔隙比等特點(diǎn)（表1），是上海地區(qū)地面沉降的主要層位，也容易引發(fā)其它環(huán)境地質(zhì)問題，對其強(qiáng)度進(jìn)行專門研究和定量分析，具有科研學(xué)術(shù)意義和工程實(shí)踐指導(dǎo)作用。本文搜集利用12個重要工程項(xiàng)目巖土工程勘察十字板試驗(yàn)和土工測試成果（工程點(diǎn)位參見圖1），對上海濱海平原區(qū)軟黏土十字板強(qiáng)度進(jìn)行分析。

表1 上海濱海平原區(qū)軟黏土物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical characters of soft soil in Shanghai

圖1 上海地貌類型及測試數(shù)據(jù)工程位置示意Fig.1 Shanghai landform partition and projects location of testing data source

1 十字板強(qiáng)度與埋深的關(guān)系分析

圖1是十字板強(qiáng)度Su隨埋深Z的變化關(guān)系統(tǒng)計，由此看出，第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層在大部分地區(qū)十字板強(qiáng)度隨埋深增加有減小趨勢，在第④層淤泥質(zhì)黏土層、第⑤1層黏土層則與深度呈線性變化。在深度4～12m范圍內(nèi)表現(xiàn)出較大的離散性；在深度12～25m范圍內(nèi)，線性擬合可表示為：Su=2.7Z±10，式中的Su、Z的單位分別是kPa和m。

圖1 十字板強(qiáng)度Su隨埋深Z的變化關(guān)系Fig.1 The variation of vane strength with depth

對于十字板強(qiáng)度隨深度的變化規(guī)律，以往也有相關(guān)的研究成果：胡中雄指出，在均勻的飽和軟土層中，十字板強(qiáng)度通常隨深度線性增加[2]；高冠仁在對上海石化廠地區(qū)的十字板測試成果分析后指出，十字板強(qiáng)度隨埋深增加而增長，基本呈直線關(guān)系，并給出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式Su=1.4Z+18.7[3]；周志潔與張劍鋒根據(jù)上海寶鋼原料場的相關(guān)資料，建議在深度10～16m時，Su取最小值29.6 kPa，16～20m深度采用Su=29.6+2.96(Z-16)，取最小值，或Su=29.6+1.96(Z-10)，取最小中值[4]；孫更生和鄭大同指出，上海、浙江、福建等沿海地區(qū)的試驗(yàn)資料均表明軟黏土十字板強(qiáng)度隨深度的變化有如圖2的規(guī)律，并由上海某地兩孔十字板試驗(yàn)得出Su=1.5Z+18.8[5]；童翌湘等根據(jù)上海某地10個十字板試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，埋深增加，十字板強(qiáng)度數(shù)據(jù)離散[6]。這些成果都是從某一單個工程中一個或多個試驗(yàn)孔得到的經(jīng)驗(yàn)性結(jié)論，其普遍適用性還需進(jìn)一步研究。

圖2 軟黏土十字板強(qiáng)度隨深度變化規(guī)律（據(jù)孫更生等）Fig.2 Soft clay vane strength variation with depth (from references [5] )

與上述研究相比，本文所得的軟黏土十字板強(qiáng)度Su與埋深Z的線性擬合表達(dá)式，數(shù)據(jù)來源更廣，適用性更大。

2 十字板強(qiáng)度與上覆有效壓力的比值隨埋深的變化

圖3是根據(jù)搜集到的實(shí)測資料計算求得的十字板強(qiáng)度Su與上覆有效壓力σ'v0的比值Su/σ'v0隨埋深Z的變化關(guān)系。由此看出，Su/σ'v0隨埋深增大呈現(xiàn)出單調(diào)減小趨勢，變化范圍在0.3～1之間，第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中Su/σ'v0在0.4～1，離散性較大，特別在深度小于5m的范圍內(nèi)，離散范圍0.5～1；第④層淤泥質(zhì)黏性土層和第⑤1層黏土層中Su/σ'v0主要在0.3～0.4之間變化，離散性較小。

總體來講，此方面的研究成果還較少。胡中雄羅列了上海5個工程地點(diǎn)在深度10m處軟土Su/σ'v0的取值情況，在0.275～0.5之間[7]。由圖3可以看出，在深度10m處，本文的分析結(jié)論Su/σ'v0=0.3～0.5，與其結(jié)果比較一致。

3 十字板強(qiáng)度與上覆有效壓力的比值和塑性指數(shù)的關(guān)系探討

國外研究成果表明，Su/σ'v0隨Ip增大而增大。Skempton曾給出正常沉積土Su/σ'v0～I(xiàn)p的經(jīng)驗(yàn)公式[8]：Su/ σ'v0=0.11+0.0037Ip，其中的Ip范圍很大，約10～120。這個公式已被廣泛使用。Bjerrum根據(jù)挪威Dramen地區(qū)新老黏土的試驗(yàn)資料，得到Su/σ'v0與塑性指數(shù)Ip關(guān)系圖，并指出老黏土由于長期的次固結(jié)作用，其Su/σ'v0比幾乎沒有經(jīng)過次固結(jié)作用的新黏土要高[9]。但是，Skempton和Bjerrum的研究成果在上海地區(qū)的適用性研究很缺乏；而且，我國塑性指數(shù)Ip測量方法與西方國家不同，我國采用76g平衡錐來測量的液限（ωL）稍低于用“落皿法”測定的數(shù)值（ωL*），因此將液塑限進(jìn)行修正，并與國際普遍認(rèn)可的研究成果進(jìn)行比較十分必要。南京水利科學(xué)研究院曾根據(jù)塑性指數(shù)在7～51之間的84個試樣，統(tǒng)計得出ωL=5.59+0.7ωL*，并得到修正后的塑性指數(shù)Ip*計算式為：Ip*=Ip+0.43ωL-7.99。

圖3 Su/σ'v0隨埋深Z的變化Fig.3 The variation of Su/σ'v0with depth

圖4是將Skempton公式和Bjerrum觀測資料與本文所得結(jié)果進(jìn)行的比較。本文的塑性指數(shù)Ip是整個場地在該深度的平均值，并用上式得到修正后的塑性指數(shù)Ip*?？紤]到夾砂層的影響，圖中略去較大離散點(diǎn)。從圖4可以看出，第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層Su/σ'v0位于老黏土曲線之上，第④層灰色淤泥質(zhì)黏土層Su/σ'v0位于新老黏土之間，而第⑤1層黏土層接近新黏土曲線。

從沉積歷史上看，第⑤1層黏土層先沉積，然后依次是第④層灰色淤泥質(zhì)黏土層和第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。理論上講，先沉積的土層經(jīng)歷了長時期因流變性造成的次固結(jié)作用，其強(qiáng)度會逐漸增大[10～12]，相應(yīng)的Su/σ'v0比值也會更加接近老黏土曲線，后沉積的土層在新黏土曲線附近。但從圖4看到，實(shí)際情況與理論恰恰相反，即第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層Su/σ'v0稍高，第⑤1層黏土層Su/σ'v0則處于較低位置。這可能是因?yàn)?，盡管第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土塑性指數(shù)較低，但土顆粒間存在化學(xué)聯(lián)結(jié)作用，這種作用對

淺部土層的強(qiáng)度Su及Su/σ'v0有較大影響，并隨著深度的增加逐漸降低。

圖4 Su/σ'v0與塑性指數(shù)Ip*的關(guān)系Fig.4 The relationship of Su/σ' and I*v0p

胡中雄根據(jù)上海煉油廠的實(shí)測資料整理得到，塑性指數(shù)Ip=16～25的軟土，Su/σ'v0=0.19～0.13[2]。Su/σ'v0相對較低，推測此處軟土由于某種原因尚未完成固結(jié)。

4 十字板強(qiáng)度與靜力觸探比貫入阻力相關(guān)性分析

軟黏土的十字板強(qiáng)度Su與靜力觸探比貫入阻力Ps的相關(guān)性已有較多研究，并各自給出了關(guān)系表達(dá)式（表2），但對不同表達(dá)式的分析對比與評價還很缺乏。

表2 十字板強(qiáng)度Su與靜力觸探比貫入阻力Ps相關(guān)性部分成果Table 2 The correlation of Su and Ps

本文在搜集12個工程的巖土測試資料基礎(chǔ)上，選取每層土十字板強(qiáng)度平均值與靜力觸探比貫入阻力Ps平均值，整理得到圖5所示結(jié)果?？梢钥闯觯琒u隨Ps增大而增大的趨勢明顯，二者關(guān)系可采用線性關(guān)系式表達(dá)，但數(shù)據(jù)離散性較大。另外，收集到的數(shù)據(jù)多位于經(jīng)驗(yàn)公式的上方，相對而言，①②更加合適，現(xiàn)有鐵路規(guī)范所給出的線性相關(guān)性公式偏于保守。

圖5 十字板強(qiáng)度Su與比貫入阻力Ps相關(guān)性Fig.5 The correlation of Suand Ps

5 結(jié)語

上海地區(qū)濱海相軟黏土十字板強(qiáng)度Su整體上隨深度呈先減小后增大趨勢：在淺部土層具有很大的離散性；在埋深12～25m范圍內(nèi)，Su與土層深度Z呈線性關(guān)系，可以Su=2.7Z±10關(guān)系式進(jìn)行擬合。

十字板強(qiáng)度Su與上覆有效壓力σ'v0的比值Su/σ'v0隨埋深Z有減小趨勢，埋深越小離散性越大，埋深越大離散性越小。各層土Su/σ'v0的變化范圍在0.3～1之間，第③層比值為0.4～1.0，第④層和第⑤層比值為0.3～0.4。

研究修正后的塑性指數(shù)Ip*與Su/σ'v0的關(guān)系表明，上海地區(qū)淺部軟土層塑性指數(shù)小，Su/σ'v0稍高，深部土層塑性指數(shù)小，Su/σ'v0反而低。已有的研究成果在上海濱海相軟土層并不適用。

上海地區(qū)濱海相軟黏土Su隨Ps增大而增大的現(xiàn)象明顯，二者相關(guān)性若用線性關(guān)系式表達(dá)，則數(shù)據(jù)離散性較大?，F(xiàn)有研究成果和鐵路規(guī)范所給的關(guān)系式偏保守。

本文僅針對上海地區(qū)濱海相軟黏土，是否適用于其他沉積類型的軟黏土還需進(jìn)一步研究。

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The vane strength of soft marine clays in the Shanghai area

GAO Yan-Bin1, YUAN Xiang-Cheng1, CHEN Jie2, SHEN Chao2
(1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Shanghai Geotechnical Investigation & Design Institute Co., Ltd, Shanghai 200032, China)

This paper reports depth profiles of the vane shear strength of soft marine clays in Shanghai based on the results of 12 engineering investigation surveys. The relationship between depth and the ratio of undrained strength to effective overburden stress is analyzed, and the range of observed values is given. The relationship between the plasticity index and the ratio of undrained strength to effective overburden stress was also analyzed. Finally, the correlation between FVT strength and the specific penetration resistance of CPT was determined.

soft soil; vane strength; effective overburden pressure; plasticity index; specific penetration resistance

P642

A

2095-1329(2015)02-0092-04

2015-04-13

2015-06-09

高彥斌(1973-),男,博士,副教授,主要從事軟黏土力學(xué)特性及軟基處理研究.

電子郵箱: yanbin_gao@#edu.cn

聯(lián)系電話: 021-65983715

國家自然科學(xué)基金(40702051)

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.02.021