高彥斌

(1. 同濟大學(xué) 地下建筑與工程系， 上海 200092； 2. 同濟大學(xué) 巖土及地下工程教育部工程重點試驗室， 上海 200092)

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原位十字板試驗測得的軟粘土靈敏度

高彥斌1,2

(1. 同濟大學(xué) 地下建筑與工程系， 上海 200092； 2. 同濟大學(xué) 巖土及地下工程教育部工程重點試驗室， 上海 200092)

收集了國內(nèi)兩個地區(qū)(上海和杭州灣)以及美國和日本一些地區(qū)軟粘土的勘察數(shù)據(jù)，對原位十字板試驗(FVT)和無側(cè)限抗壓強度試驗(UCT)這兩種試驗所測得的靈敏度和強度進行了詳細的對比與分析,并對重塑方式的影響進行了研究.發(fā)現(xiàn)這些地區(qū)普遍存在FVT試驗得到的靈敏度要明顯小于UCT試驗結(jié)果，會嚴重低估軟粘土的靈敏度；而原狀土強度和重塑土強度均要大于UCT試驗結(jié)果，重塑土強度尤其明顯.其中重塑方式是一個重要影響因素.研究還發(fā)現(xiàn)FVT試驗得到的重塑土強度、靈敏度與土的液性指數(shù)的相關(guān)性隨著液性指數(shù)的增大而明顯變差，與一些廣泛使用的經(jīng)驗關(guān)系也差別較大.這些結(jié)果應(yīng)該引起工程界的重視.

軟粘土； 靈敏度； 強度； 液性指數(shù)； 原位十字板試驗(FVT)； 無側(cè)限抗壓強度試驗

對于靈敏性過高的土，由于重塑土強度過小而無法制取UCT試驗所需的圓柱形試樣，則往往采用原位十字板試驗(field vane-shear test, FVT)來測得靈敏度，即St=Su/Su′，其中Su和Su′分別為由FVT試驗測得的原狀土和重塑土的峰值不排水抗剪強度，并采用與UCT試驗完全相同的分類標(biāo)準(zhǔn).與UCT試驗相比，F(xiàn)VT試驗還有一個優(yōu)點是可以避免UCT試驗存在的取樣擾動問題.2011年中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《軟土地區(qū)巖土工程勘察規(guī)程》[3]中規(guī)定“軟土的結(jié)構(gòu)性分類宜采用原位十字板剪切試驗，也可采用無側(cè)限抗壓強度試驗方法測定靈敏度”.由此可見在軟粘土結(jié)構(gòu)性分類方面我國工程界對FVT試驗的重視和信賴，大有完全替代UCT試驗的趨勢.據(jù)筆者了解，在其他國家也存在著類似的現(xiàn)象.

FVT試驗屬于原位試驗，UCT試驗屬于室內(nèi)試驗，兩種試驗的原理、方法以及土樣所處的應(yīng)力狀態(tài)都有較大的差別，因此兩種試驗方法測得的原狀土、重塑土的強度以及靈敏度也可能不會完全一致.婁炎等[4]、高彥斌[5]曾分別針對杭州灣軟粘土和上海軟粘土進行過這方面的對比討論,發(fā)現(xiàn)這兩種方法測得的靈敏度和強度有較大的差別.高彥斌[5]甚至還指出FVT試驗得到的上海軟粘土的靈敏度是不可靠的.

本文的目的是收集整理不同地區(qū)的勘察資料，進一步對比這兩種試驗所測得的不同軟粘土靈敏度和強度的差異，建立兩種試驗測得的靈敏度和強度(重塑強度)與土的液性指數(shù)之間的關(guān)系.數(shù)據(jù)主要來源于4篇國內(nèi)文獻[4-7]和兩篇國外文獻[8-9]，其中包括我國的上海軟粘土和杭州灣軟土，以及美國和日本一些地區(qū)的軟粘土.

1　FVT和UCT試驗對比

從以下4方面來對比FVT試驗和UCT試驗的區(qū)別.

(1)剪切方式和破壞面.UCT試驗中圓柱形土樣在單向壓縮下沿一傾斜的平面破壞.FVT試驗中土體在十字板旋轉(zhuǎn)剪切下形成一個圓柱形的破壞面.由于土的強度的各向異性，十字板強度被當(dāng)作土體垂直面和水平面上的平均強度.

(2)重塑方式.UCT試驗是通過手工揉捏土樣方式來充分重塑土樣.FVT試驗是利用十字板在原位旋轉(zhuǎn)若干圈(一般在6圈以上)來重塑土體，結(jié)構(gòu)重塑可能不太充分而造成測得的重塑土強度可能偏高.

(3)土樣所處的初始應(yīng)力狀態(tài).UCT試驗中原狀土樣中的有效應(yīng)力存在卸載影響，由于總應(yīng)力為零，重塑后土樣中有效應(yīng)力基本完全喪失.FVT試驗中在原位應(yīng)力狀態(tài)下測得原狀強度，土體重塑后在原位仍然會有殘余的有效應(yīng)力，理論上講會導(dǎo)致測得的原狀強度和重塑強度較高.

(4)土樣質(zhì)量.取樣、運輸和制樣造成的擾動會影響UCT試驗采用的土樣質(zhì)量，擾動效應(yīng)造成測得的原狀強度較低，但不影響重塑強度.FVT試驗中的土樣擾動主要源于十字板的貫入.

工程勘察中兩種試驗得到的強度和靈敏度是上述4種因素綜合影響的結(jié)果.

2　FVT和UCT試驗測得的靈敏度

2.1兩種試驗得到的靈敏度對比

表1給出了三份工程勘察得到的上海軟粘土和杭州灣軟粘土靈敏度的統(tǒng)計結(jié)果，包括：樊向陽等[7]基于上海幾個市政工程勘察結(jié)果的統(tǒng)計，高彥斌[5]基于上海某地鐵工程勘察結(jié)果的統(tǒng)計，以及婁炎等[4]基于杭州灣某工程試驗段對慈溪段勘察結(jié)果的統(tǒng)計.這些地區(qū)分布的軟粘土在我國沿海地區(qū)具有一定的代表性，除了杭州灣的②2淤泥質(zhì)亞砂土液性指數(shù)IL較大外，其余均小于1.5，處于軟塑和流塑狀態(tài).這里需要特別說明的是，在我國存在塑性指標(biāo)量測多種方法并存的現(xiàn)象,這為不同地區(qū)數(shù)據(jù)分析對比造成了困難.上海土的原始勘察資料中給出的塑性指標(biāo)是按照建工系統(tǒng)規(guī)范[10]測得的結(jié)果,液限略小于碟式儀法；婁炎等[4]給出杭州灣土勘察資料中的塑性指標(biāo)則按照公路系統(tǒng)規(guī)范[11]測得，液限與碟式儀法等效.表1中給出的上海土的液性指數(shù)IL是按照經(jīng)驗關(guān)系換算后與碟式儀法等效的數(shù)據(jù).

表1中給出了各土層的由FVT和UCT試驗得到的靈敏度平均值(其中上海土括號內(nèi)的兩個數(shù)據(jù)分別為統(tǒng)計的數(shù)據(jù)點數(shù)和均方差)以及由FVT測得的靈敏度SFVT與UCT試驗測得的靈敏度SUCT的比值(即表中最后一列，SFVT/SUCT).這些數(shù)據(jù)表明：

(1)FVT試驗得到的靈敏度多在2～4之間，數(shù)據(jù)變化范圍小，離散性小(均方差小).UCT試驗得到的靈敏度在3～12之間，數(shù)據(jù)變化范圍大，離散性大(均方差大).UCT試驗得到的靈敏度數(shù)值比較離散可能與土樣質(zhì)量難以統(tǒng)一有關(guān).

(2)FVT得到的靈敏度明顯小于UCT試驗結(jié)果.比值SFVT/SUCT在0.2～1.0之間，變化范圍很大.

(3)對于同一種土，兩種試驗非常容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性分類結(jié)果不一致的情況.按照FVT試驗結(jié)果大都屬中等靈敏.但按照UCT試驗結(jié)果，有些還可以是高靈敏性或極靈敏性，比如上海的第4層土和杭州灣的3個土層.

(4)這些差異及導(dǎo)致的一些問題在我國沿海地區(qū)廣泛分布的海相沉積軟粘土的靈敏度勘察中應(yīng)該是普遍存在的，也是不可忽視的.

Tanaka等[9]對日本三個場地(A)Atsuma、(B)Takuhoku 和(C)Y-Ariake的軟粘土的靈敏度進行了研究，除了FVT試驗外，室內(nèi)試驗他們采用落錐法(fall cone test, FCT)替代UCT來測定軟粘土的靈敏度.表2是筆者根據(jù)Tanaka發(fā)表的數(shù)據(jù)整理得到的結(jié)果.可以看出，F(xiàn)VT和FCT測得的靈敏度差別非常大，同樣表現(xiàn)出原位測試FVT得到了的靈敏度要明顯小于室內(nèi)試驗FCT的結(jié)果.

表1　工程勘察得到的上海和杭州灣軟粘土靈敏度

注:表中的IL采用與Casagrande碟式儀法等效的液限計算得到.

表2　日本三個地區(qū)軟粘土靈敏度平均值(根據(jù)文獻[9]整理)

2.2不同試驗得到的靈敏度與液性指數(shù)之間的關(guān)系

圖3給出了根據(jù)表1和表2給出的數(shù)據(jù)繪制的不同試驗方法測得的上海粘土(③、④和⑤)、杭州灣粘土(②1、②2和③1)和日本三個地區(qū)(A、B和C)軟粘土的St-IL關(guān)系，圖中還給出了Bjerrum的關(guān)系曲線作為對比.可以看出，這些FVT試驗得到St與IL的關(guān)系不明顯，在IL有較大范圍變化的情況下St集中在一個非常狹窄的范圍內(nèi)(St=2～4)；工程勘察的UCT試驗得到數(shù)據(jù)雖然較為離散，但總體上能夠反映出St隨IL增大而增大的規(guī)律；Tanaka等給出的另外一種室內(nèi)試驗FCT的結(jié)果則非常接近Bjerrum的關(guān)系曲線.

aBjerrumbMitchell

圖1Bjerrum和Mitchell 給出的St-IL關(guān)系

Fig.1St-ILrelationships given by Bjerrum and Mitchell

圖2　Bjerrum和Mitchell的經(jīng)驗關(guān)系對比

圖3　不同試驗測得的St - IL關(guān)系

2.3不同試驗得到的靈敏度可靠性的評價

靈敏度的定義是基于UCT試驗的，因此UCT試驗是測定軟粘土靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)方法.然而，工程勘察中采取的原狀土樣的取土質(zhì)量往往難以得到保證，會造成測得的原狀土強度偏低，且離散性較大，但是取土質(zhì)量并不會影響重塑強度.因此可以推斷，工程勘察中UCT試驗得到的靈敏度應(yīng)該是偏低的.這也許可以解釋為什么圖3中上海粘土和杭州灣粘土的勘察數(shù)據(jù)大多數(shù)位于Bjerrum關(guān)系曲線上方.圖2—3中給出的高彥斌等[6]采用質(zhì)量較好的塊狀土樣的上海第4層土的UCT試驗結(jié)果(實心圓點所示)可以進一步證明這一點.采用塊狀土樣的UCT試驗得到的靈敏度平均值為5.6，比工程勘察UCT試驗得到的靈敏度要明顯大一些，且非常接近Mitchell和Bjerrum給出的關(guān)系曲線，也說明這些經(jīng)驗關(guān)系應(yīng)當(dāng)也適用于我國沿海地區(qū)廣泛分布的軟粘土.

FVT試驗得到的靈敏度集中在2～4之間，且與軟粘土液性指數(shù)的相關(guān)性差.因此，F(xiàn)VT試驗會嚴重低估軟粘土的靈敏性，尤其是對液性指數(shù)較高、靈敏度較大的軟粘土，造成的誤差更大.這樣看來，F(xiàn)VT試驗測得的靈敏度應(yīng)該是不可靠的，基于FVT試驗結(jié)果所給出的軟粘土結(jié)構(gòu)性的評價也是不準(zhǔn)確的.

另外，從圖3給出的Tanaka等的試驗結(jié)果可以看出，F(xiàn)CT試驗也是一種相對可靠的測定軟粘土靈敏度的室內(nèi)試驗方法.與UCT試驗相比，F(xiàn)CT試驗還有一個優(yōu)點是可避免UCT試驗中當(dāng)重塑土較軟時的制樣問題，較適用于高靈敏性的軟粘土.

3　工程勘察FVT、UCT試驗測得的強度

這一部分將從強度方面來進一步對比兩種試驗得到的結(jié)果.圖4給出了高彥斌[5]所提供的上海某地鐵工程勘察UCT和FVT試驗測得的原狀土強度和重塑土強度.圖5給出了根據(jù)婁炎等[4]的杭州灣軟粘土工程勘察結(jié)果的基礎(chǔ)上，整理得到了強度隨深度Z的分布圖.可以看出，兩份勘察結(jié)果給出了相同的規(guī)律：FVT和UCT試驗得到的強度存在較大的差別，無論是原狀土強度還是重塑土強度，F(xiàn)VT試驗結(jié)果總體上都要比UCT試驗結(jié)果大一些.正如第1節(jié)提到的，原位有效應(yīng)力、取樣擾動、重塑方式都可能是造成這個現(xiàn)象的因素.

圖4　上海某地鐵工程勘測的不排水抗剪強度

表3和表4是筆者給出的這些勘察數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，包括FVT和UCT試驗得到的各層土的原狀土強度Su和重塑土強度Su′平均值以及FVT試驗與UCT試驗結(jié)果的比值(SFVT/SUCT).從這些統(tǒng)計

圖5　杭州灣某工程勘測的不排水抗剪強度

結(jié)果可以定量地對比兩種試驗所測得的強度的差別.可以看出，原狀土強度比值SFVT/SUCT在1.39～2.22倍之間，而重塑土強度比值在1.58～11.29之間.重塑土強度比值要明顯比原狀土強度比值大一些，變化范圍也大一些.可見，F(xiàn)VT試驗測得的過大的重塑土強度是第2.1節(jié)提到的該試驗測得的靈敏度偏低的原因.

表3上海某地鐵工程不排水抗剪強度統(tǒng)計結(jié)果

Tab.3Undrained shear strengths obtained by site investigation for a subway project in Shanghai

土層原狀土重塑土Su(FVT)/kPaSu(UCT)/kPaSFVT/SUCTSu'(FVT)/kPaSu'(UCT)/kPaSFVT/SUCT③34.5(41,9.1)24.8(12,2.4)1.3910.1(41,2.1)6.4(12,0.68)1.58④41.4(75,6.5)22.3(11,2.7)1.8613.4(75,2.4)5(11,0.39)2.68⑤54.5(18,2.78)37.1(17,5.3)1.4718.5(18,1.0)11.7(17,0.48)1.58

注：括號中的數(shù)據(jù)分別為數(shù)據(jù)點總數(shù)和均方差

表4　杭州灣某工程不排水抗剪強度統(tǒng)計結(jié)果

4　重塑方式對十字板強度和靈敏度影響

國外不少學(xué)者采用室內(nèi)十字板試驗(laboratory vane test, LVT)研究了重塑方式對十字板測得的重塑土強度的影響.20世紀(jì)80年代，Chaney 和Richardson[8]便對重塑方式的影響進行了研究，采用的土樣取自美國Mississippi Fan和 Eel River Fan兩個地區(qū),他們得到的十字板重塑和手工重塑方式下的重塑土強度和靈敏度,以及兩種方法測得的靈敏度的比值St,手工/St,十字板匯總于表5.表5還給出了筆者根據(jù)Tanaka等[9]發(fā)表的數(shù)據(jù)整理得到的在兩種不同的重塑方式下得到的日本Takuhoku和Y-Ariake地區(qū)軟土的重塑土強度和靈敏度的平均值.從表5給出的數(shù)據(jù)可以看出，除了美國Mississippi Fan一個特例外，其他地區(qū)的LVT試驗結(jié)果均表明十字板重塑后的強度要明顯大于手工重塑后的強度，而靈敏度則相反.重塑方式對重塑土強度和靈敏度的影響非常顯著而不可忽視的.

表5　不同重塑方式下LVT試驗結(jié)果匯總

*此實驗十字板水平向插入土中,兩個試驗兩個深度.

**表中列出的為筆者根據(jù)原始文獻整理得到的平均值

Chaney 和Richardson[8]還研究了十字板旋轉(zhuǎn)次數(shù)對重塑土強度的影響，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)次數(shù)達到3～10次之間后重塑土強度并不會隨著旋轉(zhuǎn)次數(shù)的增加而有明顯的減小.在Tanaka等[9]的試驗中，十字板重塑采用的旋轉(zhuǎn)次數(shù)高達30次.可見，增加旋轉(zhuǎn)次數(shù)并不能夠使得十字板試驗測得的重塑土強度接近手工重塑土的強度，不能夠提高FVT試驗的可靠性.

筆者曾采用高質(zhì)量的塊狀土樣研究了重塑方式對上海第4層的強度和靈敏度的影響[6]，得到的結(jié)果見表6.十字板重塑(旋轉(zhuǎn)6次)和手工重塑情況下得到的重塑土強度分別為8.6和4.9 kPa， 靈敏度分別為3.4和6.0.可見重塑方式對我國沿海地區(qū)軟粘土的強度和靈敏度的影響也是顯著的.與表中給出UCT試驗結(jié)果的對比可以看出，在采用相同的手工重塑情況下，兩種試驗測得的重塑土強度和靈敏度差別不大，這說明剪切方式并不會對試驗結(jié)果產(chǎn)生顯著影響.

表6　不同試驗得到的上海第4層土強度和靈敏度 [6]

5　重塑強度與液性指數(shù)的關(guān)系

重塑土強度Su′被認為與土的液性指數(shù)IL有關(guān).圖6給出了Houston 和Mitchell、Leroueil等、Wroth和Wood等給出適用于試驗室制備的飽和粘性土的Su′與IL的經(jīng)驗關(guān)系[13].其中Houston 和Mitchell的成果考慮了測試方法所帶來的影響，并給出了一個變化范圍.這些經(jīng)驗關(guān)系被廣泛用來確定重塑飽和粘性土的強度.

圖6還給出了不同試驗(FVT，UCT，F(xiàn)CT)得到的不同地區(qū)(上海、杭州灣和日本)軟粘土的重塑強度和液性指數(shù)之間的關(guān)系. 圖中關(guān)于杭州灣軟粘土的數(shù)據(jù)是表1所示的三個土層的平均值.上海軟粘土三個土層的數(shù)據(jù)點來自筆者對原工程勘察數(shù)據(jù)的重新整理.Tanaka等發(fā)表的關(guān)于日本粘土的數(shù)據(jù)，筆者只整理了其中Y-Ariake粘土的試驗數(shù)據(jù)，原因是這個地區(qū)的試驗數(shù)據(jù)多一些.圖6中給出了FVT、FCT 、LVT(30)、和LVT(R)4類試驗結(jié)果的大致范圍，其中LVT(30)和LVT(R)分別代表LVT試驗中十字板旋轉(zhuǎn)30次和手工重塑兩種重塑方式.從圖6給出的經(jīng)驗關(guān)系式和試驗數(shù)據(jù)可以看出：

(1)不管采用何種方法，采用在天然含水率下手工重塑的室內(nèi)試驗(UCT，F(xiàn)CT和LVT(R))得到的結(jié)果與經(jīng)驗關(guān)系較為接近，但并不完全吻合，位于這些經(jīng)驗關(guān)系偏上一點的位置.

(2)FVT試驗數(shù)據(jù)較為離散，大多在這些經(jīng)驗關(guān)系的上方，且與IL的關(guān)系不明顯.這三種經(jīng)驗關(guān)系均不適用于估算FVT試驗得到的重塑土強度.

(3)從Y-Ariake粘土FVT和LVT試驗數(shù)據(jù)對比可以看出，采用相同的十字板重塑方式的LVT(30)和FVT試驗得到結(jié)果相近，而采用手工重塑的LVT(R)試驗和得到的強度要低得多，這說明重塑方式對強度的影響要比原位應(yīng)力的影響更為顯著.

圖6　不同試驗得到的Su′與IL的關(guān)系

6　結(jié)論

本文在所收集得到的國內(nèi)外一些工程勘察數(shù)據(jù)以及室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對FVT和UCT測得的軟粘土的靈敏度和強度進行了對比研究，得到的主要結(jié)論如下：

(1)工程勘察中FVT試驗得到的靈敏度多在2～4之間，與液性指數(shù)的相關(guān)性不好，普遍小于UCT試驗結(jié)果.FVT試驗得到的靈敏度并不可靠，低估了軟粘土的靈敏性.土的液性指數(shù)越高，這種誤差越大.

(2)工程勘察中FVT和UCT試驗的得到的強度也有明顯的差別，F(xiàn)VT試驗得到的強度要普遍大于UCT試驗結(jié)果，尤其是重塑土強度.從有限的數(shù)據(jù)來看，重塑方式是造成FVT試驗得到重塑土強度較高而靈敏度較低的一個主要因素.

(3)當(dāng)液性指數(shù)較大時，F(xiàn)VT試驗測得的原位重塑強度與液性指數(shù)的相關(guān)性較差，與建立在人工制備土試驗結(jié)果基礎(chǔ)上的重塑土強度與液性指數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系差別較大.即使是UCT試驗結(jié)果也與這些經(jīng)驗關(guān)系有明顯的出入.重塑土的強度似乎與重塑方式以及初始結(jié)構(gòu)性(或含水率)有關(guān).

(4)我國沿海其他地區(qū)很可能也存在類似的情況，不能盲目認為FVT一定比UCT可靠.希望能夠通過一些高質(zhì)量的UCT試驗建立我國沿海地區(qū)軟粘土的St～IL經(jīng)驗關(guān)系，這樣在工程中可通過參數(shù)IL來評價我國沿海地區(qū)軟粘土結(jié)構(gòu)性強弱.

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Sensitivity of Soft Clay Obtained by Field Vane-shear Test

GAO Yanbin1,2

(1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092,China; 2. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering, Tongji university, Shanghai 200092, China)

Field vane-shear test (FVT) and Unconfined Compression test (UCT) are the conventional method for measuring the sensitivity of soft clay in the engineering investigation. Based on the data collected from the domestic soft clay and some regions in US and Japan, the sensitivity and strength obtained by FVT and UCT are compared in detail and the influence of remolding method is also investigated. It is found that the sensitivity obtained by the FVT test is significantly smaller than the UCT and it will underestimate the sensitivity of soft clay, FVT obtains significantly higher strength than UCT tests, especially in the remolded strength. Remolding method used in FVT is found an important influence factor. In addition, the correlations between remolded strength, sensitivity measured by FVT and liquid limit index are found not good and inconsistent with the published experiential laws. The remolded strength and sensitivity obtained by FVT are unreliable and it should be taken into consideration in evaluating the sensitivity and structural of soft clay.

soft clay; sensitivity; strength; liquid index; field vane-shear test(FVT); unconfined compression test

2015-09-25

高彥斌(1973— )，男，工學(xué)博士，副教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為軟土力學(xué)特性和軟土地基處理.

E-mail：yanbin_gao@#edu.cn

TU41, TU42

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