戚玉紅,張宏明,劉 攀

(中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,天津 300222)

互層土是土顆粒在漲落潮、靜水與動水等反復(fù)交替的沉積環(huán)境下形成的,為三角洲、濱海平原及河漫灘等地區(qū)常見的第四紀(jì)沉積土層?；油林型令w粒的大小主要受水動力大小的影響,在枯水季與潮汛小時(shí)形成細(xì)顆粒,豐水季與潮汛大時(shí)形成粗顆粒,在上述周期性水動力變化的影響下形成的細(xì)、粗顆粒相間交錯的層狀構(gòu)造土層,具有水平層理、斜交層理等構(gòu)造特征[1]。在水平維度呈單層分布格局,在垂直維度呈多層厚度不同的分布格局。按國標(biāo)的規(guī)定,層狀構(gòu)造土按不同厚度比可以分為互層土與夾層土,當(dāng)薄層與厚層的厚度比大于1/3時(shí),宜定為“互層”,厚度比為1/10～1/3時(shí),宜定為“夾層”[2]。

因沉積環(huán)境等因素影響,互層土是沿海港口工程中常見的一種層狀構(gòu)造土,具有各向異性、不均勻性強(qiáng)等相對復(fù)雜的物理、力學(xué)性質(zhì)特征,這些異常性使得地基與基礎(chǔ)的穩(wěn)定性等驗(yàn)算所需抗剪強(qiáng)度指標(biāo)具有不確定性。

國內(nèi)學(xué)者對互層土進(jìn)行了較多研究[3-4],盧力強(qiáng)等[5]對天津?yàn)I海地區(qū)黏性土與粉土互層土進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)研究,得出互層土力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)在垂直方向的各向異性;李颯等[6]通過現(xiàn)場孔壓靜力觸探CPTU試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn),得出迭層土在垂直向摩阻比變化較大,摩阻比與修正端阻之間可用雙曲線近似表示,不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)是CPTU試驗(yàn)成果的下限值;曹圣華[1]通過液性指數(shù)修正系數(shù)解決了濱海相互層土的液性指數(shù)與標(biāo)貫擊數(shù)之間的不協(xié)調(diào),并獲取互層土適宜的地基承載力;趙居代等[7]通過室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場試驗(yàn),全面闡述互層土的物理、力學(xué)、水理等巖土工程特性;孟令福等[8]對營口地區(qū)的互層土進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究,得出淤泥質(zhì)土與粉砂互層土宜選用三軸剪切試驗(yàn)指標(biāo)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo),不宜采用十字板剪切試驗(yàn)成果;范建好[9]利用互層土的差平比、厚度比等提供了確定地基承載力特征值的方法。

文獻(xiàn)[10]中提出了各類均質(zhì)巖土的工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍,可供工程技術(shù)人員參考;張敏江等[11]提出了一種直剪抗剪強(qiáng)度修正公式,克服了直剪試驗(yàn)存在的部分缺陷,提高了強(qiáng)度指標(biāo)的準(zhǔn)確性;鄧忠信等[12]根據(jù)各種工況下直剪試驗(yàn)方案,提出了土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)修正的方法;邊加敏[13]研究了低應(yīng)力下不同上覆土壓力的直剪試驗(yàn),采用雙直線擬合的方法對膨脹土直剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行修正;龔曉玲等[14]通過3種不同種類的土進(jìn)行對比試驗(yàn),得到了直剪試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)的修正系數(shù);高江平等[15]通過工程實(shí)例提出了擾動系數(shù)與修正系數(shù),能夠反映土體的天然狀態(tài)。

沿海港口工程中直剪抗剪強(qiáng)度是地基承載力與岸坡穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)常用的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo),其確定方法目前仍沿用常規(guī)的水平方向直剪試驗(yàn)方法。由于互層土的各向異性,如何確定符合實(shí)際工況的直剪強(qiáng)度指標(biāo)仍然是有待解決的一個難題,故對互層土力學(xué)特性的研究具有十分重要的意義。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,依托蘇北沿海某港口工程,對淤泥質(zhì)土-砂互層土直剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定方法和應(yīng)用準(zhǔn)則進(jìn)行初步探討。

1 工程概況

本文依托的蘇北某港口工程是典型的互層土工程實(shí)例,該項(xiàng)目位于濱海潮間帶,地貌屬于濱海平原地貌單元,受潮汐周期性交替影響,形成了黏性土與砂土多次交替重復(fù)的層狀構(gòu)造土,經(jīng)現(xiàn)場勘察,本項(xiàng)目共有3大層互層土,各土層描述如下：

②1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土-粉砂互層：褐灰色,淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土呈軟塑狀,中塑性,單層厚度約4.5 cm;粉砂呈密實(shí)狀,單層厚度約1.5 cm;兩類土厚度比約1：3。

③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土-粉砂互層：褐灰色,淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土呈軟塑狀,中塑性,單層厚度約3 cm;粉砂呈中密～密實(shí)狀,單層厚度約1.5 cm;兩類土厚度比約1：2。

④1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土-粉砂互層：褐灰色,淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土呈軟塑狀,中塑性,單層厚度約4 cm;粉砂呈密實(shí)狀,單層厚度約4 cm;兩類土厚度比約1：1。

勘察采用全斷面取芯,詳細(xì)測量并記錄各主、次土層的土名、土性、單層厚度、厚度比等,對各互層土原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),其物理性質(zhì)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 各土層物理性質(zhì)指標(biāo)參數(shù)Tab.1 Physical property index parameters of each soil layer

將互層土中主要土層(淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土)單獨(dú)進(jìn)行物理性質(zhì)試驗(yàn),各互層土中淤泥質(zhì)土的物理性質(zhì)指標(biāo)詳見表2。

表2 互層土中淤泥質(zhì)土物理性質(zhì)指標(biāo)參數(shù)Tab.2 Physical property index parameters of mucky soil in layered structured soil

2 常規(guī)方法確定直剪抗剪強(qiáng)度存在的問題

《水運(yùn)工程地基設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]給出了簡化相關(guān)法用以確定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)參數(shù)。根據(jù)規(guī)范得出各互層土直剪試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)如表3所示。

由表3可知,各土層直剪快剪試驗(yàn)的黏聚力與內(nèi)摩擦角變異系數(shù)均不小于0.30,指標(biāo)的離散性大,同一指標(biāo)的最大值與最小值之差即極差較大,平均值與互層土的厚度比之間的規(guī)律性不強(qiáng),固結(jié)快剪指標(biāo)同樣存在類似的問題。這是由于互層土直剪試驗(yàn)剪切破壞面為水平方向,剪切破壞面或位于軟層中,或位于硬層中(軟層與硬層界面的情況忽略),互層土垂直方向的韻律變化決定了水平方向抗剪強(qiáng)度的離散性。由此可見,規(guī)范給出的直剪試驗(yàn)常規(guī)統(tǒng)計(jì)方法對于互層土是不適用的。

此外,直剪試驗(yàn)因其本身固定剪切面和剪切過程中不能控制排水等特點(diǎn)的限制,得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與實(shí)際相比是偏大的。對于一般均質(zhì)土層,直剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)尚需根據(jù)土的性質(zhì)并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正,而對于互層土直剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)如何進(jìn)行修正目前缺乏切實(shí)可行的方法。

3 確定直剪抗剪強(qiáng)度的新方法

由于互層土具有水平層理和各向異性特點(diǎn),單一的水平方向抗剪強(qiáng)度不能完整表征其抗剪強(qiáng)度性質(zhì)?！端\(yùn)工程巖土勘察規(guī)范》[17]建議對層狀構(gòu)造土在必要時(shí)進(jìn)行垂直方向的抗剪強(qiáng)度力學(xué)試驗(yàn),故本文考慮同時(shí)采用水平和垂直方向抗剪強(qiáng)度來表征互層土的抗剪強(qiáng)度性質(zhì)。

目前對于沿海港口工程,直剪試驗(yàn)一般還是只進(jìn)行水平方向的試驗(yàn)。如何利用水平方向直剪試驗(yàn)成果來確定互層土水平和垂直方向的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)即是本文討論的問題。

3.1 軟層和硬層水平直剪抗剪強(qiáng)度的確定

因上部兩層互層土樣本較少,以④1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土-粉砂互層的固結(jié)快剪試驗(yàn)為例,根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理,各級垂直壓力下抗剪強(qiáng)度的殘余誤差絕對值>3σ(3倍標(biāo)準(zhǔn)差)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為異常值進(jìn)行剔除,剩余試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為該壓力下互層土水平方向的直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù),該層土在各級垂直壓力下抗剪強(qiáng)度區(qū)間樣本數(shù)量分布圖如圖1所示。

1-a 50 kPa垂直壓力 1-b 100 kPa垂直壓力 1-c 150 kPa垂直壓力 1-d 200 kPa垂直壓力圖1 ④1層各級垂直壓力下抗剪強(qiáng)度區(qū)間樣本數(shù)量分布圖Fig.1 Distribution diagram of sample number in shear strength section under vertical pressure at all levels of ④1 layered structured soil

由圖1可知,在各級壓力下互層土抗剪強(qiáng)度在區(qū)間分布上均出現(xiàn)2個峰值點(diǎn),近似兩個正態(tài)分布,第一個峰值點(diǎn)抗剪強(qiáng)度較小,峰值點(diǎn)附近為軟層的抗剪強(qiáng)度,第二個峰值點(diǎn)附近為硬層的抗剪強(qiáng)度,抗剪強(qiáng)度在區(qū)間分布的低點(diǎn)(兩個峰值之間)左右兩側(cè)樣本數(shù)量近似相等。

對圖1中獲得的軟層和硬層各級垂直壓力下抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù),分別繪制軟層與硬層各級壓力下的抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的散點(diǎn)圖,并用最小二乘法確定兩者之間的線性關(guān)系,直線交縱軸的截距為黏聚力,直線的傾斜角為內(nèi)摩擦角。④1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土-粉砂互層土軟層與硬層的固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)如圖2所示。

2-a ④1中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土固結(jié)快剪指標(biāo) 2-b ④1中粉砂固結(jié)快剪指標(biāo)圖2 ④1層中軟層與硬層的固結(jié)快剪試驗(yàn)指標(biāo)參數(shù)Fig.2 Index parameters of consolidated fast shear test for soft or hard layer in ④1 layered structured soil

同理得出其他土層的軟層與硬層水平直剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)如表4所示。當(dāng)抗剪強(qiáng)度區(qū)間樣本數(shù)量分布圖的雙峰形態(tài)不明顯時(shí),軟層和硬層在每級垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)按厚度比進(jìn)行分割。

表4 各互層土中軟/硬層的水平直剪試驗(yàn)指標(biāo)參數(shù)Tab.4 Index parameters of horizontal direct shear test for soft or hard layer in each layered structured soil

3.2 軟層和硬層水平直剪抗剪強(qiáng)度的修正

互層土中的軟層或硬層可視為均質(zhì)土,均質(zhì)土的直剪抗剪強(qiáng)度的修正已有大量的工程經(jīng)驗(yàn)[10-15]。軟層土可根據(jù)其含水率、液性指數(shù)等物理性質(zhì)指標(biāo)判別其軟硬程度,并據(jù)此修正其抗剪強(qiáng)度指標(biāo);硬層土可根據(jù)標(biāo)貫擊數(shù)(可由互層土的標(biāo)貫擊數(shù)按厚度比等參數(shù)估算)判別密實(shí)程度,并據(jù)此修正其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。軟層和硬層修正后的水平直剪試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)如表5所示。

表5 各互層土中軟/硬層修正后的水平直剪試驗(yàn)指標(biāo)Tab.5 Value of revised horizontal direct shear strength index for soft or hard layer in each layered structured soil

3.3 互層土水平與垂直方向直剪抗剪強(qiáng)度的確定

工程實(shí)際中,互層土內(nèi)若存在潛在滑動面,在附加應(yīng)力、滲透力等作用下,一旦發(fā)生順層滑動,滑動面勢必從軟層中穿過,即互層土的水平抗剪強(qiáng)度由軟層的水平方向抗剪強(qiáng)度決定。因此互層土的水平方向抗剪強(qiáng)度指標(biāo)可取軟層的水平抗剪強(qiáng)度指標(biāo),見式(1)和式(2)。

ch=ch1

(1)

φh=φh1

(2)

式中：ch為互層土水平方向黏聚力;ch1為軟層修正后水平方向黏聚力;φh為互層土水平方向內(nèi)摩擦角;φh1為軟層修正后水平方向內(nèi)摩擦角。

假定組成互層土內(nèi)的同一構(gòu)造土層為均質(zhì)土,均質(zhì)土內(nèi)各向同性,互層土潛在滑動面為垂直方向時(shí),如圖3所示,軟層與硬層垂直方向的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)由式(3)～式(6)得出。

圖3 互層土內(nèi)垂直方向潛在滑動面示意圖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為軟層垂直方向黏聚力;cv2為硬層垂直方向黏聚力;ch2為硬層修正后水平方向黏聚力;φv1為軟層垂直方向內(nèi)摩擦角;φv2為硬層垂直方向內(nèi)摩擦角;φh2為硬層修正后水平方向內(nèi)摩擦角。

互層土垂直方向剪切時(shí),水平向壓力相等,需同時(shí)剪切互層土內(nèi)軟層與硬層,一個韻律厚度范圍內(nèi)的互層土垂直向抗剪強(qiáng)度見式(7)與式(8)。

(1+β)τ=(σtgφv1+cv1)+β(σtgφv2+cv2)

(7)

(1+β)τ=σ(tgφv1+βtgφv2)+(cv1+βcv2)

(8)

故單位厚度內(nèi)互層土垂直方向抗剪強(qiáng)度指標(biāo)可按軟層和硬層的垂直方向抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行推算得出,見式(9)和式(10)。

(9)

(10)

式中：cv為互層土垂直方向的黏聚力;φv為互層土垂直方向的內(nèi)摩擦角;β為互層土的厚度比。

按上述方法得出各互層土的水平方向抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與垂直方向的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)如表6所示。

表6 各土層垂直與水平方向直剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)Tab.6 Vertical and horizontal direct shear strength index parameters of each soil layer

由表6可知,與常規(guī)方法相比,新方法更符合工程實(shí)際情況,互層土水平方向抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與軟層的直剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)一致;垂直方向抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與厚度比、標(biāo)貫擊數(shù)等相關(guān)性較好,隨著厚度比的增大,垂直方向內(nèi)摩擦角增大,黏聚力減小。

4 結(jié)論

本文依托蘇北某沿海港口工程對互層土直剪抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行分析和探討,得出如下結(jié)論：

(1)互層土常規(guī)水平方向直剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)離散性大,規(guī)范給出的直剪試驗(yàn)常規(guī)統(tǒng)計(jì)方法對于互層土是不適用的;互層土直剪抗剪強(qiáng)度如何進(jìn)行修正目前缺乏切實(shí)可行的方法;(2)該方法適用于軟/硬相間的互層土,即垂直壓力下抗剪強(qiáng)度區(qū)間樣本數(shù)量分布圖呈雙峰狀態(tài)的互層土,而對于密實(shí)度相差不大的互層土,比如粉土與粉砂互層時(shí)適用性較差。此外,使用該方法時(shí),互層土的直剪抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)應(yīng)大于24件,以便更好獲得軟層和硬層各級垂直壓力下抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)不少于6件;(3)單一水平方向直剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)不能全面表征互層土的抗剪強(qiáng)度性質(zhì),同時(shí)采用水平方向和垂直方向直剪抗剪強(qiáng)度可以全面表征互層土抗剪強(qiáng)度性質(zhì);(4)本文提出了一種新方法,通過將互層土分解為獨(dú)立的軟、硬兩類均質(zhì)土并獲取各自的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),根據(jù)土性特點(diǎn)和均質(zhì)土抗剪強(qiáng)度修正的工程經(jīng)驗(yàn)分別進(jìn)行修正,再推算互層土的水平方向和垂直方向直剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo),從而解決了常規(guī)方法確定互層土直剪抗剪強(qiáng)度存在的問題;(5)同時(shí)采用水平和垂直抗剪強(qiáng)度表征互層土力學(xué)特性在依托的工程實(shí)例中取得了良好效果,可以為進(jìn)一步研究類似工程勘察、地基計(jì)算及互層土力學(xué)特性提供借鑒。