沿海港口工程中互層土直剪抗剪強度指標的探討

戚玉紅,張宏明,劉 攀

(中交第一航務工程勘察設計院有限公司,天津 300222)

互層土是土顆粒在漲落潮、靜水與動水等反復交替的沉積環境下形成的,為三角洲、濱海平原及河漫灘等地區常見的第四紀沉積土層?；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形成細顆粒,豐水季與潮汛大時形成粗顆粒,在上述周期性水動力變化的影響下形成的細、粗顆粒相間交錯的層狀構造土層,具有水平層理、斜交層理等構造特征[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。按國標的規定,層狀構造土按不同厚度比可以分為互層土與夾層土,當薄層與厚層的厚度比大于1/3時,宜定為“互層”,厚度比為1/10～1/3時,宜定為“夾層”[2]。

因沉積環境等因素影響,互層土是沿海港口工程中常見的一種層狀構造土,具有各向異性、不均勻性強等相對復雜的物理、力學性質特征,這些異常性使得地基與基礎的穩定性等驗算所需抗剪強度指標具有不確定性。

國內學者對互層土進行了較多研究[3-4],盧力強等[5]對天津濱海地區黏性土與粉土互層土進行物理力學性質研究,得出互層土力學性質指標在垂直方向的各向異性;李颯等[6]通過現場孔壓靜力觸探CPTU試驗及室內試驗,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,不排水抗剪強度參數是CPTU試驗成果的下限值;曹圣華[1]通過液性指數修正系數解決了濱海相互層土的液性指數與標貫擊數之間的不協調,并獲取互層土適宜的地基承載力;趙居代等[7]通過室內試驗與現場試驗,全面闡述互層土的物理、力學、水理等巖土工程特性;孟令福等[8]對營口地區的互層土進行了抗剪強度試驗研究,得出淤泥質土與粉砂互層土宜選用三軸剪切試驗指標與無側限抗壓強度試驗指標,不宜采用十字板剪切試驗成果;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[10]中提出了各類均質巖土的工程經驗數據范圍,可供工程技術人員參考;張敏江等[11]提出了一種直剪抗剪強度修正公式,克服了直剪試驗存在的部分缺陷,提高了強度指標的準確性;鄧忠信等[12]根據各種工況下直剪試驗方案,提出了土的抗剪強度參數修正的方法;邊加敏[13]研究了低應力下不同上覆土壓力的直剪試驗,采用雙直線擬合的方法對膨脹土直剪抗剪強度指標進行修正;龔曉玲等[14]通過3種不同種類的土進行對比試驗,得到了直剪試驗強度指標的修正系數;高江平等[15]通過工程實例提出了擾動系數與修正系數,能夠反映土體的天然狀態。

沿海港口工程中直剪抗剪強度是地基承載力與岸坡穩定性驗算時常用的力學性質指標,其確定方法目前仍沿用常規的水平方向直剪試驗方法。由于互層土的各向異性,如何確定符合實際工況的直剪強度指標仍然是有待解決的一個難題,故對互層土力學特性的研究具有十分重要的意義。本文在前人研究的基礎上,依托蘇北沿海某港口工程,對淤泥質土-砂互層土直剪抗剪強度指標的確定方法和應用準則進行初步探討。

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例,該項目位于濱海潮間帶,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的層狀構造土,經現場勘察,本項目共有3大層互層土,各土層描述如下：

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

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

④1淤泥質粉質黏土-粉砂互層：褐灰色,淤泥質粉質黏土呈軟塑狀,中塑性,單層厚度約4 cm;粉砂呈密實狀,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行室內試驗,其物理性質指標參數如表1所示。

表1 各土層物理性質指標參數Tab.1 Physical property index parameters of each soil layer

將互層土中主要土層(淤泥質粉質黏土)單獨進行物理性質試驗,各互層土中淤泥質土的物理性質指標詳見表2。

表2 互層土中淤泥質土物理性質指標參數Tab.2 Physical property index parameters of mucky soil in layered structured soil

2 常規方法確定直剪抗剪強度存在的問題

《水運工程地基設計規范》[16]給出了簡化相關法用以確定土的抗剪強度指標統計參數。根據規范得出各互層土直剪試驗強度指標參數如表3所示。

由表3可知,各土層直剪快剪試驗的黏聚力與內摩擦角變異系數均不小于0.30,指標的離散性大,同一指標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律性不強,固結快剪指標同樣存在類似的問題。這是由于互層土直剪試驗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度的離散性。由此可見,規范給出的直剪試驗常規統計方法對于互層土是不適用的。

此外,直剪試驗因其本身固定剪切面和剪切過程中不能控制排水等特點的限制,得到的抗剪強度指標與實際相比是偏大的。對于一般均質土層,直剪抗剪強度指標尚需根據土的性質并結合工程經驗進行修正,而對于互層土直剪抗剪強度指標如何進行修正目前缺乏切實可行的方法。

3 確定直剪抗剪強度的新方法

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

目前對于沿海港口工程,直剪試驗一般還是只進行水平方向的試驗。如何利用水平方向直剪試驗成果來確定互層土水平和垂直方向的抗剪強度指標即是本文討論的問題。

3.1 軟層和硬層水平直剪抗剪強度的確定

因上部兩層互層土樣本較少,以④1淤泥質粉質黏土-粉砂互層的固結快剪試驗為例,根據數理統計原理,各級垂直壓力下抗剪強度的殘余誤差絕對值>3σ(3倍標準差)的試驗數據作為異常值進行剔除,剩余試驗數據作為該壓力下互層土水平方向的直剪試驗數據,該層土在各級垂直壓力下抗剪強度區間樣本數量分布圖如圖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度區間樣本數量分布圖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度在區間分布上均出現2個峰值點,近似兩個正態分布,第一個峰值點抗剪強度較小,峰值點附近為軟層的抗剪強度,第二個峰值點附近為硬層的抗剪強度,抗剪強度在區間分布的低點(兩個峰值之間)左右兩側樣本數量近似相等。

對圖1中獲得的軟層和硬層各級垂直壓力下抗剪強度試驗數據,分別繪制軟層與硬層各級壓力下的抗剪強度與垂直壓力的散點圖,并用最小二乘法確定兩者之間的線性關系,直線交縱軸的截距為黏聚力,直線的傾斜角為內摩擦角。④1淤泥質粉質黏土-粉砂互層土軟層與硬層的固結快剪強度指標如圖2所示。

2-a ④1中淤泥質粉質黏土固結快剪指標 2-b ④1中粉砂固結快剪指標圖2 ④1層中軟層與硬層的固結快剪試驗指標參數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度指標如表4所示。當抗剪強度區間樣本數量分布圖的雙峰形態不明顯時,軟層和硬層在每級垂直壓力下的抗剪強度數據按厚度比進行分割。

表4 各互層土中軟/硬層的水平直剪試驗指標參數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度的修正

互層土中的軟層或硬層可視為均質土,均質土的直剪抗剪強度的修正已有大量的工程經驗[10-15]。軟層土可根據其含水率、液性指數等物理性質指標判別其軟硬程度,并據此修正其抗剪強度指標;硬層土可根據標貫擊數(可由互層土的標貫擊數按厚度比等參數估算)判別密實程度,并據此修正其抗剪強度指標。軟層和硬層修正后的水平直剪試驗強度指標如表5所示。

表5 各互層土中軟/硬層修正后的水平直剪試驗指標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度的確定

工程實際中,互層土內若存在潛在滑動面,在附加應力、滲透力等作用下,一旦發生順層滑動,滑動面勢必從軟層中穿過,即互層土的水平抗剪強度由軟層的水平方向抗剪強度決定。因此互層土的水平方向抗剪強度指標可取軟層的水平抗剪強度指標,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摩擦角;φh1為軟層修正后水平方向內摩擦角。

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

圖3 互層土內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為軟層垂直方向內摩擦角;φv2為硬層垂直方向內摩擦角;φh2為硬層修正后水平方向內摩擦角。

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

(1+β)τ=(σtgφv1+cv1)+β(σtgφv2+cv2)

(7)

(1+β)τ=σ(tgφv1+βtgφv2)+(cv1+βcv2)

(8)

故單位厚度內互層土垂直方向抗剪強度指標可按軟層和硬層的垂直方向抗剪強度指標進行推算得出,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度指標與垂直方向的抗剪強度指標如表6所示。

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

由表6可知,與常規方法相比,新方法更符合工程實際情況,互層土水平方向抗剪強度指標與軟層的直剪抗剪強度指標一致;垂直方向抗剪強度指標與厚度比、標貫擊數等相關性較好,隨著厚度比的增大,垂直方向內摩擦角增大,黏聚力減小。

4 結論

本文依托蘇北某沿海港口工程對互層土直剪抗剪強度試驗指標進行分析和探討,得出如下結論：

(1)互層土常規水平方向直剪抗剪強度指標離散性大,規范給出的直剪試驗常規統計方法對于互層土是不適用的;互層土直剪抗剪強度如何進行修正目前缺乏切實可行的方法;(2)該方法適用于軟/硬相間的互層土,即垂直壓力下抗剪強度區間樣本數量分布圖呈雙峰狀態的互層土,而對于密實度相差不大的互層土,比如粉土與粉砂互層時適用性較差。此外,使用該方法時,互層土的直剪抗剪強度試驗指標應大于24件,以便更好獲得軟層和硬層各級垂直壓力下抗剪強度試驗樣本數據不少于6件;(3)單一水平方向直剪抗剪強度指標不能全面表征互層土的抗剪強度性質,同時采用水平方向和垂直方向直剪抗剪強度可以全面表征互層土抗剪強度性質;(4)本文提出了一種新方法,通過將互層土分解為獨立的軟、硬兩類均質土并獲取各自的抗剪強度指標,根據土性特點和均質土抗剪強度修正的工程經驗分別進行修正,再推算互層土的水平方向和垂直方向直剪抗剪強度指標,從而解決了常規方法確定互層土直剪抗剪強度存在的問題;(5)同時采用水平和垂直抗剪強度表征互層土力學特性在依托的工程實例中取得了良好效果,可以為進一步研究類似工程勘察、地基計算及互層土力學特性提供借鑒。