静力触探在土层划分与软土固结历史中的应用研究

中图分类号：TU413 文献标志码：A

1 引言

珠江三角洲地区软土较发育，该地区软土的形成主要受控于沉积环境的变化，即海平面的升降导致海岸线变迁。有关学者报道，珠江三角洲地区经历大规模的海侵两次、海退一次，伴随典型第四纪三角洲沉积地层两套（新、老） 。珠江三角洲地区软土主要受控于东江、西江、北江在珠江口受海浪、潮汐作用淤积而成，厚度约为 10m ，土层为淤泥、淤泥质土、粉砂、细砂等，软土层中孔隙率、孔隙平均直径等随深度增加而减小，土层地基宜受强列震动导致地面震陷、滑移等地质灾害。在该软土地区进行工作建设时，应对软土层进行地基处理[2-5]。研究表明软土层一般具有欠固结特征，珠江三角洲地区软土层普遍具一定程度的欠固结[6-7]，欠固结土层固结时往往会土层的沉降位移大于桩基沉降位移，对桩侧产生负摩阻力，从而弱化庄身的承载能力[8-9]。

软土固结历史的判别主要依赖于先期固结压力 P_c 与目前的固结应力 P_s 的比值，称作超固结比OCR利用超固结比的大小来判别土层的固结情况。 OCR>1 的土为超固结土，OCR=1 的土为正常固结土，OCR<1 的土为欠固结土。先期固结压力 P_c 取决于土层的受力历史，一般根据原状土样的 曲线推求[10]。先期固结压力只能是一种大致估算，原状土样往往并不是“原状”，土样的采集难免出现扰动、释放原始应力，测定的先期固结压力不能代表该土层。原位测试技术能有效避免室内试验土样的扰动、原始应力的释放等问题，更能反映土体实际[11-12]。

本文以珠江三角洲中部顺德区软土体为研究对象，通过对该地区软土体的物理力学数据的统计分析、静力触探曲线特征分析，取得了该地区软土体物理力学、固结历史等特征。

2 研究区软土特征

研究区位于珠江三角洲中部，处于三角洲平原—残丘台地区。通过对珠江三角洲顺德地区 395 个软土土工试验数据的数理统计分析，其物理力学特征主要表现如下：

（1）天然含水率高。淤泥的天然含水量一般为 48.7%～80.8% ，最大可达 84.9% ，平均值为 63.84% ；液限一般为 35.2%～64.6% ，最大可达 68.2% 。淤泥质土的天然含水量多为 35.2%～57.0% ，最大可达59.7% ；液限一般为 29.2%～54.6% 。

（2）孔隙比大。淤泥的天然孔隙比为 1.5～2.5，淤泥质土的天然孔隙比为 1.0～1.6 。淤泥的饱和度 为 90.0%～99.9% ，淤泥质土的饱和度为 82.6%～99.9% 。

（3）高压缩性。淤泥的压缩系数 $＼textbf { ＼alpha } _ { 1 0 0 - 2 0 0 }$ 一般为 0.82～2.21MPa^-1 ，最大可达 2.98MPa^-1 ，属高压缩性土；淤泥的压缩系数 ∝_100-200 为 0.51～1.57MPa^-1 ，属高压缩性土。

（4）垂直渗透性差。淤泥、淤泥质土的渗透系数为 1×10^-7～7×10^-6 ；局部夹粉砂、细砂薄层，砂土含量的增加渗透系数随之增大，渗透系数为 1×10^-5～3×10^-4cm/s

（5）低抗剪强度。依据顺德地区土工试验统计分析可知，研究区天然快剪、固结快剪等力学指标较低，粘聚力（c）分别为 2.1～11.3kPa （快剪）、10.4～16.0kP（固剪），内摩擦角（ ∣ϕ⟩ ）分别为 2.3～10.8^∘ （快剪）、 10.2～13.5^∘ °（固剪）。

（7）结构性强。珠江三角洲地区软土一般具蜂窝状、絮状、片架状（海相沉积）结构，土体的结构性较强，受扰动后具有显著降低其强度的特点，甚至呈流动状态[3]。试验结果表明，研究区软土的灵敏度 St 一般为 3～5。

注： ∗∗/∗∗ ，淤泥/淤泥质土试验数据。

3 土层划分

静力触探试验作为一种高效、经济、便捷的原位测试试验，在我国应用于各工程领域，该原位测试试验主要应用于土层划分、粉土液化判别、估算地基承载力等[13-15]。

珠江三角洲顺德地区选取 7 个钻孔，并在已完成地质钻孔附近（ χ₁～2mχ ）进行双桥静力触探试验，试验数据绘制 q_c-Z 曲线、 R_fZ 曲线可知，研究区土层具有显著特征[16-17]，成果见图 1。基于 q_c-Z 曲线、R_f-Z 曲线和钻孔柱状图对比分析可知。素填土成分不均， q_c-Z 曲线和 R_f-Z 曲线无显著规律；淤泥质土的 q_c-Z 曲线较缓、波动较小， q_c 值一般小于 10kPa， R_f 值变化较大；含砂淤泥质土的 q_c-Z 曲线呈短锯齿状，局部波动幅度较大， q_c 值一般为 10～20kPa ， R_f 值变化较大，为 0～3% ；粉砂的 q_c-Z 曲线呈锯齿状，齿峰较缓，局部波动幅度较大， q_c 值一般为 20～30kPa ， R_f 值变化较大，一般为 2%～5% ；细砂的 q_c-Z 曲线呈齿状，齿峰较陡，波动幅度较大， q_c 值一般为 20～ 50kPa， R_f 值较低，一般为 0～2% ；中砂的 q_c-Z 曲线呈齿状，齿峰陡，波动幅度大， q_c 值一般为 30～130kPa ， R_f 值较低，一般为 0～2% 。

4 软基固结历史特征

4.1 含水量（w）、初始空隙比（e ）变化规律

依据珠江三角洲顺德地区 395 个软土土工试验数据，含水量、初始孔隙比与土层深度的变化规律如图 2 所示。

研究区软土的含水量、初始孔隙比随土层深度的加深无显著变化。已知正常固结土层由于自重应力的增加，w 和 e_o 随土层深度的增加而呈减小的趋势[11]，研究区软土层中未呈现上述规律，说明该地区软土属非正常固结土。

4.2 先期固结压力判断

按照卡萨格兰德经验作图法确定先期固结压力 P_c ，按照计算公式（1）计算 OCR^[10] ：

OCR=P_c/P_s

式中： P_c —先期固结压力；

P_s —有效自重压力。

本次在珠江三角洲顺德区地区选取 17 个钻孔采取土样进行高应力压缩试验，试验成果及计算见OCR 值见标 1

计算结果可知，软土层浅处 （2～9m） ）多为超固结状态（OCR=1.41～3.48），一定程度上反映了软土结构性特点；较深处 2～9m 以下）为欠固结状态 OCR=0.26～0.71 ）。

研究区软土具有易扰动的特点，室内试验因土样扰动、原始应力的释放，难以获得土层真实力学参数[18-19]。结构性的存在使先期固结压力 Pc 值显著增大，结构强度越大的土类，Pc 值越高。浅层软土的前期固结压力受土层结构性影响，不能真实反映软土前期固结压力的大小，其 OCR 不能反映土层的固结状态[11]。

4.3 静力触探成果判别软土固结历史

软土的固结状态除用超固结比OCR 进行判别外， 还可以用静力触探进行判别。依据锥尖阻力与深度曲线 （q_c～Z） 图，用一拟合直线与横轴的相交情况来判断软土的固结情况，与坐标原点近似相交时为正常固结土、与负轴有一截距为欠固结土、与正轴有一截距时为超固结土[20]。

结合佛山市顺德区某工程岩土工程勘察实践，选择该地区有代表性的 7 个测试点为研究对象，绘制锥尖阻力与深度曲线 （q_c～Z） 图。由图 3 可知。研究区 7 个测点中，有 5 个测点拟合直线与横轴（负轴）相交，属欠固结。有 2 个测点拟合直线与坐标原点近似相交，属正常固结。

5 结论

（1）珠江三角洲顺德地区 395 个软土土工试验数据的数理统计分析可知，该地区软土具有天然水量高、孔隙比大、高压缩性、垂直渗透性差、低抗剪强度、结构性强等特征。

（2）研究区地层以填土、淤泥质土、粉砂、细砂、中砂为主。不同的土层具有显著的 q_c-Z 、 R_f-Z 曲线特征， q_c-Z 、 R_f-Z 曲线特征可以用来判定土层信息。

（3）研究区软土的含水量、初始孔隙比随土层深度的加深无规律性变化，该地区软土属非正常固结土。

（4）软土受土层结构性、原始应力释放等影响，先期固结压力计算的 OCR 值，不能确切反映软土的实际固结历史。利用静力触探试验判别软土固结历史能有效避免土样扰动、原始应力释放，结果能反映土体实际固结状态。

参考文献：

[1] 周晖. 珠江三角洲软土分布特征及成因的地质与水文环境分析[J]. 广东土木与建筑，2014，21（7）：36-38，35.

[2] 夏 银 E ， 吴代华， 文建华. 珠江三角洲软土物理力学指标统计分析[J]. 公路交通科技，2008，25（1）：47-50.

[3] 陈晓平，黄国怡，梁志松.珠江三角洲软土特性研究[J]. 岩石力学与工程学报，2003，22（1）：137-141.

[4] 陈嘉鸥，叶斌，郭素杰.珠江三角洲粘性土微结构与工程性质初探[J].岩石力学与工程学报，2000，19（5）：674-678.

[5] 欧秉松，雷土成.闽东南沿海地区淤泥土的地震工程地质特征[J].台湾海峡，2000（02）：125-131.

[6] 曹晓娟. 室内确定地基土前期固结压力的试验方法及试验要点的探讨[J]. 铁道勘察，2007，33（3）：76-77.

[7] 吴福宝，雷美清.欠固结软土路基的设计思考[J].土工基础，2005，19（2）：66-69.

[8]邓有灿，卓丽姿.福州软土固结状态初步分析[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2000（z1）：79-8

[9] 马永刚，孟令福.浅析天津滨海地区浅层软土的前期固结压力[J].港工技术，2011，48（6）：61-65.

[10]李广信，张丙印，于玉贞.土力学[M].北京，清华大学出版社，2013.

[11] 何晖.江珠高速公路深厚软土固结历史特性分析[J].铁道工程学报，2010，27（6）：36-41.

[12] 简文彬， 吴振祥， 童文德， 等. 静力触探判别软土固结历史[J]. 岩石力学与工程学报，2005，24（12）：2166-2169.

[13] 孟 高 头 ， 张 德 波 ， 刘 事 莲 ， 等 . 推 广 孔 压 静 力 触 探 技 术 的 意 义 [J]. 岩 土 工 程 学报，2000，22（3）：314-318.

[14] 刘松玉，吴燕开.论我国静力触探技术（CPT）现状与发展[J].岩土工程学报，2004，26（4）：553-556.

[15] 周剑波，杨子跃，徐鹏.开封地区静力触探土层实用分类方法研究[J].工程勘察，2020，48（9）：35-4

[16] 卢游.双桥静力触探在雄安地区土层划分中的应用研究[J].山西建筑，2023，49（23）：105-107，118.

[17] 王刚，江巍， 陈宗清， 等.双桥静力触探试验在土层划分中的应用研究[J].岩土工程技术，2020，34（6）：365-371.

[18] 张晓伦，黄俊光，陈奇.多桥静力触探在临海深厚层超软土地区工程勘察中的应用与展望[J].广东土木与建筑，2023，30（5）：20-23，68

[19] 居俊， 刘松玉， 刘志彬， 等. 现场软土欠固结程度孔压消散试验评价方法[J]. 岩土力学，2012，33（3）：957-960.

[20] 王桂虎.静力触探判别某高速公路软土路基固结历史[J].山东工业技术，2015（3）：149-149.

作者简介：张敏（1989- ），男，工程师， 主要从事工程地质、水利水电地质勘察工作。E-mail：1218700057@qq.com