基于孔压静力触探（CPTU）及扁铲侧胀试验（DMT）南沙软土力学特性研究

郭全元，钟仕兴，肖 旺

（广东省铁路规划设计研究院有限公司 广州 510600）

0 引言

近年来，在粤港澳大湾区战略发展背景下，大湾区珠江三角洲软土地区的基础设施建设不断推进，沿海地区软土分布广泛，软土厚度较大。软土具有天然孔隙比大、天然含水率大于液限、抗剪强度低、压缩性高、低透水性和高流变性等特点［1-2］。

广州南沙区位于珠江河口与伶仃洋的交汇处，为珠江三角洲冲积平原的前沿地带，在长期的河流和海潮的综合作用下，该地区沉积了深厚的海陆交互相软黏土夹粉细砂层，软土区域的地基承载力低、沉降变形较大，厚度通常为20～40 m，在中等荷载下的地基沉降可达2.0～5.0 m，存在明显的差异沉降，其不良的地质特性在珠江三角洲地区十分突出，一直是工程建设地基处理、基坑支护参数取值的难题之一。为确保工程质量以及积累沿海软土地区施工技术，为此对南沙区软土的分布特征及工程特性展开研究，选择合理可靠的参数对指导地基处理、基坑支护具有重要意义［3-4］。

目前地基处理、基坑工程设计所需的岩土设计参数主要依靠土工试验获得，而土工试验主要分为室内土工试验和原位测试试验两大类，而室内试验所采用试验扰动较大，所得参数与实际场地土体基本参数存在差异，原位测试技术是在场地原位对土体性能进行测试的一种技术，它无需取样，简便快捷，可以在微扰动条件下准确获得原位土体物理、力学性质，能得到土性随深度近似连续变化的曲线，可以在场地中精确反应土体的水平和竖向的变异性，对海底沉积物，深层土、砂土、淤泥等难以获得无法扰动试样的土层，原位测试无需取样，可以准确地获得土体特性信息。

1 广州南沙软土的物理力学性质

在勘察阶段对南沙地区多个样本淤泥和淤泥质软土的物理力学性质进行了统计和分析，得出南沙软土物理力学性能指标统计结果、南沙软土抗剪强度指标统计结果。其中1～10 m 深度范围为淤泥层；10～20 m深度范围为淤泥质土层。南沙地区软土具有以下典型工程特性：

⑴天然含水量高、天然孔隙比大。南沙地区软土的含水量接近或超过液限，饱和度一般大于90%，液限在35%～60%之间，液性指数大于1.0，均属于高含水量软土。淤泥的孔隙比一般大于1.2。

⑵ 压缩性高、抗剪强度低。压缩模量为1.3～5.3 MPa，为高压缩性土，c和φ较小，黏聚力一般小于7 kPa，内摩擦角小于10°。

⑶渗透性低。软土的透水性能弱，并且其渗透系数量级为（1×10-2）～（1×10-3）m∕d，对土体的排水固结很不利。

⑷灵敏度高。具有显著的结构性，土体在扰动后强度剧烈降低，外力干扰停止后，随着时间的增长，软土强度逐渐恢复。触变性是软土具有显著的结构性的表现。

⑸承载力低。南沙地区地基承载力一般为20～100 kPa，统计平均值为60 kPa。这说明南沙的软土地基强度低，须对其进行处理方可达到工程需求。

从以上的分析很明显地看出，南沙软土具有典型的“三高三低”的特点，如果要在这样的软弱地基上进行工程建设，进行软基处理势在必行。

2 南沙地区软土特性研究

如图1～图2 所示，原位测试为可直接或间接测定岩土体工程特性、参数的试验方法。孔压静力触探（CPTU）是在双桥探头的基础上，在探头内部结构中添加了能够观察整个触探过程中孔隙水压力变化（U）的装置，使得该试验技术具有量测土体孔隙水压力的能力。这一功能的实现使得试验结果能更加准确地反映出土层在触探过程中土体特性变化的过程。扁铲侧胀试验（DMT）用静力将扁铲探头贯入土中试验深度，通过施加气压使扁铲侧面的圆形钢膜片挤压土体，并测定使膜片扩张一定量的压力值来判定土的工程性质。扁铲侧胀试验（DMT）适用于饱和软黏土，可用于判定土层类别与状态，确定静止侧压力系数、基床系数、饱和软黏土的不排水杨氏模量［5-8］。

图1 现场原位测试Fig.1 Field in Situ Test

图2 扁铲及静压探头Fig.2 Flat Shovel and Static Pressure Probe

2.1 不排水抗剪强度σ u

土的抗剪强度是指在一定的应力状态下，土体能够抵抗剪切破坏的极限能力，不排水抗剪强度即在不排水的条件因素下土能够抵抗剪切破坏的极限能力。土的抗剪强度是土的重要性质之一，对于工程的设计和施工具有重要的指导意义，实际软基建设过程中发生的各类工程事故，多数是由于对土体的抗剪强度了解不够，导致土体发生剪切破坏而造成。

根据《铁路工程地质原位测试规程：TB 10018—2018》［9］，CPTU 试验和DMT 试验关于软土不排水抗剪强度的计算公式规定如下：

式中：σ′v0为土的有效自重应力（kPa）；KD为水平应力指数；qc为锥尖阻力（kPa）；σv0为土的总自重应力（kPa）；Nk为锥尖圆锥系数，计算公式为Nk=25.81-0.75St-2.25lnIp。

通过孔压静力触探试验CPTU 和扁铲侧胀试验DMT 测得的软土不排水抗剪强度σu随深度变化曲线如图3 所示。通过从变化趋势及数值分析来看，黏性土的不排水抗剪强度σu随深度逐渐增加，且增加速率逐渐加快。在1～10 m深度范围内的淤泥层中，不排水抗剪强度σu随深度增加较慢且强度较弱，最大不排水抗剪强度为23.82 kPa（DMT），说明软土在淤泥层中分布土体性质较为均匀，土体强度变化不大；在10～20 m深度范围内的淤泥质土层中，上覆土压力导致深层土颗粒密实，孔隙比减小，进而导致σu的增大速率逐渐加快，并在18 m深度附近达到最大值77.09 kPa（DMT）。

图3 不排水抗剪强度σ u随深度的变化曲线Fig.3 Variation Curve of Undrained Shear Strength σ u with Depth

从不同原位试验检测结果的一致性来看，采用扁铲侧胀试验DMT 所测得数据普遍要比采用CPTU 试验所测得的数据偏大。在0～10 m 深度范围内（淤泥层），CPTU 和DMT 两种原位试验所得到的原状土不排水抗剪强度σu数值相差不大，检测的一致性相对较好；在10～20 m 深度范围内（淤泥质土层），DMT 试验所测得的原状土不排水抗剪强度随深度的增加速率最快，数值变化最大，而CPTU 试验的检测数据变化相对较小。

通过孔压静力触探试验CPTU 和扁铲侧胀试验DMT 两种试验获得的软土不排水抗剪强度σu的关系如图4 所示，由图4 可知，两者存在较好的相关性，根据线性拟合结果，换算公式为：σuCPTU= 0.582σuDMT+1.402，R2=0.978。

图4 CPTU试验与DMT试验不排水抗剪强度关系Fig.4 Relationship between CPTU Test and DMT Test for Undrained Shear Strength

2.2 变形参数

在工程建设中，关于沉降和变形的计算和监测往往是工程设计和施工过程中的重中之重。压缩模量Es、不排水杨氏模量Eu适用于不同条件下地基沉降和变形的计算。

2.2.1 压缩系数Es

文献［9］规定了不同土类和贯入阻力条件下利用CPTU 试验数据计算土体压缩系数Es的经验方法；公式3 为《岩土工程原位测试》［10］中提出的利用DMT 试验数据换算得到的土体压缩系数Es的计算公式。

式中：RM为换算系数，是ID和KD的函数，在计算过程中取值范围为0.64～3.81；ID为扁铲土类指数；KD为扁铲水平应力指数；均为通过DMT试验数据计算得到的基本参数。

通过CPTU 和DMT 试验数据并结合上述计算方法分别得到了两种试验条件下平均压缩模量随深度的变化曲线，如图5所示。

图5 软土压缩模量Es随深度变化曲线Fig.5 Variation Curve of Soft Soil Compression Modulus Es with depth

通过CPTU 和DMT 试验测得的压缩模量Es 的线性拟合关系曲线如图6所示，由图6结果可知，两者之间的线性关系为EsDMT=2.655EsCPTU-1.182，R2=0.876。

图6 软土压缩模量Es线性关系曲线Fig.6 Es Linear Relation Curve of Soft Soil Compression Modulus

2.2.2 不排水杨氏模量Eu

根据文献［9］可得CPTU 试验和DMT 试验分别通过下列公式计算软土的不排水杨氏模量Eu。

通过对不同点位CPTU 试验和DMT 试验的检测数据得到不同深度处的平均不排水杨氏模量Eu，并绘制出其随深度的变化曲线，如图7所示。

图7 不排水杨氏模量Eu深度变化曲线Fig.7 Undrained Young's Modulus Eu Depth Variation Curve

由图7 可知，Eu具有与变形模量Es相似的变化规律，在淤泥层中随深度的变化幅度较缓，而在淤泥质土层当中变化曲率较快，其中DMT试验检测数据在淤泥层中要小于CPTU 试验检测数据，而在淤泥质土层当中，检测数据则有大于CPTU的趋势。

通过CPTU 和DMT 试验测得的压缩模量Eu的线性拟合关系曲线如图8 所示，由图8 知两者之间的线性关系为EuDMT=1.336EuCPTU-2.790，R2=0.866。

图8 软土不排水杨氏模量Eu线性关系曲线Fig.8 Linear Relation Curve of Undrained Young’s Modulus Eu of Soft Soil

通过CPTU 试验和DMT 试验检测数据换算得到的不排水杨氏模量Eu与压缩模量Es之间的换算关系，通过该换算关系分别如图9、图10 所示，在以后的工程中可以在已知一个变形参数的条件下得到其他参数的具体范围，进而对相应的工程设计和施工提供相应的参考。具体的线性拟合关系为CPTU 试验：Eu=2.674Es+1.584，R2=0.916；DMT 试 验：Eu=1.414Es+0.456，R2=0.945。

图9 Eu与Es线性关系拟合图（CPTU）Fig.9 Fitting Diagram of Linear Relationship between Eu and Es（CPTU）

图10 Eu与Es线性关系拟合图（DMT）Fig.10 Fitting Diagram of Linear Relationship between Eu and Es（DMT）

3 结语

本文首先对南沙地区深厚软土的物理力学性能指标进行了详细的分析，阐述了南沙地区软土的“三高三低”工程特性，利用原位测试技术孔压静力触探试验（CPTU）、扁铲侧胀试验（DMT）测定软土不排水抗剪强度和变形参数，并对比两种原位测试参数的沿深度变化的发展规律。通过统计与回归相结合的方法建立了软土力学性能指标之间的线性拟合关系，得到如下结论：

⑴ 软土的不排水抗剪强度σu在淤泥层随深度的增加速率较慢，最大不排水抗剪强度为23.82 kPa（DMT）；而在淤泥质土层当中随深度的增加速率较快，最大值为77.09 kPa（DMT）。CPTU和DMT的试验检测结果存在一定的线性关系，线性拟合关系为σuCPTU=0.582σuDMT+1.402，R2=0.978。

⑵压缩模量Es在淤泥层中随深度变化不明显，主要集中在0.70～1.90 MPa 之间（CPTU），且CPTU 试验的检测结果略大于DMT试验；而在淤泥质土层当中随深度变化较快，主要分布在1.35～4.13 MPa 之间（CPTU），且CPTU 试验的检测结果要明显小于DMT试验。CPTU 和DMT 试验测得的压缩模量Es的线性拟合关系EsDMT=2.655EsCPTU-1.182，R2=0.876。

⑶不排水杨氏模量Eu随深度的变化趋势与Es相类似，在淤泥层中分布较为集中，为0.95～2.80 MPa，而在淤泥质土层当中分布则较为分散。CPTU 和DMT检测结果之间的线性拟合关系为EuDMT=1.336EuCPTU-2.790，R2=0.866。

⑷CPTU 试验和DMT 试验检测所得的不排水杨氏模量Eu与压缩模量Es线性拟合关系为CPTU 试验：Eu=2.674Es+1.584，R2=0.916；DMT 试 验：Eu=1.414Es+0.456，R2=0.945。