北京東部地區非飽和粉砂層原位直剪試驗成果分析

張向營 周玉鳳 楊浩軍 馮建洋 程秋實

（1.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101；2.城市軌道交通深基坑巖土工程北京市重點實驗室，北京 100101）

0 引言

北京地區的巖土勘察設計通常忽略砂層黏聚力，對其內摩擦角值一般根據標準貫入試驗結合地區經驗賦值，砂層的剪切強度指標缺乏詳盡的數據支撐。北京地區經驗是基于20 世紀60-70 年代對三環以內砂層的研究得出的，北京三環以外地區鮮有研究。對于大規模開發的北京東部富砂地區，砂層的剪切指標對巖土工程造價影響較大，因此有必要開展相關研究工作。

粉細砂剪切強度指標影響因素的確定，已有不同方向的研究。雷勝友[1]從毛細水提供附加小主應力的角度出發，計算了在不同含水量下潮濕粉細砂土破壞時的大主應力；林鴻州[2]則通過對比非飽和無黏性土“土-水特征曲線”與抗剪強度的關系曲線，發現黏聚力在飽和度為40%～60%時達到峰值，內摩擦角值與飽和度整體呈負相關關系；趙延林等[3]通過直剪試驗，研究了顆粒級配、含水率、參土量等因素對非飽和砂土似黏聚力的影響。

作為獲取巖土體物理力學參數最可靠的試驗方法之一，原位直接剪切試驗目前已經廣泛應用于各類巖土工程項目中，不同的學者針對不同的巖土科學問題，各自開展了原位直剪試驗研究工作。劉伍[4]對北京新近沉積砂卵石地層開展了現場直接剪切試驗，驗證了卵石地層具有顯著的黏聚力數值；趙 兵等[5]通過現場砂卵石大剪試驗及室內直剪試驗，認為成都地區砂卵石的抗剪強度經驗值還有提高空間，李靜榮等[6]對花崗巖殘積土開展了原位剪切試驗研究，得到了類似的研究結論；趙德安等[7]對黃河二級階地洪積碎石土開展了原位直剪試驗，為當地的邊坡支護設計提供了數據支撐；譚海暉等[8]采取了南寧市軌道交通深基坑92 組原狀粉細砂樣，現場試驗得出的抗剪強度低于地區經驗值。

為獲取北京東部地區砂層的剪切強度指標，在北京城市副中心某典型場地進行原位直接剪切試驗，采用最小二乘法擬合得到剪切強度指標，并采取原狀砂樣進行室內直剪試驗，總結了該場地砂土不同試驗尺度下剪切指標的變化規律。

1 研究區概況

1.1 地質概況

基坑整體呈長條狀開挖，基坑平面尺寸為4 m×110 m。根據鉆探資料及室內土工試驗結果，按地層沉積年代、成因類型，基底以上范圍內的土層劃分為人工堆積層、第四紀全新世新近沉積層、第四紀沉積層3 大類。試驗場地0.0～1.1 m 為填土層，1.1～2.4 m 為粉質黏土層，2.4～5.0 m 為粉砂層。原位直剪試驗在粉砂層中進行，試驗深度范圍內無地下水分布（見圖1）。

圖1 原位直剪試驗布置及工程地質剖面示意圖

根據勘察報告，粉砂層褐黃色，標準貫入試驗N值為16～25，中密狀態，含水量為4.5%～10.1%，黏粒含量在1.5%～3.8%，為確保測試結果能夠反映出粉砂地層的固有特性，同時考慮施工條件，最終確定試樣樣底深度為3.00 m，樣高為120 mm。

1.2 試驗布置

如圖1、圖2 所示，試驗儀器由剪切盒、承壓板、垂向及水平向液壓千斤頂、傳感器、位移計（精度0.01 mm）等設備組成。儀器安裝前對傳感器、位移計、應變儀、千斤頂等儀器設備進行了校驗、標定，確保試驗過程中儀器性能穩定，運行正常。

圖2 原位直剪試驗儀器布置圖

為了保證試驗數據的可統計性和可參照性，試樣分為3 個平行試驗組，每組試驗含3 個試樣?；坶_挖至3 m 處，平行于基槽長邊方向等間距布設9 個原位直剪試樣，試樣尺寸為0.31 m（長）×0.31 m（高）×0.12 m（寬），為減少對相鄰試樣的擾動影響，試樣間距大于1 m。試樣制備見圖3。

圖3 試樣制備

1.3 試驗步驟

（1）于試樣頂面均勻緩慢施加豎向荷載，緩慢加載至100 kPa。施加豎向荷載后，記錄下變形值。

（2）于試樣剪切面中心施加切向剪切荷載，用千斤頂均勻地連續分級施加，每級加載10 kPa，待水平變形基本穩定后，記錄下變形值，再加下一級剪切荷載。當剪切變形急劇增長或剪切變形達到試體尺寸的1/10 時，終止試驗。在施加切向剪應力過程中，保持豎向荷載不變。

（3）取試驗土樣做含水率試驗。

（4）將豎向荷載分別設置為200 kPa、300 kPa，進行另外2 級剪切試驗。

2 試驗結果整理

2.1 剪切面破壞形態

砂樣剪切破壞面主要是由于試樣中粗顆粒間膠結物達到剪切強度極限，膠結物發生拉伸、剪切破壞而形成，相比于黏性土、砂卵石層，其剪切破壞面表面形態起伏相對較小[9]。本試驗對試樣分級施壓破壞后，可看到砂土試樣剪切破壞面的基本形態也符合此規律（見圖4）。

圖4 試樣剪切破壞面

2.2 原位剪切試驗成果

根據1#-9#試樣施加的豎向壓力數值及試驗測出的抗剪強度數值，繪制不同豎向壓力下剪應力與剪切位移的關系圖（見圖5）。

圖5 不同豎向壓力下剪應力與剪切位移的關系

由不同豎向壓力下剪應力與剪切位移的關系可知，在本次砂土剪切試驗中，各曲線并未有明顯的剪切荷載峰值強度，因此本次研究選擇將各曲線上的水平位移突變點作為剪切臨界強度，將不同豎向壓力下的剪切應力與剪切位移進行分類統計（見圖5），9 個試樣的原位直剪強度如表1 所示。

表1 不同豎向壓力下剪切臨界強度

依據莫爾-庫侖強度理論，采用最小二乘法對剪切臨界強度和豎向壓力等數據進行擬合處理，計算公式如下：

式中：τ為剪切應力，kPa；σ為豎向應力，kPa；φ為內摩擦角，（°）；c為黏聚力，kPa。

由原位直剪試驗剪應力與豎向壓力擬合曲線得到本場地粉砂層莫爾-庫侖強度公式τ=0.6036σ+9.5，即黏聚力c=9.5 kPa，內摩擦角φ=31.11°（見圖6）。

圖6 原位直剪試驗剪應力與豎向壓力關系曲線

2.3 不同試驗抗剪強度指標對比

為了更好地驗證不同試驗尺度下砂土剪切指標的差異性，在進行原位直剪試驗的同時，使用YXTH50型內環刀取砂器（見圖7）在該層粉砂中采取了8 組原狀砂樣（見圖8）進行室內直接快剪試驗，試驗采用AZJ-4 型全自動四聯直剪儀進行快剪。為消除剪力儀的系統誤差，所有試樣均在同一臺剪力儀上進行。

圖7 YXTH50 型內環刀取砂器

圖8 原狀砂樣采取

將該粉砂層剪切強度指標地區經驗值、室內剪切試驗指標與原位剪切試驗指標進行對比，其結果如表2 所示。

表2 不同試驗剪切強度指標對比表

由表2 可知，研究區粉砂層原位直剪試驗所得內摩擦角最高，相比于地區經驗值和室內直接快剪試驗指標分別提高了11.11%～24.4%、3.01%～17.40%；在傳統經驗中，一般黏聚力直接賦 “0”值，但原位直剪試驗和室內直接快剪試驗均測出了非零黏聚力，且原位試驗值（9.5 kPa）高于室內試驗指標（4.8～7.5 kPa）。

2.4 試驗結果分析

關于砂土產生黏聚力的原因，有研究認為黏聚力與黏粒含量、干密度、含水率等物理參數相關，并通過公式擬合了黏聚力與上述參數的相關性[10-11]。從微觀角度，黏聚力與組成顆粒之間的各種物理化學力有關，如雙電層排斥力、范德華力、庫侖力等。

現場剪切試驗與室內剪切試驗結果產生差值的原因，主要可以歸結于試樣結構性擾動和尺寸效應。室內試驗的樣品在鉆探→取樣→包裝→運輸→保管→制樣→試驗的過程中，試樣結構會受到擾動，一定程度上造成了強度的降低；另外，室內試樣尺寸較小，一定程度上影響了試驗結果。

3 結論

（1）研究區粉砂層在含水量為4.5%～10.1%、黏粒含量為1.5%～3.8%的情況下，現場原位剪切試驗獲得內摩擦角為31.11°，黏聚力為9.5 kPa，均高于傳統地區經驗值和室內直接快剪試驗指標。

（2）在北京富砂地區開展勘察工作時，可進行一定數量的砂層原位直剪試驗，以試驗數據做支撐開展設計工作，節約工程造價，推動綠色建造。

（3）本文研究對象為非飽和粉砂層，研究結果也僅代表非飽和粉砂層，細砂、中砂、粗砂等地層還有待進一步研究。