Shear Strength Characteristics of Soft Soil in Nansha District of Guangzhou

WANG Wei-qi; LIAN Chang-jiang; LI Jian-ping; CHEN Zhi-yong; CHENG Dong-hai; CAI Wei-long; TANG Kai; LI Chao

doi:10.11988/ckyyb.20250248

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2025 , Vol. 42 >Issue 7: 214 - 222

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20250248

The 31st National Academic Symposium on Geotechnical Testing

Shear Strength Characteristics of Soft Soil in Nansha District of Guangzhou

WANG Wei-qi ^,¹ ,
LIAN Chang-jiang ¹ ,
LI Jian-ping ¹ ,
CHEN Zhi-yong ¹ ,
CHENG Dong-hai ¹ ,
CAI Wei-long ¹ ,
TANG Kai ² ,
LI Chao ¹

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¹ Guangdong Zhonggong Architectural Design Institute Co., Ltd., Guangzhou 510670, China
² Fuli Construction Group Co., Ltd., Guangzhou 510335, China

Received date: 2025-03-27

Revised date: 2025-05-24

Online published: 2025-07-11

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Abstract

[Objective] Shear strength serves as a key parameter in soft soil engineering, and accurately obtaining shear strength can greatly optimize project design and enhance construction safety. To investigate the shear strength characteristics of soft soils in the Nansha District of Guangzhou, geotechnical investigation data are collected from dozens of on-site survey projects. The data include both linear projects like rail transit systems and planar projects such as civil construction sites. [Methods] The collected data were statistically analyzed according to burial depths of 0-10, 10-20, and 20-30 m to obtain the quick shear strength parameters of silt and silty soil. Linear regression was performed on in-situ vane shear test results to determine the consolidated quick shear strength parameters. Triaxial compression tests were conducted on local soft soils to obtain consolidated undrained and consolidated drained strength parameters. The undrained shear strength was obtained through unconfined compressive strength tests and vane shear tests. Correlation analysis was conducted between the quick shear and consolidated quick shear strength parameters from direct shear tests. Additionally, comparative analysis was performed on the unconsolidated undrained, consolidated undrained, and consolidated drained shear strength from triaxial compression tests. Sensitivity analysis was applied to the unconfined compressive strength and vane shear test results to estimate the shear strength of remolded soil. [Results] (1) The thickness of soft soil in the study area mainly ranged from 5 to 25 m, with coastal regions in the southwestern part of Nansha District exhibiting thicknesses exceeding 45 m. (2) The quick shear strength parameters of the local soft soil were determined as follows. For silt at 0-10 m depth, the cohesion c_q and internal friction angle φ_q were measured at 6.40 kPa and 4.10°, respectively, while those at 10-20 m depth were 8.50 kPa and 6.10°. For silty soil, the corresponding values were found to be 7.60 kPa and 5.10° at 0-10 m depth, and 8.60 kPa and 6.30° at 10-20 m depth. (3) The consolidated quick shear strength c_cq of soft soil at 0-10 m depth ranged from 11.06 to 11.98 kPa, with an internal friction angle φ_cq varying between 2.40° and 3.11°. At 10-20 m depth, c_cq exhibited a range of 5.56-13.70 kPa, while φ_cq ranged from 1.25°-4.76°. (4) In triaxial tests, the consolidated drained shear strength parameters (c', φ') of soft soil were determined as 13.75 kPa and 14.76°, respectively, while the consolidated undrained strengths (c_cu, φ_cu) were 13.13 kPa and 11.50°, respectively. (5) The undrained shear strength of undisturbed soil obtained from vane shear tests and unconfined compression tests was 14.84 kPa and 15.83 kPa, respectively, indicating close agreement between the two methods. The undrained shear strength of remolded soil obtained from vane shear tests and unconfined compression tests was 4.99 kPa and 7.63 kPa, respectively. The vane shear strength of remolded soil was much lower than that from unconfined compression tests. The strength of remolded soil was approximately 1/3 to 1/2 of the strength of undisturbed soil. (6) The cohesion of soft soil under consolidated quick shear conditions increased by over 45% compared to that under unconsolidated quick shear conditions. The internal friction angle in the consolidated quick shear showed a decreasing trend compared to the unconsolidated quick shear, with most values declining by 20%-40%. Notably, at the same burial depths, the quick shear strength and consolidated quick shear strength of silty soil were greater than those of silt. (7) The cohesion values derived from triaxial unconsolidated undrained, consolidated undrained, and consolidated drained shear tests showed strong consistency. Based on the consolidated undrained shear strength, the internal friction angle of consolidated drained shear increased by approximately 30%. (8) Unconfined compression tests revealed that the sensitivity of soft soil mainly ranged from 1.4 to 3.0, while vane shear tests indicated a sensitivity range mainly from 2.0 to 4.2. Both sets of data indicate medium sensitivity. Sensitivity increased with depth initially, but began to decrease beyond a certain depth. [Conclusion] These findings provide valuable insights for soft soil engineering in the region and offer practical references for geotechnical investigation, design, and construction. Certain anomalies and unconventional patterns are observed in the dataset, including the opposite variation trends in the consolidated quick shear strength of both silt and silty soil with increasing depth, as well as the difference in the rate of strength change for silt at depths of 10 m≤h<20 m under consolidated quick shear compared to direct shear conditions. Future research should focus on collecting additional soft soil test samples to obtain more definitive conclusions.

Key words： soft soil; shear strength characteristics; in-situ vane shear test; triaxial compression test; unconfined compression test; sensitivity

Cite this article

WANG Wei-qi , LIAN Chang-jiang , LI Jian-ping , CHEN Zhi-yong , CHENG Dong-hai , CAI Wei-long , TANG Kai , LI Chao . Shear Strength Characteristics of Soft Soil in Nansha District of Guangzhou[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025 , 42(7) : 214 -222 . DOI: 10.11988/ckyyb.20250248

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0 引言

国内河流冲积三角洲、沿海地区广泛分布软土。软土因均匀性差、固结弱、渗透性低、有机质含量高等特性一直是工程建设关注的重点。

国内外学者对软土工程特性进行大量研究^[1-5]。苟富刚等^[6]统计了186组连云港地区软土无侧限抗压强度试验,把软土应力-应变曲线分为3个类型。田琦等^[7]得出福建沿海原状软土固结快剪强度随深度先增大后减小的结论。莫品强等^[8]建立了孔压静力触探试验与基于十字板剪切试验获取的不排水抗剪强度之间的关系。

有较多学者对珠三角地区软土进行了研究。陈富强等^[9]以珠海某项目的十字板剪切试验获取了软土内摩擦角相对稳定可靠,但黏聚力偏大等结论。张岩等^[10]得出在相同固结压力下原状土样强度低于重塑土样强度。

亦有学者对广州市南沙地区软土进行了分析研究。蔡子勇等^[11]发现南沙软土物理指标比力学指标稳定性好的结论。姜燕等^[12]得出南沙软土的压缩模量、直接快剪黏聚力随含水量的增加呈较一致的变化趋势。刘伟等^[13]指出了厚度>40 m的软土主要集中在万顷沙镇十七涌以南的地区。

以上研究多针对软土某单一的抗剪强度类型,但工程建设因工序、场地工程地质和水文地质条件需采用不同的软土抗剪强度指标,因此有必要系统研究总结软土物理指标的抗剪强度规律。

本文基于室内土工试验、现场十字板剪切试验,对南沙地区软土的固结快剪强度、固结不排水抗剪强度、固结排水抗剪强度等试验数据采用线性回归、对比分析等数学方法进行统计、分析,探讨了软土抗剪强度指标和灵敏度随深度变化的特征,量化了抗剪强度指标,以期为该地区的项目建设提供参考。

1 地质条件

1.1 区域地质构造

广州市被北东向的广从断裂和东西向的瘦狗岭断裂分成4个构造区:增城凸起、广花凹陷、广州-东莞盆地、三水断陷盆地。南沙区位于广州-东莞盆地。

1.2 水文地质与工程地质

广州全新世以来历经2次大规模海侵和1次大规模海退^[14-15]。南沙区位于珠江出海口,水系发育,内有各种河涌,有着软土发育的有利条件。

南沙地区地面标高一般在4~8 m,地势较平坦。地层通常由填土层、第四系地层和基岩组成。基岩有花岗类岩、红层岩。第四系中海陆交互相、河湖相沉积的软土水平向分布连续,垂直向埋深较大。

本地区典型地质剖面见图1,数据来源于图2中编号为7的项目。从深度上来说,南沙地区分布2层软土,因此有必要结合深度分析软土抗剪强度性质。结合广州市地质调查院(2009年8月)的南沙片区软土地基沉降地质灾害分布及软土等高线图,绘制本地区软土厚度分区,见图2。图2编号1—10所代表项目情况具体见表1。由图2可知,本地区软土厚度多为5~25 m,临海的南沙西南端软土厚度甚至>45 m。

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图1 南沙地层典型地质剖面

Fig.1 Typical geological profile of strata in Nansha

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图2 南沙软土厚度分区及项目示意图

Fig.2 Zoning of soft soil thickness and locations of projects in Nansha

表1 试验样本来源概况

Table 1 Overview of test sample sources

编号	代表项目	样本数/个	占比/%
1	广州市轨道交通三号线东延线	581	44
2	亭角复建区	44	3
3	亭角融资区	14	1
4	亭角项目一期	94	7
5	亭角项目二期	25	2
6	亭角项目三期	45	3
7	广州市轨道交通4号线南延线	420	32
8	上交思源科教项目	22	2
9	广州南沙科创中心生命健康产业园	53	4
10	华农南沙渔业高科技园	30	2

2 本地区软土常规物理力学特征

搜集了南沙地区约10个项目的1 328个软土土样试验成果,对软土的抗剪强度指标进行统计、分析和总结。需说明的是:①南沙区北、中、南端均有代表性样本;②土样埋深多位于25 m以内,符合南沙地区绝大部分软土空间分布特征;③既有轨道交通线状项目,又有民建面状工程,尽可能地保持样本关联性;④搜集的数据还囊括了和南沙区一江之隔的番禺区某场地资料,该场地距离南沙约3 km,和南沙区位于同一地质单元,工程地质、水文地质和南沙区类似。

按照孔隙比e、含水量w和液限w_L的关系,软土可划分为淤泥、淤泥质土。表2中的基本物理力学指标是根据淤泥、淤泥质土分类统计的。参考平均值,软土含水量w随埋深h变化不大,孔隙比e与埋深h大致呈负相关关系。淤泥质土的天然密度ρ要大于淤泥,两者密度ρ均与埋深h关系不大。快剪强度的黏聚力c_q、内摩擦角φ_q随着深度h增大而增大,大致随着孔隙比e减小而增大。同一埋深下淤泥质土的c_q、φ_q要稍微大于淤泥的试验值。

表2 软土室内土工试验基本物理力学指标统计

Table 2 Statistics of basic physical and mechanical properties of soft soil from laboratory geotechnical tests

土名	深度/m	含水量w						密度ρ
土名	深度/m	统计个数	范围/ %	平均值/ %	标准差/ %	变异系数	标准值/%	统计个数	范围/ (g·cm^-3)	平均值/ (g·cm^-3)	标准差/ (g·cm^-3)	变异系数	标准值/ (g·cm^-3)
淤泥	0<h<10	581	46.7~ 107.0	64.6	8.65	0.13	—	581	1.39~ 1.70	1.57	0.05	0.03	—
	10≤h<20	238	50.4~ 90.9	64.6	8.33	0.13	—	238	1.44~ 1.69	1.57	0.05	0.03	—
	20≤h<30	84	48.4~ 77.3	61.0	5.75	0.09	—	84	1.47~ 1.71	1.59	0.05	0.03	—
淤泥质土	0<h<10	226	34.5~ 55.6	47.3	5.19	0.11	—	226	1.58~ 1.85	1.70	0.05	0.03	—
	10≤h<20	144	31.7~ 55.6	46.6	5.10	0.11	—	144	1.58~ 1.84	1.71	0.05	0.03	—
	20≤h<30	55	36.4~ 54.2	48.5	3.98	0.08	—	55	1.61~ 1.82	1.69	0.04	0.02	—
土名	深度/m	孔隙比e						快剪黏聚力c_q
土名	深度/m	统计个数	范围	平均值	标准差	变异系数	标准值	统计个数	范围/ kPa	平均值/ kPa	标准差/ kPa	变异系数	标准值/kPa
淤泥	0<h<10	581	1.501~ 2.934	1.821	0.231 5	0.13	1.804	257	2.5~ 12.0	6.7	2.16	0.32	6.4
	10≤h<20	234	1.501~ 2.395	1.817	0.216	0.12	1.792	97	4.0~ 15.5	9.0	2.64	0.29	8.5
	20≤h<30	84	1.500~ 2.147	1.723	0.164	0.09	1.692	32	6.1~ 19.2	10.7	3.42	0.32	9.6
淤泥质土	0<h<10	226	1.000~ 1.499	1.325	0.129	0.10	1.310	90	3.4~ 14.1	8.1	2.85	0.35	7.6
	10≤h<20	144	1.016~ 1.499	1.308	0.125	0.10	1.290	55	4.1~ 16.2	9.3	3.16	0.34	8.6
	20≤h<30	55	1.039~ 1.489	1.356	0.100	0.07	1.333	18	3.2~ 20.0	11.3	3.75	0.33	9.7
土名	深度/m	快剪内摩擦角φ_q						有机质含量
土名	深度/m	统计个数	范围/ (°)	平均值/ (°)	标准差/ (°)	变异系数	标准值/(°)	统计个数	范围/ (g·kg^-1)	平均值/ (g·kg^-1)	标准差/ (g·kg^-1)	变异系数	标准值/ (g·kg^-1)
淤泥	0<h<10	257	1.6~ 7.4	4.2	1.40	0.33	4.1	189	3.9~ 97.8	47.6	20.2	0.42	—
	10≤h<20	97	2.0~ 11.6	6.5	2.18	0.34	6.1	39	8.0~ 125.0	44.6	26.57	0.60	—
	20≤h<30	32	3.1~ 9.8	7.5	1.77	0.24	6.9	17	24.0~ 97.6	46.0	23.0	0.50	—
淤泥质土	0<h<10	90	2.1~ 9.4	5.4	1.88	0.35	5.1	57	5.5~ 60.3	32.8	14.4	0.44	—
	10≤h<20	55	2.3~ 12.5	6.9	2.43	0.35	6.3	21	6.0~ 53.6	28.4	13.58	0.48	—
	20≤h<30	18	5.4~ 11.7	8.2	1.92	0.24	7.4	16	22.8~ 50.7	36.1	8.95	0.26	—

软土埋深>20 m的样本数据较少,如淤泥、淤泥质土仅为84个、55个,分别占各自样本数的9.3%、12.9%。结合图2中厚度>20 m的软土主要位于南沙西南角的结论,为确保研究结果具有普适性,后文所涉及软土埋深主要为地表20 m内。

3 抗剪强度指标分析

3.1 固结快剪强度

如前文所述南沙地势平坦,据《高层建筑岩土工程勘察标准》(JGJ/T 72—2017)^[16],以十字板剪切试验的原状土不固结不排水抗剪强度τ_f值为横坐标,有效自重应力σ'为纵坐标,按线性回归方法近似求取软土固结快剪黏聚力c_cq、内摩擦角φ_cq。基于上述原理,分别求得同一埋深h下不同样本τ_f、σ'的平均值,可得不同埋深h下的(τ_f、σ'),再在τ_f-σ'平面坐标系进行线性回归。

淤泥、淤泥质土分别按埋深0~10、10~20 m统计,据

τ = σ' t a n φ + c

线性回归如图3所示。式中τ表示剪应力。

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图3 固结快剪τ_f-σ'线性回归拟合曲线

Fig.3 Linear regression fitting curve for τ_f-σ' of consolidated quick shear tests

由图3(a)可得出,淤泥埋深在0~10 m、10~20 m的经验回归方程分别为式(1)、式(2)。

(1)

τ = 0.041 95 σ' + 11.98,

(2)

τ = 0.083 34 σ' + 5.56 。

由图3(b)可得出,淤泥质土埋深在0~10、10~20 m的经验回归方程分别为式(3)、式(4)。

(3)

τ = 0.054 32 σ' + 11.06,

(4)

τ = 0.021 80 σ' + 13.70 。

式(1)—式(4)决定系数R²分别为0.678 3、0.704 5、0.678 0、0.698 7,吻合度较好。

据式(1),淤泥埋深0~10 m:φ_cq1=2.40°,c_cq1=11.98 kPa。

同理,由式(2)—式(4)得如下结果:

①淤泥埋深10~20 m:φ_cq2=4.76°,c_cq2=5.56 kPa。

②淤泥质土埋深0~10 m:φ_cq3=3.11°,c_cq3=11.06 kPa。

③淤泥质土埋深10~20 m:φ_cq4=1.25°,c_cq4=13.70 kPa。

其中(c_cq1、φ_cq1)、(c_cq2、φ_cq2)、(c_cq3、φ_cq3)、(c_cq4、φ_cq4)分别代表埋深0~10 m淤泥、埋深10~20 m淤泥、埋深0~10 m淤泥质土、埋深10~20 m淤泥质土的固结快剪抗剪强度。

随着埋深h增加,淤泥的内摩擦角φ_cq、黏聚力c_cq分别增大、减小,而淤泥质土的内摩擦角φ_cq、黏聚力c_cq分别减小、增大。常规而言,同一深度淤泥质土的剪切指标要比淤泥相应值大,但埋深10~20 m的淤泥φ_cq值比淤泥质土大。分析这一现象,发现埋深10~20 m淤泥质土样本数值的离散性较大,可能是成分不均匀所致,如淤泥质土各样本含砂量差异大。

本小节可得:地表浅部埋深0~10 m软土的固结快剪强度指标c_cq取值为11.06~11.98 kPa、φ_cq取值为2.40~3.11°。埋深10~20 m软土的固结快剪强度指标c_cq取值为5.56~13.70 kPa、φ_cq取值为1.25~4.76°。

3.2 固结不排水剪、固结排水剪强度

软土根据现场施工工艺、场地等条件采用不同抗剪强度指标。如在软黏土地基上分期填方,下层土固结后上层快速施工时,下层土采用三轴固结不排水抗剪强度。当建筑物施工速度较慢,而排水条件良好时,可采用固结排水抗剪强度。

以σ₁、σ₁'分别代表大主应力、有效大主应力,σ₃、σ₃'分别代表小主应力、有效小主应力。三轴固结不排水剪试验以主应力差(σ₁-σ₃)峰点值为破坏点,无峰点值时破坏点取应变ε=15%相应的(σ₁-σ₃)。三轴固结排水剪试验以有效主应力比(σ₁'/σ₃')峰点值作为破坏点,如无峰点值时破坏点取应变ε=15%相应的(σ₁'/σ₃')。绘制不同围压破坏应力圆,作抗剪强度包线。

因样本较多,选取与大部分样本三轴压缩试验曲线趋势类似的典型试样,绘制三轴固结不排水剪试验、三轴固结排水剪试验曲线,见图4;然后用莫尔圆法求解抗剪强度指标,见图5。图上实线、虚线分别代表固结不排水剪试验、固结排水剪试验。

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图4 三轴固结不排水(排水)剪试验

Fig.4 Curves of principal stress difference and principal strain obtained from triaxial consolidated undrained (drained) test

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图5 莫尔圆求解抗剪强度指标

注:c_cu、c'分别表示固结不排水(排水)黏聚力;φ_cu、φ'分别表示固结不排水(排水)内摩擦角。

Fig.5 Shear strength parameters determined from Mohr’s circle

图4可得本地区软土三轴试验规律:随着围压σ₃不断增大,固结不排水剪试验土样破坏时的主应力差(σ₁-σ₃)越来越大,固结排水剪试验土样破坏时的有效主应力比(σ₁'/σ₃')越来越小。

本次搜集的固结不排水剪试验、固结排水剪试验样本相对少,为便于对比,三轴压缩试验不再区分软土类型、埋深,统计如表3所示。表3中强度指标大小呈如下趋势:固结排水强度指标>固结不排水强度指标。软土固结排水之后,密度变大。这种趋势符合黏性土“密度-有效应力-抗剪强度”的唯一性关系^[16]。

表3 三轴压缩试验数据汇总表

Table 3 Statistics of triaxial compression test data

试验类型	样本数/个	黏聚力					内摩擦角
试验类型	样本数/个	最大值/ kPa	最小值/ kPa	平均值/ kPa	标准值/ kPa	变异系数	最大值/ (°)	最小值/ (°)	平均值/ (°)	标准值/ (°)	变异系数
三轴固结不排水	10	16.50	11.80	13.96	13.13	0.10	24.50	9.27	14.30	11.50	0.33
三轴固结排水	10	29.70	10.86	17.03	13.75	0.33	24.20	11.49	17.10	14.76	0.23

本节得南沙地区软土固结不排水抗剪强度黏聚力c_cu、内摩擦角φ_cu分别取值13.13 kPa、11.50°;固结排水抗剪强度黏聚力c'、内摩擦角φ'分别取值13.75 kPa、14.76°,增加幅度分别为4.7%、28%。软土固结排水后,内摩擦角相对黏聚力的数值增加幅度更大。

3.3 不固结不排水抗剪强度

3.3.1 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度试验求得的q_u(q_u'),按式(5)得不固结不排水抗剪强度

τ f (τ r)

^[17]。试验曲线见图6。

(5)

τ f = q u 2 。

式中:q_u、q_u'分别代表原状试样、重塑试样的无侧限抗压强度。τ_f、τ_r分别代表十字板剪切试验原状土、重塑土的不固结不排水抗剪强度。

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图6 无侧限抗压强度试验曲线

Fig.6 Curves of unconfined compressive strength tests

3.3.2 十字板剪切试验

采用电测式十字板剪切试验,在软土中按照1 m的埋深间距测得原状土、重塑土抗剪强度指标,如图7所示。

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图7 十字板剪切试验曲线

Fig.7 Schematic diagram of vane shear test

3.3.3 强度指标分析

对无侧限抗压强度试验、十字板剪切试验得到的不固结不排水抗剪强度指标进行统计,如表4如示。

表4 软土的不固结不排水抗剪强度指标统计

Table 4 Statistics of unconsolidated undrained shear strengths of soft soil

参数	原状土τ_f/kPa		重塑土τ_r/kPa
参数	无侧限抗压强度试验	十字板剪切试验	无侧限抗压强度试验	十字板剪切试验
最大值	27.85	22.50	13.65	9.60
最小值	5.85	7.40	3.15	2.20
平均值	16.57	15.07	8.00	5.10
标准值	15.83	14.84	7.63	4.99
变异系数	0.31	0.13	0.32	0.18
有效样本数/个	140	208	140	208

由图4可知,无侧限抗压强度试验数据变异系数稍大,数据相对不稳定。

对于原状土,理论上十字板剪切试验测得指标应比无侧限抗压强度试验指标大,但表4中2种方法得到的平均值、标准值数值非常接近。分析认为无侧限抗压强度试验可能受取样扰动、土样留置时间过长、样盒运输受到外力等因素影响所致。

对于重塑土,十字板剪切试验强度指标约为无侧限抗压强度试验的65%。

由表4可得,南沙地区软土原状土不固结不排水抗剪强度指标标准值约为14.84~15.83 kPa,重塑土不固结不排水抗剪强度指标标准值约为4.99~7.63 kPa。本地区软土重塑土抗剪强度指标标准值降低为原状土的1/3~1/2。该结论可用于软土经过挖掘、填筑后等场地安全控制以及确定软土稳定性以指导土方开挖。

4 强度指标相关性分析

把前文软土抗剪强度标准值进行汇总,以期发现变化规律。表5为软土不同埋深下的快剪、固结快剪强度指标标准值及相应的变化幅度。

表5 直接剪切试验强度指标标准值及变化率

Table 5 Standard values and variation rates of direct shear test strengths

土名	埋深/m	快剪标准值		固结快剪标准值		变化率
土名	埋深/m	c_q/ kPa	φ_q/ (°)	c_cq/ kPa	φ_cq/ (°)	c/ %	φ/ %
淤泥	0<h<10	6.40	4.10	11.98	2.40	87	-41
淤泥	10≤h<20	8.50	6.10	5.56	4.76	-35	-22
淤泥质土	0<h<10	7.60	5.10	11.06	3.11	46	-39
淤泥质土	10≤h<20	8.60	6.30	13.70	1.25	59	-80

表5中有一异常:10 m≤h<20 m淤泥的固结快剪黏聚力相比快剪值变小,且内摩擦角的减小率相对其它3类要小很多。因此,研究埋深10~20 m的淤泥的直剪强度指标是下一步工作的重点。另外,某一深度范围的同一软土,固结快剪指标相对快剪指标,黏聚力有所增加,内摩擦角下降。

软土三轴压缩试验强度指标统计数据见表6。表6中不固结不排水(无侧限)、不固结不排水(十字板)指标分别为基于前文软土无侧限抗压强度试验、十字板剪切试验换算而来。

表6 三轴压缩试验强度指标统计

Table 6 Statistics of triaxial compression test strengths

类型	黏聚力/kPa	内摩擦角/(°)
不固结不排水(无侧限)	15.83	—
不固结不排水(十字板)	14.84	—
三轴固结不排水	13.13	11.50
三轴固结排水	13.75	14.76

不固结不排水、固结不排水和固结排水,三者抗剪强度指标的黏聚力数值非常接近。固结排水抗剪强度指标的内摩擦角相对于固结不排水抗剪强度指标提高约30%。

5 灵敏度分析

灵敏性软土极易被扰动,承载力较低。因此,在相应工程设计、施工中必须对灵敏性软土高度重视^[18]。

5.1 无侧限抗压强度试验

对南沙地区同一场地的淤泥、淤泥质土取不同深度样进行无侧限抗压强度试验,得到轴向应力-轴向应变关系曲线,如图8所示。

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图8 轴向应力与轴向应变关系曲线

Fig.8 Relationship curves between axial stress and axial strain

由图8可知,淤泥原状土、重塑土强度指标随着深度增加均变大,但淤泥质土重塑强度指标随着深度增加变小。这可能是个别样代表性问题。为避免单个样代表性问题,基于深度对153个埋深位于20 m内的试验数据进行了统计;为说明规律,还列举了6个埋深位于2~27 m的样本,如表7所示。

表7 灵敏度-埋深统计

Table 7 Sensitivity-burial depth statistics

深度/m	灵敏度S_t	平均值	样本数量/个
2≤h<5	1.10~3.82	1.92	50
5≤h<10	1.26~4.72	2.25	80
10≤h<15	1.07~4.60	2.46	20
15≤h<20	1.77~2.54	2.13	3
20≤h<27	1.50~3.20	2.00	6

据表7,灵敏度S_t范围值为1.07~4.72,平均值为2.16。对同一埋深的软土取平均值为代表值,绘制表7中样本深度-灵敏度曲线,如图9所示。

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图9 无侧限抗压强度试验灵敏度-深度关系

Fig.9 Sensitivity-burial depth relationship in unconfined compressive strength tests

图9(a)为表7中159个样本的灵敏度与深度相关的散点图,灵敏度多为1.4~3.0,少数小于1或大于4。据《土力学》(第3版)^[17],灵敏度等级主要表现为中灵敏度,少数为高灵敏。

图9(b)2 m≤h<8 m、8 m≤h<18 m、18 m≤h<25 m的灵敏度分别在S_t=1.60、S_t=2.50、S_t=1.80上下浮动。

按表7、图9,地表浅部(约18 m埋深)的灵敏度随深度变大而增大;而后深度增加,灵敏度变小。分析原因是地表土体受人类活动影响较多,浅部局部软土处于正常固结-超固结状态。

5.2 十字板剪切试验

十字板剪切试验得到原状土不固结不排水抗剪强度τ_f、重塑土不固结不排水抗剪强度τ_r,按式(6)求得土的灵敏度。

(6)

S t = τ f τ r 。

求得一系列不同埋深下软土的灵敏度,绘制灵敏度和埋深关系图,如图10所示。

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图10 十字板剪切试验灵敏度-深度关系

Fig.10 Sensitivity-burial depth relationship in vane shear tests

图10(a)为软土208个有效样本在不同埋深下的灵敏度散点图,可知灵敏度在2.0~4.2之间,表现为中灵敏度~高灵敏,主要为中灵敏度。地表浅部的软土灵敏度总体上要大于深部。

对同一埋深的软土灵敏度取平均值,绘制成灵敏度随深度变化关系的曲线,如图10(b)所示。灵敏度S_t在埋深2~12 m时基本在3.0左右,而后在埋深12~18 m降为2.8。说明灵敏度随埋深增大而减小,意味着灵敏度的等级随着深度不断降低。

5.3 可靠性分析

无侧限抗压强度试验、十字板剪切试验强度指标均主要表现为中灵敏度,且灵敏度数值相差不大。两者相互佐证的结果说明搜集的无侧限抗压强度试验、十字板剪切试验成果可靠性高,能满足本文数据分析要求。两者数值上的较小差异主要和软土试验过程重塑方式、应力状态和取样扰动相关^[19]。

6 结论

(1)本地区软土快剪强度指标(c_q、φ_q)标如下:0~10 m淤泥为6.40 kPa、4.10°,10~20 m淤泥为8.50 kPa、6.10°;0~10 m淤泥质土为7.60 kPa、5.10°,10~20 m淤泥质土为8.60 kPa、6.30°。同一深度范围,淤泥质土的快剪强度指标要大于淤泥的。

(2)本地区0~10 m、10~20 m软土的固结快剪强度黏聚力c_cq取值分别为11.06~11.98 kPa、5.56~13.70 kPa。10~20 m黏聚力取值变幅大,下一步需优化研究。

(3)固结排水抗剪强度指标黏聚力、内摩擦角为13.75 kPa、14.76°,固结不排水抗剪强度指标黏聚力、内摩擦角约为13.13 kPa、11.50°。两者的黏聚力数值较接近,较固结不排水抗剪强度内摩擦角,固结排水抗剪强度的内摩擦角增加幅度约为30%。

(4)十字板剪切试验、无侧限抗压强度试验得到的原状土不固结不排水抗剪强度分别为14.84、15.83 kPa,两方法得到的数值较为较近。十字板剪切试验、无侧限抗压强度试验得到的重塑土不固结不排水抗剪强度分别为4.99、7.63 kPa,十字板剪切试验重塑土强度指标远小于无侧限抗压强度试验强度指标。无侧限抗压强度试验、十字板剪切试验结果表明南沙地区软土强度指标主要为中灵敏度。

(5)文中有一些数据异常或反常规,如淤泥、淤泥质土固结快剪强度随着深度增加呈相反的变化趋势、10 m≤h<20 m的淤泥固结快剪强度相对直剪的变化率等情况,下一步的工作重点是补充搜集软土各试验样本,以期获取进一步的结论。

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0 引言

1 地质条件

1.1 区域地质构造

1.2 水文地质与工程地质

图1 南沙地层典型地质剖面

图2 南沙软土厚度分区及项目示意图

表1 试验样本来源概况

2 本地区软土常规物理力学特征

表2 软土室内土工试验基本物理力学指标统计

3 抗剪强度指标分析

3.1 固结快剪强度

图3 固结快剪τf-σ'线性回归拟合曲线

3.2 固结不排水剪、固结排水剪强度

图4 三轴固结不排水(排水)剪试验

图5 莫尔圆求解抗剪强度指标

表3 三轴压缩试验数据汇总表

3.3 不固结不排水抗剪强度

3.3.1 无侧限抗压强度试验

图6 无侧限抗压强度试验曲线

3.3.2 十字板剪切试验

图7 十字板剪切试验曲线

3.3.3 强度指标分析

表4 软土的不固结不排水抗剪强度指标统计

4 强度指标相关性分析

表5 直接剪切试验强度指标标准值及变化率

表6 三轴压缩试验强度指标统计

5 灵敏度分析

5.1 无侧限抗压强度试验

图8 轴向应力与轴向应变关系曲线

表7 灵敏度-埋深统计

图9 无侧限抗压强度试验灵敏度-深度关系

5.2 十字板剪切试验

图10 十字板剪切试验灵敏度-深度关系

5.3 可靠性分析

6 结论

References

图3 固结快剪τ_f-σ'线性回归拟合曲线