武廣高鐵殘積層紅黏土對比性勘探試驗研究

袁 森

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

1 概述

武廣高鐵為全線無砟軌道，設計時速350 km，路基工后沉降控制標準為15 mm，高標準的沉降控制要求對地基土力學參數的合理選取也提出了更高的要求。武廣高鐵沿線分布有近100 km的灰巖殘積紅黏土地基，其復雜的力學特性已為業內所公認。由于大孔隙率、高含水量、高液限、高塑性、非飽和等特殊性質，如何獲取合理的土體變形參數，是保證地基工后沉降計算準確性和地基處理措施選取合理性的關鍵。現場原位試驗(如標準貫入試驗)是確定地基承載力，判別土層類型最可靠的方法。因此，找出壓縮模量ES與標貫擊數N之間的關系就顯得十分有意義。雖然國內外已經總結出很多關于壓縮模量ES與標貫擊數N之間經驗公式，但其工程背景與武廣高速鐵路沿線的地質條件不同。且武廣高鐵要求工后沉降量小，設計參數精度要求高，試驗方法必須可靠。為了便于設計和施工，且節省工程經費，結合代表性紅黏土地基工點進行標貫試驗，同時采用三重管單動回轉取樣器連續采取原狀土樣進行室內土工試驗，總結出壓縮模量Es與標貫擊數N之間的經驗公式顯得尤為重要。本文在不同含水比條件下，分別研究獲取了湖北、湖南兩地紅黏土地基壓縮模量Es與標貫擊數N的經驗關系式，研究成果指導了武廣高鐵路基工程的設計和施工，獲得了較好的效果。

2 取樣及對比勘探技術要求

2.1 勘探目的和要求

在試驗點附近布置100型機動鉆孔，連續進行標準貫入試驗，并采用三重管單動回轉取樣器連續采取原狀土樣，對所取的原狀土樣進行物理力學試驗，收集各試驗的數據，分析地基土的強度、應力、變形特征。為確保室內試驗數據的完整與真實性，鉆探所取土樣均為一級質量土樣。結合對各原位測試進行對比統計分析，總結適用于武廣高鐵地基土的壓縮模量與標貫擊數之間的經驗關系式。

2.2 機具要求

使用100型回轉機動鉆，護壁套管，三重管單動回轉取樣器(外徑108 mm)，推土器，塑料襯管(直徑74 mm)，土樣箱，標貫器等。

2.3 鉆進要求

一律無水回轉鉆進，孔壁不穩時，應采用套管護壁。鉆探流程:開孔(鉆進0.5m)→連續取樣(3～4組)→標貫→套管跟進(必要時)→巖芯管清孔(長50 cm)→連續取樣(3～4組)→標貫→套管跟進(必要時)→巖芯管清孔(長50 cm)→鉆至基巖面終孔。

具體操作時，先應慢速旋轉，當鉆頭切入土層時(當遇堅硬土層鉆頭吃不進土層時可適當加壓)改為中速檔鉆進。提升時要控制速度，保證孔底形成的空間能被水(或空氣)充填，而不至于形成真空。回次進尺按取樣器有效長度控制。

2.4 土樣的保管和運輸

取土器提出孔后，將土試樣輕輕拿出，先切去超出襯筒部分，使之與樣筒等齊，立即用事先備好的鐵皮蓋蓋住兩頭，在樣筒上標明上下方向，而后把土試樣襯筒的外壁用棉紗擦拭干凈，用蠟水涂封縫隙處，再用麻紙仔細包裹，紙外涂一層蠟水使其完全密封，然后貼好土樣標簽。考慮到試樣較多，短時間之內難于全部用于試驗，為了保持土樣的原狀性，將土樣外表裹一層同土層的泥漿保護，然后在樣筒上標明上下方向，貼好土樣標簽之后，再裝進用木屑填好的土試樣箱內。土試樣筒要放置牢靠，以免振動和來回擺動影響試驗結果，包裝箱內以4個樣一箱為宜，不可過多，箱內填充舊棉花，谷糠等防震材料，箱外面注寫“防震”和“輕拿輕放”字樣，而且運輸過程中要限制運輸車速。

2.5 鉆孔布置

為了更好地與其他原位測試作對比，鉆孔點布置依載荷試驗位置而定，沿載荷試驗點周圍布置鉆孔位置。巖土體一般為非均質體，其性狀指標是一定空間范圍的隨機變量，因此取樣的位置在一定的單元體內應力要求在不同方向上均勻分布，以反映趨勢性的變化。根據室內試驗所需原狀土樣的個數，確定鉆孔個數和深度的布置。鉆孔深度要求為17m(或鉆至基巖面)，鉆孔個數為4孔(圖1)。在載荷試驗的周圍還進行鉆探取樣，標準貫入試驗與鉆孔取樣一起進行。

圖1 鉆孔及原位測試平面布置(單位:m)

2.6 取原狀土樣及標準貫入試驗要求

(1)取原狀土樣要求

為了保持土試樣的天然濕度和原狀結構，除采用與地層相適宜的鉆探工藝和嚴格遵守取土操作規程外，還要選用合適的取土器。取土器是取土的直接工具，對土試樣擾動的影響最大。取土器要針對不同土層的特點，合理、正確地選擇其結構與技術參數，如面積比、內間距比、外間距比、刃角，取樣筒的長度、直徑、長徑比以及取樣筒在取土器中的位置等。

采用三重管單動回轉取土器進行原狀土的取樣，對土樣的擾動降低到最小。這種取土器的結構特點是:內管及其上的塑料襯管單動，即不隨外管轉動;土樣上端不受動水沖力和靜水壓力作用，內管下端的切割靴能隨土層的軟硬程度，自動調節其突出鉆頭底端的長度，有效保護土芯不受沖洗液的沖刷破壞，最大外伸量為5 cm。取土后，方便把塑料襯管和土樣一起從取土器中卸出;將裝滿土心的塑料襯管兩端挖去2～3 cm，灌入蠟液，塞上膠塞密封;如土芯未滿，則填入木屑等再灌蠟，把已密封的管端再纏上布條固定，以免塞子脫落。

使用和操作情況同一般的取土器相似，即上一個回次終了，立即清孔，取凈孔底殘余土體后，按取土的程序操作(具體操作按原狀土取樣規范進行)。用正循環回轉壓入鉆進時，注意不得提動取土器，減少對土樣的干擾，以保證作業順利進行，標貫或取土作業完成，提出鉆具到地面，打開鉆具，取出其中帶土樣的襯管，套上膠塞，置于標準的樣品盒內，清潔鉆具。

(2)標準貫入試驗要求

標準貫入試驗是動力觸探的一種，它利用一定的錘擊動能，將一定規格的對開管式貫入器，根據打入土中的貫入阻抗，判別土層的變化和土的工程性質。貫入阻抗用貫入土中30 cm的錘擊數N表示(也稱標貫擊數)。

為保證標準貫入試驗用鉆孔的質量，要求采用回轉鉆進，當鉆進至試驗高程以上15 cm處，應停止鉆進。為保證孔壁穩定，必要時可用泥漿或套管護壁。如使用水沖鉆進，應使用側向水沖鉆頭，不能用底端向下水沖鉆頭，以使孔底土盡可能少擾動。鉆孔直徑在63.5～150 mm間。

標準貫入試驗所用的鉆桿應進行檢查，鉆桿相對彎曲應小于1/1000，接頭應牢固，否則受錘擊后鉆桿會側向晃動。

標準貫入試驗應采用自動脫鉤的自由落錘法，并減小導向桿與錘間的摩阻力，以保持錘擊能量恒定。

標準貫入試驗時，先將整個桿件系統連同靜置于鉆桿頂端的錘擊系統一起下到孔底，在靜重下貫入器的初始貫入度作好記錄，如初始貫入度已超過450 mm，不作錘擊貫入試驗，N值記為零。貫入試驗分兩段進行。

①預打階段:將貫入器打入土中150 mm，如錘擊已達50擊，貫入深度未達150 mm，記錄實際貫入度。

②試驗階段:將貫入器再打入土中300 mm，記錄每打入10 cm的錘擊數，累計打入300 mm的錘擊數為標貫擊數N。當累計數已達50擊，而貫入度未達300 mm，應終止試驗，記錄實際貫入度及累計錘擊數。按下式計算貫入300 mm的錘擊數N

式中 Δs——對應錘擊數的貫入度/mm。

標貫試驗在鉆孔全深度范圍內等間距進行。間距為1.0～2.0m，根據非飽和黏土和紅黏土厚度調整。

3 Es與N之間的經驗關系研究

壓縮模量是反映土體性質的重要參數，也是進行路基沉降計算和預測等必不可少的試驗參數。雖然通過現場勘探取樣進行室內試驗可以得到取樣點的準確壓縮模量，但是這樣耗費的工作量大，周期長，所需費用高，且在全線各個工點取樣做試驗也很不現實。而現場原位測試試驗(如標準貫入試驗)是確定地基承載力，判別土層類型最可靠的方法。因此找出壓縮模量與標貫擊數的關系就顯得十分有意義。

3.1 異常數據的剔除

紅黏土具有區域性分布特點，分別對湖南、湖北兩個地區紅黏土壓縮模量Es與標貫擊數N的關系進行分析，圖2、圖3分別為湖北、湖南地區紅黏土Es與N的關系點分布。由兩圖可以看出Es與N的相關性較差，這是由于Es、N分別受不同因素影響。如影響Es的主要因素有:

①取樣不完整，試樣易受擾動，堅硬及硬塑狀態下紅黏土黏性大，強度高，造成紅黏土取樣局部缺失。

②紅黏土取樣密封不嚴易造成土樣含水量改變，影響土樣的試驗結果，紅黏土取樣密封后應及時臘封。

③土樣在運輸過程中受擾動。

此外，紅黏土局部含雜質較多，以及現場標貫試驗操作不當等因素會造成標貫值有所偏差。所以在進行Es與N的相關性分析時，首先應對離散較大的數據進行剔除。

3.2 不同含水比范圍壓縮模量與標貫擊數的關系

圖2 湖北典型紅黏土E s與N的關系點分布

圖3 湖南典型紅黏土E s與N的關系點分布

通過對試驗數據的分析發現，紅黏土在不同的塑性狀態下，壓縮模量與標貫擊數的相關性不一樣，且含水比aw＞1.0時，即紅黏土在流塑狀態下，很難滿足取原狀樣要求。分別對湖北、湖南典型紅黏土進行三種含水比范圍內Es與N的相關性分析。擬合曲線如圖4、圖5所示。

圖4 湖北紅黏土標貫擊數與壓縮模量的關系

從圖中可以看出，采用二次多項式對Es－N關系進行擬合，相關性較好，相關系數可以達到0.9以上。不同含水比下，紅黏土壓縮模量及標貫擊數的變化范圍:

①當aw≤0.55時，湖北地區紅黏土，10 MPa＜Es＜28 MPa;湖南地區紅黏土，11 MPa＜Es＜24 MPa。

圖5 湖南紅黏土標貫擊數與壓縮模量的關系

②當0.55＜aw≤0.7時，湖北地區紅黏土，3 MPa＜Es＜15 MPa;湖南地區紅黏土，3 MPa＜Es＜13 MPa。

③當0.7＜aw≤1.0時，湖北地區紅黏土，2 MPa＜Es＜5 MPa;湖南地區紅黏土，2 MPa＜Es＜4.5 MPa。

對比勘探試驗研究表明:標準貫入試驗擊數與采用三重管單動回轉取土器取得的一級質量土樣進行的室內土工試驗確定的壓縮模量間有良好的線性或二次曲線相關性，相關系數普遍在0.90以上。紅黏土地基上部土層較硬，常規勘察取樣難以得到一級質量土樣，易造成變形指標室內試驗值偏低等實際問題。武廣高速鐵路紅黏土地區勘察時，標貫試驗作為硬塑—堅硬土層常規勘察手段，特別是紅黏土地區，加強了對上部硬塑—堅硬紅黏土的標貫工作，并對典型紅黏土區段的標準貫入試驗擊數與室內試驗變形計算參數進行了對比分析，得到相應的經驗公式。實際沉降計算參數選取時參考了標準貫入試驗擊數，有效提高了沉降變形計算參數的準確性，在一定程度上避免了因計算參數的不準確造成地基處理措施過強。

通過對試驗結果分析研究，總結出武廣高速鐵路典型紅黏土Es－N關系公式如表1所示。分析可以得出，在三種不同含水比aw取值范圍內，標貫擊數N有重疊區域。由于含水比的不同，在相同的標貫擊數下，其壓縮模量值有較大的變化，若按經驗采用標貫擊數來劃分紅黏土的塑性狀態會存在較大的偏差。根據紅黏土的塑性狀態采用不同的擬合公式進行計算壓縮模量值更加合理。

表1 武廣高速鐵路典型紅黏土E s－N擬合結果

4 結論

選擇武廣高鐵典型紅黏土地段進行了對比勘探試驗，采用三重管單動回轉取樣器連續采取原狀土樣進行室內土工試驗，同時進行標貫試驗，從而獲取了原位條件下的標貫擊數以及相對應原狀土樣的壓縮模量。

分析表明:在不同含水比條件下，湖北、湖南兩地紅黏土地基壓縮模量Es與標貫擊數N均具有良好的線性或二次曲線相關性，相關系數普遍在0.90以上。由此獲取了二者之間的經驗關系式，研究成果指導了武廣高速鐵路路基工程的設計和施工，獲得了較好的效果。

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