晉中盆地第四系地基土標準貫入試驗與物理及力學參數關系的研究

辛銀玲

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

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晉中盆地第四系地基土標準貫入試驗與物理及力學參數關系的研究

辛銀玲

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

山西晉中盆地內第四系地層分布廣泛。依托晉中盆地內某鐵路通道工程，通過現場標準貫入試驗和室內土工試驗，對該地區第四系地基土的標準貫入試驗與部分物理及力學參數的相互關系進行研究，給出了擬合關系式及相關系數。研究成果表明：①修正后的標準貫入試驗擊數與地基土的孔隙比、液性指數和壓縮系數呈反比的線性關系；②與壓縮模量、內摩擦角和黏聚力呈正比的線性關系；③擬合關系式的線性相關系數均較高，說明山西晉中地區第四系地基土的上述物理及力學參數均可以用修正后的標準貫入試驗擊數進行定量預算。

地基土 標準貫入試驗 物理力學參數 鐵路工程

標準貫入試驗就是利用一定的錘擊功能，將一定規格的對開管式貫入器打入鉆孔孔底的土層中，根據打入土層中的貫入阻力來評定土層的變化和土的物理力學性質。貫入阻力用貫入土層中30 cm的錘擊數N63.5表示，也稱為標準貫入試驗擊數[1]，其操作簡便，設備簡單。標準貫入試驗成果可以用來確定地基土的容許承載力、評定砂土的振動液化以及估算單樁的承載力，而且通過貫入器可以采取擾動土樣，對它進行直接鑒別和有關的室內土工試驗。通過將標準貫入擊數與工程相關的巖土參數建立經驗關系式或相關關系式，對區域內的巖土工程設計有著重要的作用，同時對區域內地質資料的積累，提高用標準貫入試驗擊數預測土體其他物理力學參數的精確度也有著重要的意義。

1 晉中盆地第四系地基土的分布

晉中盆地位于山西省中部，又稱“太原盆地”，東依太行山，西接呂梁山，北起黃寨的石嶺關，南至介休的綿山鎮，東西兩側以斷層崖與山地相接，盆地呈北東-南西向分布，為山西斷陷盆地的一個重要組成部分。盆地內地勢平坦，河流密布，表層覆蓋第四系沉積層，厚度在350～400 m之間[2]。通過分析盆地內某鐵路工程的地質資料，綜合歸納了1 400多個勘探孔的數據，得出該盆地內第四系沉積層主要構成物為第四系上更新統沖積的黏土、粉質黏土、粉土、砂類土以及雜填土，中更新統洪積黏土、粉質黏土、粉土以及砂類土。其中，第四系地層中黏性土呈層分布，砂類土呈透鏡體狀分布，局部段落地表分布有填土，地層詳見表1。

2 標準貫入試驗擊數與部分物理及力學參數的相互關系

通過綜合分析晉中盆地內某鐵路工程勘探孔的室內試驗成果以及現場標準貫入試驗點數目(3 650點次)，現場測試的標準貫入試驗值按照桿長修正后，再逐層進行統計分析，得出每一地基土層所對應標準貫入試驗值的標準值(如表1所示)，其余物理及力學指標通過理正勘察軟件進行統計分析，得出每一地基土層的標準差、變異系數、平均值和標準值等。采用分析修正后的標準貫入試驗擊數標準值與第四系地基土中粉土層、黏性土層以及砂土層常規物理及力學指標，擬合其相關關系方程。

表1 晉中盆地第四系主要地基土層信息

2.1 標準貫入試驗與常規物理指標的關系

(1)標準貫入試驗擊數與孔隙比、液性指數的關系

巖土是在漫長的地質年代中形成的，是自然歷史的產物，其性狀表現出很大的差異性，常規的物理參數指標也有著區域性的變化[3]。孔隙比表明土體的密實程度，建(構)筑物的沉降與土體的孔隙比也有著密切的關系。通過分析山西晉中盆地第四系地基土修正后的標準貫入試驗擊數與其孔隙比標準值之間的關系可得出：第四系上更新統沖積Q4al和中更新統洪積Q4pl的粉土、黏性土、砂土均隨深度的增加，土體孔隙比減小，標準貫入試驗擊數增大，且呈單一的反比線性關系，相關系數分別為0.996 27、0.967 04、0.927 35，線性相關性較高，說明可以利用修正后的標準貫入試驗擊數直接換算該地區地基土的孔隙比值，見圖1～圖3。

圖1 粉土標準貫入試驗擊數與孔隙比的關系

圖2 黏性土標準貫入試驗擊數與孔隙比的關系

圖3 砂土標準貫入試驗擊數與孔隙比的關系

圖4 標準貫入試驗擊數與粉土液性指數的關系

液性指數為天然含水率和塑限之差與塑性指數的比值，如公式(1)所示，它能反應土體在天然條件下所處的狀態，是土體的一項重要物理參數。

(1)

式中，ω為天然含水率，ωp為塑限，ωL為液限，根據液性指數IL可以直接判定土體的軟硬程度，其值越小，表明土體越堅硬；值越大，土體越軟。按液性指數，依鐵路工程地質勘察規范(TB10012—2007)[4]，土體的堅硬狀態可分為，堅硬、硬塑、可塑、軟塑和流塑。通過將粉土、黏性土以及砂土的液性指數與修正后的標準貫入試驗擊數進行統計分析可得出：液性指數越高，標準貫入試驗擊數越小，且不論粉土、黏性土還是砂土，液性指數與修正后的標準貫入試驗擊數均呈反比的關系，相關系數分別為0.999 99、0.955 17和0.977 76，線性相關程度高，見圖4～圖6。

圖5 標準貫入試驗擊數與黏性土液性指數的關系

圖6 標準貫入試驗擊數與砂土液性指數的關系

(2)標準貫入試驗與壓縮系數、壓縮模量的關系

通過室內側限壓縮試驗，繪制e-p曲線，可得土體的壓縮系數，通常以p1=100 kPa，p2=200 kPa及相對應的孔隙比e1和e2計算得到土體的壓縮系數，即e-p曲線中p1和p2之間曲線的斜率，見公式(2)。依據壓縮系數，可用來評價土體壓縮性的高低。土的壓縮模量Es是表示土壓縮性的又一指標，見公式(3)。一般情況下，土體的壓縮系數越低，壓縮模量則越大，表明土體越難被壓縮。

(2)

(3)

將粉土、黏性土以及砂土修正后的標準貫入試驗擊數與壓縮系數壓縮模量進行統計分析可得出：壓縮模量越大、壓縮系數越小，土體的標準貫入試驗擊數越高，修正后的標準貫入試驗擊數與壓縮系數呈反比的線性關系，相關系數分別為0.945 51、0.981 86和0.819 84，線性相關性較高，見圖7～圖9。同理，壓縮模量與修正后的標準貫入試驗擊數成正比，其相關方程如公式(4)～公式(6)，說明地基土的壓縮系數、壓縮模量也可以用修正后的標準貫入試驗擊數進行定量預算。

粉土：

Es=7.659 49+0.233 21N63.5

(4)

黏性土：

Es=3.655 81+0.426 86N63.5

(5)

砂土：

Es=6.961 21+0.306 36N63.5

(6)

圖8 標準貫入試驗擊數與黏性土壓縮系數關系

圖9 標準貫入試驗擊數與砂土壓縮系數關系

圖10 標準貫入試驗擊數與粉土土內摩擦角關系

2.2 標準貫入試驗與黏聚力、內摩擦角的關系

地基土的強度通常是指土體抵抗剪切破壞的極限能力。在荷載的作用下，地基土中產生法向應力和剪應力，當土中某點的剪切應力達到其抵抗剪切破壞能力的極限值時，該點產生剪切破壞。地基土體中產生剪切破壞的區域隨著荷載的增加而擴展，最終形成連續的滑動面，地基土體因發生剪切破壞而喪失穩定性[5]。通過分析晉中盆地內修正后的標準貫入試驗擊數與室內試驗統計的地基土強度指標之間的關系(見圖10～圖12)，可以得出：修正后的標準貫入試驗擊數與粉土、黏性土以及砂土的內摩擦角標準值呈正比關系，即標準貫入試驗擊數越大，內摩擦角越大，且粉土和砂土的斜率比較大，說明粗顆粒組成的地基土內摩擦角為強度指標的重要因素。

圖11 標準貫入試驗擊數與黏性土內摩擦角關系

圖12 標準貫入試驗擊數與砂土內摩擦角關系

同理，通過分析標準貫入試驗擊數與地基土黏聚力的關系可以得出相關方程見式(7)～式(9)，說明修正標準貫入試驗擊數與粉土、黏性土和砂土的黏聚力成正比關系，且黏性土斜率較大，即細顆粒地基土強度指標的重要影響因素為黏聚力。

粉土：

C=9.084 98+0.547 55N63.5

(7)

黏性土：

C=1.964 16+1.600 05N63.5

(8)

砂土：

C=7.715 15+0.304 55N63.5

(9)

3 結論

(1)通過分析山西晉中盆地內第四系地基土的大量標準貫入試驗和物理及力學參數的測試數據，找出了它們之間的內在聯系，為該區域內由標準貫入試驗擊數確定地基土的相關物理、力學指標提供了思路和參考。

(2)山西晉中盆地內地基土修正后的標準貫入試驗擊數與其多個常規物理及力學參數指標均呈線性關系，且相關性較高。

(3)該區域內孔隙比、液性指數、壓縮系數、壓縮模量、內摩擦角以及黏聚力均能用修正后的標準貫入試驗擊數進行定量預算且準確率較高。

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Study on Correlativity between SPT and Physical and Mechanical Parameters of Quaternary Foundation Soil in JinZhong Basin

XIN Yinling

2016-08-02

辛銀玲(1984—)，女，2006年畢業于中南大學分析化學專業，理學碩士。

1672-7479(2016)05-0052-04

TU413.5

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