旁壓試驗和標準貫入試驗與砂土變形模量的相關性

沈 振 屈鵬飛 孟軻荊 趙占宇

（1.北京京能地質工程有限公司，北京 102300；2.北京昆侖利時勘察基礎工程有限公司，北京 101400）

0 引言

原位試驗是指巖土體在原來所處的位置上或基本上在原位狀態和應力條件下對巖土性質進行的測試[1-3]。原位試驗對天然地基巖土體的擾動較小，通常能夠比室內試驗獲得更加可靠的巖土體相關參數，從而提高地基檢測的準確性。旁壓試驗和標準貫入試驗是原位試驗較為常用的試驗方法，兩者應用都較為廣泛。土體的變形模量E0是指土體在無側限條件下的應力與應變的比值[4]。工程中的變形模量通常通過載荷試驗結果求得。在p-s曲線的直線段或接近直線段任選一壓力p及與其對應的沉降s，再利用彈性力學公式，即可求得巖土體的變形模量。變形模量也可以通過旁壓試驗獲得。由于變形模量是通過原位試驗（如載荷試驗、旁壓試驗）得到的力學參數，從理論上講，利用變形模量進行沉降計算的結果更為可靠和準確[5]。但載荷試驗和旁壓試驗都具有過程復雜、耗時長、不經濟的缺陷，而標準貫入試驗則是工程中常用、快捷、經濟的一項原位測試手段。標準貫入試驗擊數可以較準確反映巖土體的密實度。研究表明，標準貫入試驗數據與變形模量二者之間存在很高的相關性。如肖先波[6]根據廈門軌道交通1 號線勘察工作，對花崗巖殘積粉質黏土標準貫入試驗與變形模量之間建立線性擬合曲線，但僅限于黏性土，沒有拓展到其他巖土層。陳法波等[7]就福建平潭風化花崗巖原位測試及巖土參數取值進行了深入研究。于元峰等[8]在對沙漠砂室內大中型槽原位模擬試驗和現場原位試驗的基礎上，建立了靜力觸探、標準貫入指標與沙漠砂變形模量和地基承載力間經驗關系。汪 浩等[9]通過預鉆式旁壓試驗，重點分析紅黏土各物理參數隨土層深度的變化關系。 唐 競等[10]采用室內土工試驗與現場原位試驗相結合的方式，對不同埋深粉砂細層的旁壓承載特性指標變化規律進行了對比分析。

標準貫入試驗擊數與變形模量的研究大多集中于黏性土地層，針對砂土的變形模量研究未分別考慮不同粒組的砂土。標準貫入試驗擊數與變形模量的關系多以經驗數據表示，沒有統一的理論公式。本文在前人的研究基礎上，基于工程實例，按照粉細砂和中粗砂對砂土進行分類，將不同粒組砂土標準貫入試驗擊數N與旁壓試驗獲得的變形模量E0建立關系式，通過此關系式，可利用標準貫入試驗擊數換算出變形模量E0，為工程設計及科學研究提供參數。

1 旁壓試驗及標準貫入試驗與變形模量

旁壓試驗是一種水平向原位載荷試驗，主要通過旁壓器加壓對土體施加徑向均勻壓力，根據得到的壓力與徑向位移關系曲線得出土體承載力特征值。已有研究表明，旁壓試驗適用于軟巖地基承載特性評價[11-14]。本工程采用預鉆式旁壓試驗[15]（PMT），通過旁壓器在預先打好的鉆孔中對孔壁施加橫向壓力，使土體產生徑向變形，利用儀器量測孔周巖土體的徑向壓力與變形關系，測求地基土的原位力學狀態和力學參數。

變形模量的取值參照《鐵路工程地質原位測試規程》(TB 10041-2003)確定[16]。

式中：E0為變形模量，MPa；K為變形模量轉換系數，無量綱，按表1取值，本案例均取下限值；Gm為旁壓剪切模量，MPa。

表1 變形模量轉換系數表

標準貫入試驗(SPT)是用質量63.5 kg 的穿心錘，以76 cm 的自由落距，將標準規格的貫入器打人試驗土層中，先對鉆孔底部預打15 cm，再記錄打入30 cm的錘擊數，根據錘擊數來推定土的力學特性的一種原位試驗方法。標準貫入試驗不僅廣泛應用于巖土工程勘察，在地基檢測中也有較為廣泛地應用。本次采用自動脫鉤的自由落錘法進行標準貫入試驗[3]。

標準貫入試驗擊數和變形模量均可反映巖土體的力學性質。擊數的高低、模量的大小與巖土體力學強度具有很高的相關性。于元峰等[8]總結出根據標準貫入擊數N確定沙漠砂變形模量（見表2）。

表2 用N 確定沙漠砂變形模量E0[8]

王曉峰和王樹懷[17]建立的砂土動探、標貫及主要物理力學指標關系綜合表，總結了砂土的動探擊數N63.5與標貫擊數N及其與其他主要物理力學指標之間的關系。實現了依據標貫擊數N或動探擊數N63.5對砂土的主要工程特性指標的全面評價以及指標之間的相互轉換，并按照中粗砂、粉細砂等不同粒徑進行了分類對比。對比結果表明，在相同標準貫入試驗擊數情況下，中粗砂與粉細砂變形模量相差較大。為了更準確地反映標準貫入試驗與變形模量的關系，本文將砂土按照中粗砂和粉細砂兩種不同粒徑分別與變形模量建立關系式。

2 研究概況

2.1 勘察方法及完成的工作量

本工程勘察采用工程鉆探、物探、原位測試（包括旁壓試驗）及室內試驗相結合的方法。工程鉆探采用DPP-100 型鉆機回轉鉆進和SH-30 型錘擊鉆進相結合，完成鉆孔22 個，鉆探進尺345 m。在鉆探過程中對黏性土及粉土層取得原狀土樣117 件，對砂土、粉土及黏性土進行標準貫入試驗（SPT）112 次，取得擾動樣29 件，對碎石土進行重型動力觸探試驗0.3 m，在管道管頂、管中、管底位置進行旁壓試驗。

為研究標準貫入試驗擊數N與砂土變形模量的相關性，結合工程勘察實例，設計了砂土的旁壓試驗和標準貫入試驗方案。選取14 個鉆孔對粉砂、細砂、中砂、 粗砂層分別進行旁壓試驗共計32 次，為獲取同一地層同深度的試驗數據，在距離旁壓試驗鉆孔1.0 m 處再開孔鉆進至同一深度，對該砂土層進行標準貫入試驗。進行標準貫入試驗前，對標準貫入儀器進行仔細校準并使用新標貫頭，確保試驗結果精準可靠。對各類砂層標準貫入試驗擊數N與旁壓試驗獲得的變形模量E0進行統計分析，總結出E0與N之間的計算公式。

2.2 變形模量與標準貫入擊數相關性

將本工程砂層32 次標準貫入試驗數據按照粉細砂和中粗砂進行分類。考慮到不同密實度砂土性質差異較大，因此本次旁壓試驗僅涉及中密砂土。稍密砂土及密實砂土旁壓試驗與標準貫入試驗之間的相關性有待進一步研究。

（1）粉細砂

粉細砂層旁壓試驗與標準貫入試驗成果數據見表3、圖1。

表3 粉細砂層旁壓試驗與標準貫入試驗成果表

建立標準貫入擊數N和變形模量E0之間的線性擬合曲線，如圖1所示。可知粉細砂層標準貫入擊數和變形模量相關系數R2=0.8382，大于0.8，屬于高度相關。中密粉細砂與標準貫入試驗之間存在E0=0.7629N-3.2316 的關系。

圖1 粉細砂層變形模量和標準貫入擊數關系

（2）中粗砂

中粗砂層旁壓試驗與標準貫入試驗成果數據見表4及圖2。

表4 中粗砂層旁壓試驗與標準貫入試驗成果表

圖2 粗砂層變形模量和標準貫入擊數關系

建立標準貫入擊數N和變形模量E0之間的線性擬合曲線，如圖2所示。可知本項目中粗砂層標準貫入擊數和變形模量相關系數=0.5133。0.5

綜上所述，在中密狀態下，粉細砂層的變形模量與標準貫入試驗擊數之間相關性很高，具有如下規律：E0=0.7629N-3.2316。

3 展望

受試驗場地地層土質所限，本試驗成果經驗公式僅適用于中密狀態下的粉細砂層。對于其他密度狀態的粉細砂層變形模量與標準貫入試驗擊數之間的關系有待進一步的研究。試驗中，中粗砂層變形模量與標準貫入試驗擊數之間的相關性不高，應針對中粗砂的粒徑級配與其力學性質關系進行詳細研究。

為進一步研究標準貫入試驗擊數與變形模量的相關性，對標準貫入試驗擊數進行修正的必要性仍需進一步討論。修正后的標準貫入試驗擊數能否與砂土變形模量建立一定的相關性，以及在不同土類引入不同修正系數的基礎上如何建立一個對于砂土、粉土、黏性土均適用的公式，值得進一步研究。

4 結論

（1）變形模量是一項很重要的物理力學性質指標，基于旁壓試驗和標準貫入試驗，推導出變形模量與標準貫入試驗擊數的經驗關系式E0=0.7629N?3.2316，可用于中密粉細砂層變形模量的計算。

（2）本次試驗中，粗砂旁壓試驗所獲得變形模量與標準貫入試驗擊數相關性較低，有待進行進一步深入研究。