花崗巖殘積土抗剪強度指標原位監測數據反算試驗研究
——以原位測斜及原位土壓力為例

沈秋華 黃宇輝 趙 燕

（1.廣東有色工程勘察設計院，廣東 廣州 510080；2.廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510335）

0 引言

花崗巖殘積土是在廣州地區廣泛分布的一種特殊性土，類型多樣，分類復雜。具有抗剪強度低、黏粒含量小，受水浸土體易潰散、崩塌的特性，在挖孔樁施工、基坑開挖施工和隧道礦山法施工時容易出現流沙、崩塌。只有準確測定花崗巖風化殘積土的物理、力學性質指標，尤其是抗剪強度指標，才能使工程建設既安全又經濟。而目前勘察報告中巖土參數建議值的取值是在室內試驗和原位測試結果的基礎

上，根據其統計值，結合工程經驗取值的。這個過程中在樣品的采集方法規范性、室內試驗的方法、試驗結果的統計與分析、工程經驗等方面都存在差異性，從而造成不同的勘

察單位提供的參數建議值也存在一定的差異。為了得到花崗巖殘積土準確的抗剪強度參數指標，對所遇到的花崗巖風化層和殘積土開展了大量的專題研究，主要通過系列室內外試驗、理論研究和對現場原位測試數據的反分析等。而該文通過原位監測數據的反分析，并結合試驗對比的研究結果，探索獲取抗剪強度參數指標新方法。

1 土樣及試驗

根據研究計劃，在某地鐵車輛段施工工地開展了現場原位監測并根據監測數據進行了室內反分析抗剪強度指標的研究。主要進行基坑測斜監測及土壓力監測（場地布置及監測設備埋設如圖1所示）。場地內花崗巖殘積土覆蓋厚度約30m，該監測試驗在該覆蓋層上部5m~6m處的殘積土層進行。土壓力盒及測斜管共布置6組并編號為A~F，每組間距1m，測斜管與土壓力盒間距為0.5m。每組應力盒自距地表0.5m處向下每隔0.5m豎直安放一個，每組6個；測斜管有效測量深度3m；試驗基坑開挖成8m×5m×4m（長×寬×深）的長方體?；娱_挖前記錄土壓力盒及測斜管數據作為初始值，開挖結束后每隔3h測量一次，連續測量7d。

圖1 原位監測場地布置及監測設備埋設

2 抗剪強度指標反算理論

2.1 位移反推土壓力理論

在主動土壓力的作用下，懸臂測斜管每點的撓度如圖2所示。

圖2 測斜管撓度變形示意圖

紅色加粗線表示測斜管初始位置；紅線表示在主動土壓力作用下測斜管的位置。懸臂測斜管撓度如公式（1）所示。

式中：為監測點距離基坑底部深度，為基坑深度，為測斜管彈性模量，為測斜管橫截面慣性矩。截面慣性矩I如公式（2）所示。

花崗巖殘積土含有較多黏粒，其主動土壓力應該利用黏性土土壓力公式計算，因此，利用朗肯主動土壓力如公式（3）所示。

根據公式（1）及實際測斜數據，可求得沿測斜管豎直向下不同深度的主動土壓力E，然后通過公式（3）求得抗剪強度指標。

2.2 原位土壓力反算抗剪強度指標理論

振弦式土壓力盒的測量用振弦頻率讀數儀完成。測量完成后，記錄傳感器的頻率值（或頻率模數值）、溫度值、儀器編號、設計編號和測量時間。

振弦式土壓力如公式（4）所示。

式中：—被測土壓力值，MPa；—儀器標定系數，MPa/F；f—土壓計的實時頻率測量值，Hz；—土壓計的頻率基準值（初始頻率值），Hz。

由于花崗巖殘積土是典型的黏性土，因此該原位試驗采用庫倫土壓力計算公式來進行抗剪強度指標反算，如公式（5）所示。

3 結果與規律分析

3.1 現場測斜數據結果及反推抗剪強度結果

測斜管埋設完成，基坑開挖前記錄測斜管的初始值，待基坑挖掘完成后，對測斜管每間隔3h進行位移監測一次，連續監測7d。根據監測數據，計算可得到測斜管7d內不同深度處的最終位移累積量即不同深度處的斜管撓度。6組測斜管累積位移圖3所示。

圖3 測斜管位移累積監測值

因花崗巖殘積土是典型的黏性巖土材料，根據主動土壓力公式（3）可知。自地表豎直向下一定深度內土壓力為0，測斜管靠近地表的位移是因測斜管下部因主動土壓力而產生的位移帶動上部測斜管產生的，因此測斜管上部的位移量不代表該位置土體的真實位移，因此不能應用上部測斜管的擾度計算該位置的主動土壓力。該研究將采用測斜管下部位置，即深2.5m及2.9m位置的撓度計算這2個位置的主動土壓力，計算獲得每組測斜管所在剖面的主動抗剪強度指標平均值。

測斜管所用材料為硬質pvc管，其彈性模量為3.9GPa，測斜管外徑為=0.07m，內徑=0.06m，測斜管不同深度的重度為所在位置的實測重度。根據現場實測數據，計算獲得A~F測斜剖面的平均抗剪強度值。見表1。

表1 A~F測斜剖面測斜數據反推抗剪強度指標

由表1、圖4和圖5可知，抗剪強度指標黏聚力與內摩擦角呈現負相關關系。

圖4 抗剪強度指標標黏聚力C

相關性系數為-0.99。由此可見，抗剪強度指標與兩個指標相互干擾，同一個監測場地反算的抗剪強度指標一個偏大必然會造成另一個指標偏小。但是，從表1也可以看出，每個監測點的黏聚力反算值A~F各監測點相差不大，而內摩擦角相差較大。

3.2 土壓力原位監測結果及抗剪強度指標反算結果

圖5為現場原位監測土壓力值，從圖中可以看出，自地表至深3m處土壓力逐漸增加，而深0.5m~1m處的土壓力為0，這是因為花崗巖殘積土為典型的黏性土，根據朗肯主動土壓力計算公式（3），自地表至一定深度主動土壓力為0。

圖5 監測剖面 A-E 土壓力原位監測值監測剖面與內摩擦角φ相關性散點圖

根據實測數據監測結果，該研究擬采用每個監測剖面的深1.5m~2.0m，2.5m~3.0m兩個層段的土壓力監測值計算兩個層段的花崗巖殘積土平均抗剪強度指標，并與原位直剪試驗獲得的抗剪強度指標進行對比。應用于抗剪強度指標反算的監測剖面A~F不同位置處的態花崗巖殘積土的天然重度見表2。

表2 監測剖面A~F1.5m~3m不同深度處的花崗巖殘積土天然重度（單位：kN/m3）

將現場原位土壓力監測數據及室內測得的不同位置處的花崗巖殘積土天然重度帶入朗肯主動土壓力計算公式（3），計算得到深1.5m~2.0m，2.5m~3.0m各個層段的平均抗剪強度指，見表3。

4 對比及應用

4.1 現場測斜反推抗剪強度結果與原位直剪數據的對比

根據該項目的研究思路，將各種方式獲得的花崗巖殘積土抗剪強度指標與原位直剪獲得的抗剪強度指標進行對比，最終確定合理的花崗巖殘積土抗剪強度指標確定的方法用于實際工程指導。該文根據花崗巖殘積土的原位測斜試驗進行了抗剪強度指標反算，將原位直剪試驗抗剪強度指標與其進行對比，如圖6所示。

由圖6可知，位移反算抗剪強度指標中的黏聚力均小于原位直剪試驗的黏聚力結果，而內摩擦角均大于原位直剪試驗指標。原位測斜反算結果與原位直剪試驗結果存在較大誤差，但是通過對監測數據的進一步分析可以發現一些規律。

如圖7所示，隨著測斜管位移的增加，通過位移反算的抗剪強度指標黏聚力隨之增大，而內摩擦角則隨之變小。將圖6與圖7對比可以發現，測斜管位移越大，通過測斜數據反算的抗剪強度指標越接近原位直剪試驗獲得的抗剪強度指標。這個規律說明測斜反算獲得的抗剪強度指標與原位直剪試驗獲得的抗剪強度指標直剪存在的差異可能是由于測斜管還未達到最終穩定變形狀態。因該試驗只進行了為7天的連續位移監測，基坑側壁的變形并未達到穩定狀態，這是測斜數據反算獲得的抗剪強度指標與原位直剪試驗獲得的抗剪強度指標存在差異（誤差）的主要原因。

圖6 原位直剪試實驗抗剪強度指標與原位監測反算抗剪強度指標對比散點圖

圖7 原位測斜A-E監測剖面深2.5m處位移與位移反算抗剪強度指標散點圖

4.2 原位土壓力反算抗剪強度結果與原位直剪數據的對比

由表3及圖8可以看出，通過原位土壓力反算獲得的抗剪強度指標黏聚力值明顯小于原位直剪獲得的抗剪強度指標，而內摩擦角除幾個異常值外則大部分值與原位直剪抗剪強度指標接近。由圖8可知，原位土壓力反算獲得的抗剪強度指標：黏聚力與內摩擦角呈現負相關關系。通過數據對比可以得出如下結論：通過原位土壓力反算獲得的抗剪強度指標與原位直剪試驗獲得的抗剪強度指標之間存在較大的誤差，特別是黏聚力值，內摩擦角雖然大部分與原位直剪獲得的抗剪強度指標相近，但是也存在較多過高或過低的異常值。

圖8 原位土壓力反算抗剪強度指標與原位直剪抗剪強度指標對比散點圖

表3 原位土壓力監測值反算抗剪強度指標結果

5 結論

通過測斜管擾度反算抗剪強度指標這種方法在理論與實踐上都是可行的，但通常來說，測斜管達到最終的穩定狀態需要的時間是較為漫長的（時間可能持續幾個月），實際試驗獲得的測斜管擾度要小于其最終穩定狀態的，導致最終反算的抗剪強度指標與真實的抗剪強度指標存在一定的誤差。

根據該試驗研究得到的數據可知，測斜管的擾度越大（越接近最終穩定狀態）反算獲得的抗剪強度指標越接近原位直剪抗剪強度指標。通常來說，測斜反算獲得的抗剪強度指標黏聚力較真實值偏小，而內摩擦角較真實值偏大。如果用該方法獲得花崗巖殘積土抗剪強度指標，需要足夠的監測時間待基坑側壁變形穩定，用穩定時的擾度反算抗剪強度指標是可行的。

通過原位土壓力反算抗剪強度指標出現的異?？辜魪姸戎笜丝赡苁峭翂毫胁荒軌驕y量真實的原位土壓力導致的。因基坑開挖后，基坑側壁會發生變形，導致豎直埋放的應力盒發生一定角度的傾斜，同時應力盒也會跟著基坑側壁的變形而移動，其測量的應力數據并非該位置的真實側向水平應力值，與實際應力值存在較大誤差，所以該原位數據反算獲得的花崗巖殘積土抗剪強度指標與原位直剪數據獲得的抗剪強度指標存在較大誤差。如果要獲得真實的花崗巖殘積土抗剪強度指標，該文建議采用原位測斜數據反算獲得抗剪強度指標。