基于原位測試方法的土體變形參數(shù)研究

楊 威 （海南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，海南 海口 570206）

0 引言

在巖土工程勘察中，獲取土體的壓縮模量指標(biāo)是最為重要的工作內(nèi)容之一。一般采用的方法有經(jīng)驗(yàn)類比法、室內(nèi)壓縮試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)CPT、扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)DMT、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)SPT 和旁壓試驗(yàn)PMT 等[1]。其中經(jīng)驗(yàn)類比法一般與實(shí)際情況相差較大，在初步估算時較為常用，但極易出現(xiàn)偏差；室內(nèi)壓縮試驗(yàn)方法受到試樣取樣、制樣等過程的人為擾動，測試結(jié)果的可靠性受到影響，且測試試樣為小樣品，不能反映大尺度的巖土壓縮特性。相對于DMT 試驗(yàn)、PMT 試驗(yàn)，靜力觸探試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)是我國應(yīng)用最為廣泛的兩種試驗(yàn)方法，且提供的參數(shù)均是在豎向荷載下測試得到，與壓縮模量的豎向壓縮具有相似的力學(xué)內(nèi)涵，而DMT 試驗(yàn)和PMT 試驗(yàn)是在橫向荷載作用下測試物理力學(xué)參數(shù)，測試參數(shù)的力學(xué)機(jī)理有所差別[2]。另一方面，旁壓試驗(yàn)和扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的測試成本較高、測試時間較長，而標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)則操作簡單、操作時間相對較短，因此應(yīng)用較為成熟。建立標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)參數(shù)和靜力觸探試驗(yàn)參數(shù)與壓縮模量之間的相互關(guān)系，可為區(qū)域土體的力學(xué)參數(shù)的換算提供有益的參考。

1 工程概況及試驗(yàn)方法

海南省洋浦疏港高速公路主線起點(diǎn)在新昌村石牌河附近與G98 環(huán)島高速相交，新建石牌互通，穿越環(huán)島高鐵，跨越光村水河，途經(jīng)光村鎮(zhèn)西南面、木棠鎮(zhèn)與蘭訓(xùn)鄉(xiāng)中間、峨蔓鎮(zhèn)南面，終點(diǎn)接洋浦港疏港公路洋浦大道園八路口，新建洋浦港互通，主線全長約33.3km，洋浦連接線全長約2.1km。

研究采用了地質(zhì)鉆探、原位測試（SPT 試驗(yàn)、CPT 試驗(yàn)）及取樣試驗(yàn)綜合勘探方法，對場區(qū)各土層展開物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)測試。鉆探過程中，采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的方法進(jìn)行取樣，并運(yùn)用泥漿護(hù)壁的方法保證鉆孔壁的穩(wěn)定，鉆探設(shè)備為XY-1 型巖芯鉆機(jī)，鉆桿直徑為42mm。為了保證鉆孔巖芯的鑒定效果以及滿足試樣土工試驗(yàn)要求，鉆孔采用合金鉆進(jìn)行開孔和鉆進(jìn)，開孔和終孔的直徑均為110mm[3-5]。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)在鉆探孔內(nèi)完成，試驗(yàn)過程中采用標(biāo)準(zhǔn)錘（63.5kg），測試前先清空，并從孔底預(yù)先打入15cm以避免鉆探擾動對試驗(yàn)結(jié)果的影響，按照每10cm記錄1組錘擊數(shù)，并連續(xù)記錄30cm，為該組標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)段的總錘擊數(shù)[6]。靜力觸探試驗(yàn)采用DYLC 履帶式靜探車進(jìn)行測試，探頭面積15cm2，測試時采用反力設(shè)備將靜力觸探探頭勻速貫入土層中，土層阻力作用于靜力觸探探頭內(nèi)的電子元件，元件受壓力產(chǎn)生電信號，并傳輸至LMC-310 型數(shù)據(jù)采集儀，進(jìn)而采集信號形成比貫入阻力數(shù)字信號。為了保證靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果的精確性和剖面的連續(xù)性，一般按1.2m/min 的速率進(jìn)行貫入，每2cm 采集一個點(diǎn)數(shù)據(jù)[7-9]。

2 場區(qū)土體的現(xiàn)場測試成果

試驗(yàn)研究區(qū)內(nèi)共取得了71 個孔的鉆探和試驗(yàn)成果，完成地質(zhì)鉆探總進(jìn)尺718.0m，其中鑒別孔12 個（138.0m）、靜力觸探孔32 個（308.0m）、取土和標(biāo)貫孔27個（取原狀樣46 件，標(biāo)貫試驗(yàn)46次，標(biāo)貫孔進(jìn)尺271.5m）。

研究區(qū)地基土構(gòu)成層序自上而下主要由3 層構(gòu)成，分別為①層雜填土（Qml）呈黃褐、灰褐夾雜色，濕，狀態(tài)松散，表層主要為建筑垃圾夾黏性土回填，含碎石、混凝土塊等，下部主要由黏性土構(gòu)成，該層土屬欠固結(jié)高壓縮性土；②層粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）呈褐色，此層土屬于中等偏低壓縮性土[10]；③層黏土夾粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）呈灰黃色，此層屬中等壓縮性土。各土層的層厚及層底埋深等數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各土層的層厚及層底埋深（單位：m）

各土層的室內(nèi)土工試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，②層粉質(zhì)黏土和③層黏土夾粉質(zhì)黏土的各物理指標(biāo)參數(shù)分布較為集中，所有測試指標(biāo)的變異系數(shù)均小于0.2[11]。③層黏土夾粉質(zhì)黏土具有高液限特性，其液限平均值達(dá)到45.1%、塑限平均值達(dá)到24.4%，相對于②層粉質(zhì)黏土的壓縮模量，③層黏土夾粉質(zhì)黏土的壓縮模量略大，而孔隙比則略小。

表2 ②層粉質(zhì)黏土的壓縮模量和③層黏土夾粉質(zhì)黏土的室內(nèi)土工試驗(yàn)成果

3 基于原位測試方法的土體變形參數(shù)計(jì)算

現(xiàn)場原位測試完成后，對場地地基土進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果和單橋靜力觸探試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果如表3所示。從表3 中可以看出，②層粉質(zhì)黏土的壓縮模量、③層黏土夾粉質(zhì)黏土的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)N 和單橋靜力觸探比貫入阻力Ps均分布較為集中，變異系數(shù)小于0.15，表明測試結(jié)果得到的原位測試參數(shù)較為穩(wěn)定，土層的物理力學(xué)性質(zhì)較為均勻。

表3 場區(qū)各層土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和單橋靜力觸探試驗(yàn)測試結(jié)果

土體的壓縮模量是評估土的壓縮性和計(jì)算地基變形的重要指標(biāo)，獲取準(zhǔn)確的壓縮模量參數(shù)是巖土工程勘察的重要工作內(nèi)容。由于室內(nèi)土工試驗(yàn)獲得的壓縮模量是在取樣和制備試樣的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，土樣在天然地層中取出后，應(yīng)力得到了釋放，同時運(yùn)輸和制樣也會對試樣產(chǎn)生擾動，而標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)作為兩種常用的原位測試方法，能夠保持土體在天然應(yīng)力和天然含水量條件下進(jìn)行測試，避免取樣、運(yùn)輸和制樣過程的結(jié)構(gòu)擾動和損傷，因此利用兩種原位測試方法對土體的壓縮模量進(jìn)行預(yù)測具有較高的可靠性[12-13]。研究通過對試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)參數(shù)、靜力觸探試驗(yàn)參數(shù)以及室內(nèi)土工試驗(yàn)壓縮模量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，如表4 所示。建立壓縮模量與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)和靜力觸探試驗(yàn)比貫入阻力的擬合關(guān)系，分別如圖1和圖2所示。

圖1 場區(qū)土層標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)和壓縮模量的擬合關(guān)系

圖2 場區(qū)土層標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)和比貫入阻力的擬合關(guān)系

表4 ②層粉質(zhì)黏土的壓縮模量、③層黏土夾粉質(zhì)黏土的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和單橋靜力觸探試驗(yàn)擬合數(shù)據(jù)

從圖1 中可以看出，研究區(qū)域②層粉質(zhì)黏土和③層黏土夾峰值黏土的壓縮模量均隨著標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的增加而增加，兩者的擬合關(guān)系為線性關(guān)系，且擬合系數(shù)均大于0.95，表明采用標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)進(jìn)行表征壓縮模量具有良好的相關(guān)性。②層粉質(zhì)黏土和③層黏土夾峰值黏土的壓縮模量擬合計(jì)算關(guān)系式分別如公式（1）和公式（2）所示。

從圖2 中可以看出，研究區(qū)域②層粉質(zhì)黏土和③層黏土夾峰值黏土的壓縮模量均隨著單橋靜力觸探試驗(yàn)比貫入阻力的增加而增加，兩者的擬合關(guān)系為線性關(guān)系，且擬合系數(shù)均大于0.90，表明采用單橋靜力觸探試驗(yàn)比貫入阻力進(jìn)行表征壓縮模量具有良好的相關(guān)性。②層粉質(zhì)黏土和③層黏土夾峰值黏土的壓縮模量擬合計(jì)算關(guān)系式分別如公式（3）和公式（4）所示。

式中，ES為土體的壓縮模量；PS為土體的單橋靜力觸探試驗(yàn)比貫入阻力。

4 結(jié)論

以海南省洋浦疏港高速公路項(xiàng)目巖土工程勘察為研究對象，運(yùn)用現(xiàn)場實(shí)測的方法，研究標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)和比貫入阻力與土體壓縮模量的相互關(guān)系，得到以下結(jié)論。

鉆探揭露和室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果表明，場區(qū)②層粉質(zhì)黏土屬于中等偏低壓縮性土，③層黏土夾粉質(zhì)黏土屬中等壓縮性土，③層黏土夾粉質(zhì)黏土具有高液限特性，其液限平均值達(dá)到45.1%，相對于②層粉質(zhì)黏土的壓縮模量，③層黏土夾粉質(zhì)黏土的壓縮模量略大，而孔隙比則略小。

原位測試結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)N 和單橋靜力觸探比貫入阻力Ps均分布較為集中，變異系數(shù)小于0.15，表明測試結(jié)果得到的原位測試參數(shù)較為穩(wěn)定，土層的物理力學(xué)性質(zhì)較為均勻。

研究區(qū)域②層粉質(zhì)黏土和③層黏土夾峰值黏土的壓縮模量均隨著標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的增加而增加，兩者的擬合關(guān)系為線性關(guān)系，且擬合系數(shù)均大于0.95，計(jì)算方法如式（1）和式（2）所示；壓縮模量均隨著單橋靜力觸探試驗(yàn)比貫入阻力的增加而增加，兩者的擬合關(guān)系為線性關(guān)系，且擬合系數(shù)均大于0.90，計(jì)算方法如式（3）和式（4）所示。