非飽和黏性土壓縮模量與標貫擊數關系探討

劉明宇 周先才 張生偉

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

張呼鐵路沿線廣泛分布有第四系深厚非飽和黏性土地層，該類黏性土相較飽和土而言，承載力較高，基本承載力約在180 kPa以上，壓縮模量大，土體的液性指數IL均小于0.25、而孔隙比e小于0.7，基本屬于中等壓縮性范疇，地質應力歷史上多受過較大的前期壓力，大都屬超固結土。由于此類土體的可塑性差、黏聚力大，難以通過靜壓取樣的方式得到有代表性的原狀土樣進行相關試驗，因此在設計過程中常常缺乏沉降計算的重要參數壓縮模量Es。通過采取原狀土壓縮模量試驗與現場標準貫入試驗相結合的辦法，對張呼鐵路沿線的非飽和黏性土進行試驗研究。通過大量檢測數據的處理、分析和對比，發現壓縮模量Es與貫入阻力N之間存在對應關系，為今后評估路基沉降量和地基承載力，提供了一個可靠的參數基礎。

1 試驗工點概況

張呼鐵路東起張家口南站，西至呼和浩特東站，全長約286 km，線路穿越大量河谷區、沖積平原區以及湖積盆地區，均以第四系松散地層為主，其中硬塑黏性土占比較大。根據全線調查結果，選取DK187+400～DK188+600段路基工點，采用室內壓縮試驗與現場標貫試驗兩種方法對其沿地層深度變化規律進行分析研究，并將兩者相結合，建立起壓縮模量與標貫擊數的對應關系，為后續勘察設計提供依據。

試驗段位于低山丘陵區及沖洪積平原區，地勢起伏較緩，相對高差不大，局部發育沖溝，多為旱地，植被覆蓋率較好，大部為經濟林地，局部為草地，最大相對高差約16.23 m。地層巖性較簡單，為深厚第四系全新統沖洪積(Q4al+pl)黏土:黃褐色，硬塑，土質不均，含少量的鐵錳質氧化物及鈣質結核，切面稍有光滑。部分里程表層分布有第四系全新統沖洪積(Q4al+pl)碎石土:灰白色，中密，主要成分以玄武巖、大理巖為主，一般粒徑60～90 mm，約占55%，多呈次圓狀，以粉質黏土和粉土充填，厚度0～4.3 m。地下水埋深約16～20 m，未發育不良地質。

2 技術要求

在試驗工點范圍內均勻布置100型機動鉆孔36個，連續采取原狀土樣，并進行標準貫入試驗，完全遵照《巖土工程勘察規范》(GB50021—2001)和《鐵路工程地質原位測試規程》(TB10018—2003)的技術要求。為了保持土的天然狀態，以免試驗數據失真，鉆探采用干鉆，對地裂的勘探采用挖探，原狀土樣從地面以下0.5 m開始連續采取，每次取3～4組，所取原狀土樣均必須為一級質量土樣。

標準貫入試驗利用錘重63.5 kg、落距76 cm錘擊動能，采用外徑51 mm、內徑35 mm、全長685 mm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)。貫入試驗分兩段進行［1］。

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:將貫入器打再打入土中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Δs及累計錘擊數n。按下式計算貫入300 mm的錘擊數N

式中 Δs——對應錘擊數n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1.0～2.0 m，根據非飽和土黏土厚度調整，并按規范要求對N值進行修正。

3 結果與分析

按照以上技術要求，共取得原狀土樣226組，并進行相應室內試驗，壓縮實驗結果表明，土樣的壓縮模量離散性較大，除土層自身具有一定的不均勻性外，取樣過程中對土體的擾動也是重要的原因。在置信度95%的情況下，剔除重復深度及異常數據后，得到不同地層深度Z處壓縮模量ES值，如表1和圖1所示。

表1 不同深度Z處壓縮模量E S試驗數據

圖1 壓縮模量隨地層深度變化

通過以上數據可以看出，試驗工點段處黏土表層存在明顯的“硬殼效應”，厚度較大，約為4.0 m左右，壓縮模量最高可達10.3 MPa，承載力及強度也較高?！坝矚印币韵?，隨著土層深度的增加，土體的壓縮模量也隨之增大，且增長速率較為均勻，總體而言呈線性函數關系，同時數據的離散性也隨深度增加而相應增大。對壓縮模量隨土層深度變化進行曲線擬合，得到如下公式

在硬塑黏土層共進行標準貫入試驗482次，從地面到地層深度40 m之間均有標貫結果，因此可以全面的反應整個地層的情況，對桿長修正后試驗結果見表2與圖2。

表2 不同深度Z處標貫擊數N試驗數據

圖2 標貫擊數隨地層深度變化

標貫擊數隨地層深度的變化規律與壓縮試驗得到的結果基本一致。0～4.0 m范圍內，標貫擊數明顯較大，這也驗證硬塑黏性土“硬殼層”的存在，4.0～22.0 m范圍內，標貫擊數隨深度呈線形增大，且擬合度較高，數據離散性小。22.0 m以下，隨著鉆桿長度的增加，標貫結果變化區間明顯增大，誤差較大。剔除表層4.0 m內標貫擊數的影響，對標貫數據進行曲線擬合，可知N－Z函數關系為

可以看出隨著地層深度的增加，非飽和黏性土的壓縮模量ES與標貫擊數N存在著較強的對應關系，對同一深度處的標貫擊數和壓縮模量進行曲線擬合，如圖3所示。

圖3 壓縮模量與標貫擊數關系

根據圖3的結果，得到擬合公式

4 結論

(1)張呼沿線非飽和黏性土具有較為明顯的硬殼層和下部相對軟弱層，硬殼層厚度約3.0 m。

(2)壓縮模量ES是工程設計中所需的重要力學指標，對于非飽和黏性土而言，由于取樣較為困難，同時土體本身的不均勻性，造成壓縮模量ES離散型較大，當數據較少時，難以得到準確的實驗結果，因此室內測試數據與壓縮模量真值ES有一定的差別。

(3)標準貫入試驗操作簡單，廣泛應用于鐵路勘察工作中，采用實測標貫擊數N來判定張呼鐵路非飽和黏性土地層的壓縮性具有一定的工程意義，且結果的離散性明顯小于室內試驗結果。

(4)建立地層深度、壓縮模量ES與標貫擊數N三者之間的對應關系，可以彌補室內試驗數據的誤差，并可以進行相互驗證。

［1］ 李海波，周先才．紅黏土地基壓縮模量與標準貫入經驗擊數關系研究［J］．鐵道勘察，2011，37(2)

［2］ GB50021—2001 巖土工程勘察規范［S］

［3］ TB10018—2003 鐵路工程地質原位測試規程［S］