扁板側(cè)脹試驗(yàn)獲取溫州軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

涂啟柱

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

扁板側(cè)脹試驗(yàn)(簡(jiǎn)稱DMT試驗(yàn))，是由意大利Silvano Marchetti于1980年創(chuàng)立［1］，最早在北美和歐洲使用，隨后迅速推廣，并先后列入ASTM(1986)推薦方法和歐洲Eurocode 7(1997)規(guī)范，我國(guó)在20世紀(jì)90年代開始引進(jìn)和使用這項(xiàng)技術(shù)。目前DMT試驗(yàn)方法及其應(yīng)用已經(jīng)得到了多國(guó)的認(rèn)可，被認(rèn)為是一種操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、人為影響小、且較經(jīng)濟(jì)的原位測(cè)試方法［2］，已列入我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》［3］，并已納入我國(guó)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》［4］。

不排水抗剪強(qiáng)度是軟黏土重要的力學(xué)特性參數(shù)，對(duì)土體的強(qiáng)度特性分析和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有重要影響。最近30年，國(guó)外學(xué)者對(duì)利用扁板側(cè)脹試驗(yàn)獲取軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)有了一定的試驗(yàn)研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要針對(duì)上海地區(qū)進(jìn)行了一些研究，但由于土體沉積時(shí)的環(huán)境、氣候、物質(zhì)等的差異，各地的土性不盡相同，而且國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)儀器性能、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，因此在利用扁板側(cè)脹試驗(yàn)確定土性指標(biāo)時(shí)，必須重視各地的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)［3］。

針對(duì)溫州海相沉積軟黏土進(jìn)行了多種原位測(cè)試試驗(yàn)，并利用多元回歸分析方法，探求溫州軟黏土地區(qū)扁板側(cè)脹試驗(yàn)參數(shù)與不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。

1 扁板側(cè)脹試驗(yàn)獲取不排水抗剪強(qiáng)度研究現(xiàn)狀

扁板側(cè)脹試驗(yàn)是利用外力將一扁平狀測(cè)頭壓入地基土達(dá)某一深度后加氣壓使測(cè)頭一面的膜片向外膨脹，測(cè)得在特定位置時(shí)膜片所受的相應(yīng)氣壓值A(chǔ)、B和C，從而獲得土體受力與變形關(guān)系的一種原位測(cè)試方法［1］。

根據(jù)試驗(yàn)前率定獲得的膜片約束力A、B及試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的氣壓值A(chǔ)、B、C利用土體彈性性質(zhì)可得出膜片在不同位置時(shí)的土壓力［4］。

式中，Zm為未調(diào)零時(shí)壓力表初讀數(shù)，kPa;P0為膜片向土中膨脹之前作用在膜片上的接觸壓力，kPa;P1為膜片膨脹1.10 mm時(shí)膨脹壓力，kPa;P2為膜片回到0.05 mm時(shí)受到的終止壓力，kPa。

根據(jù)以上土壓力值和各試驗(yàn)點(diǎn)靜止水壓力u0及上覆有效土壓力值可以獲得以下參數(shù)。

劃分地基土層的材料指數(shù)為

反映地基土固結(jié)歷史的水平應(yīng)力指數(shù)為

反映地基土力學(xué)性質(zhì)的側(cè)脹模量為

反映地基土孔壓特性的孔壓指數(shù)為

Marchetti(1980)［1］最早提出利用扁板側(cè)脹試驗(yàn)計(jì)算地基土的不排水抗剪強(qiáng)度Cu

之后國(guó)外其他學(xué)者，Mayne(1987)、Lacasse和Lunne(1988)、Roque(1988)以及 Iwasaki和 Kamei(1995)等［5］根據(jù)各自不同地區(qū)的試驗(yàn)資料對(duì)式(8)作出了修正(表1)。

國(guó)內(nèi)在這方面的研究主要集中在上海地區(qū)，陳國(guó)民(1999)［6］針對(duì)上海淺層黏土，根據(jù)土性指數(shù)ID的不同，對(duì)式(8)進(jìn)行了修正，當(dāng)ID≤0.35時(shí)，可根據(jù)式(8)計(jì)算，當(dāng)ID＞0.35時(shí)，根據(jù)下式計(jì)算

孫莉等(2002)［7］針對(duì)于上海地區(qū)的軟土層，建立了扁板模量ED與不排水抗剪強(qiáng)度cu具有線性相關(guān)性，其關(guān)系式為

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用扁板側(cè)賬試驗(yàn)獲取黏土不排水抗剪強(qiáng)度的研究成果匯總?cè)绫?所示。

表1 用DMT計(jì)算不排水抗剪強(qiáng)度公式匯總

2 多元回歸分析方法

由于巖土工程中室內(nèi)、室外試驗(yàn)機(jī)理及邊界條件的復(fù)雜性，直接從理論上推導(dǎo)出兩種試驗(yàn)各參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系往往是比較困難的。因此，為研究?jī)煞N試驗(yàn)的關(guān)系，可借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，建立試驗(yàn)參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系，這在工程中是可行的。為提高回歸分析的精度，一般可采用多元回歸分析的方法。

2.1 選元分析

在多元回歸分析中，自變量的選擇是很重要的。如果遺漏了重要的變量，回歸分析的效果一定不會(huì)好;如果變量過多，將會(huì)把對(duì)應(yīng)變量y影響不顯著的變量也選入回歸方程，這樣就影響了回歸方程的穩(wěn)定性，效果也好不了。因此在研究因變量與自變量之間回歸關(guān)系時(shí)，需要從眾多自變量中篩選出比較重要的若干個(gè)自變量來(lái)建立回歸方程，這個(gè)過程即為選元分析［9］。通過選元分析可以減輕回歸分析中的計(jì)算工作量，更重要的是能增加回歸方程的使用價(jià)值。選元分析一般可分為:前進(jìn)法、后退法、最優(yōu)子集法、逐步回歸法。其中逐步回歸法結(jié)合了前進(jìn)法與后退法的優(yōu)點(diǎn)，該法考慮了在向前挑選自變量過程的同時(shí)還提出新發(fā)現(xiàn)的次要變量。

2.2 回歸分析

3 扁板側(cè)脹試驗(yàn)確定不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)場(chǎng)地概述

溫州市域鐵路擬建工程經(jīng)過區(qū)域多屬于沖海積平原區(qū)，為一套自中更新統(tǒng)到全新統(tǒng)的海相、陸相及海陸過渡相的松散層。沿鐵路線選擇4個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地各布置1個(gè)鉆探孔、1個(gè)扁板側(cè)脹試驗(yàn)孔、2個(gè)靜力觸探試驗(yàn)孔(分為單橋與雙橋靜力觸探試驗(yàn))與1個(gè)十字板剪切試驗(yàn)孔。試驗(yàn)場(chǎng)地地層分為①耕植土;②-1淤泥，②-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土;③細(xì)砂;④-1粉質(zhì)黏土，④-2黏土等(圖1、圖2)。由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)可以探明試驗(yàn)場(chǎng)地普遍存在淤泥、淤泥質(zhì)黏性土等軟土，呈厚層狀大面積分布，含水量高、壓縮性大、強(qiáng)度低、天然孔隙比大等特征(表2)。

3.2 選元分析

P0、P1與P2是扁板側(cè)脹試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)修正后直接得到的參數(shù)，最能直接反應(yīng)土的物理力學(xué)特性。通過對(duì) Marchetti(1980)［1］等國(guó)外學(xué)者及陳國(guó)民(1999)［5］等國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究成果分析可以得出不排水抗剪強(qiáng)度Cu與(P0-u0)有密切的關(guān)系，國(guó)內(nèi)學(xué)者孫莉等(2002)［6］的研究成果也說(shuō)明不排水抗剪強(qiáng)度Cu與P1有一定的關(guān)系，為了兼顧分析的全面性與提高分析的精度，將P0-u0、P1-u0及P2-u0作為自變量納入回歸分析。

圖1 溫州市域鐵路試驗(yàn)場(chǎng)地靜力觸探曲線

圖2 溫州市域鐵路試驗(yàn)場(chǎng)地DMT側(cè)脹試驗(yàn)曲線

表2 溫州市域鐵路試驗(yàn)場(chǎng)地軟黏土的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3.3 回歸分析

目前測(cè)試黏性土不排水抗剪強(qiáng)度的最直接的方法是十字板剪切試驗(yàn)(VST)。因此，回歸分析的應(yīng)變量取十字板剪切試驗(yàn)得出的不排水抗剪強(qiáng)度。取顯著性水平α=0.05，按逐步回歸分析法對(duì)其作回歸分析。變量的檢驗(yàn)結(jié)果見表3與表4。

表3 各變量的檢驗(yàn)結(jié)果

表4 方差分析

從表3可以看出P0-u0與P2-u0兩個(gè)變量的概率值均小于0.05，即兩變量通過檢驗(yàn)，而P1-u0變量的概率值大于0.05，即該變量沒通過檢驗(yàn)，說(shuō)明P0-u0與P2-u0兩個(gè)變量對(duì)不排水抗剪強(qiáng)度的影響是顯著的，而P1-u0變量對(duì)不排水抗剪強(qiáng)度的影響不顯著。經(jīng)多元回歸分析后，得

式中各參數(shù)的單位均為kPa。式(11)的相關(guān)系數(shù)R2=82.6，統(tǒng)計(jì)量 F 值:F=148.61＞F0.05(2，66)=3.14，說(shuō)明線性回歸作用是顯著的，回歸Cu值與實(shí)測(cè)值的關(guān)系見圖3。

圖3 C u實(shí)測(cè)值與回歸值之間的關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

扁板側(cè)脹試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、人為影響小，扁板側(cè)脹試驗(yàn)得到的參數(shù)與土體不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)具有較好的相關(guān)性，但這種相關(guān)性對(duì)不同地區(qū)、不同成因的土體存在一定的差異性。

多元回歸分析方法是一種有效的數(shù)理統(tǒng)計(jì)手段，通過多元回歸與選元分析，可將諸多因素中影響權(quán)重較大的因素選出無(wú)關(guān)因素刪除，使得到的回歸方程更為合理。本文利用多元回歸分析方法，對(duì)溫州地區(qū)多個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立了扁板側(cè)脹試驗(yàn)參數(shù)與十字板試驗(yàn)不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

本文所建立的經(jīng)驗(yàn)公式適用于溫州海相沉積軟黏土地區(qū)地基土埋深小于30 m的土性條件，在其他地區(qū)使用還有待驗(yàn)證。

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