基于原位試驗(yàn)的比貫入阻力與不排水抗剪強(qiáng)度相關(guān)性研究

彭李暉 夏旭維

（1湖北國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430090；2深圳市勘察測(cè)繪院（集團(tuán)）有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

靜力觸探與十字板剪切試驗(yàn)是在軟土層中進(jìn)行勘察及獲取力學(xué)參數(shù)較為成熟、可靠的原位測(cè)試手段，這兩種試驗(yàn)方法具有避免土樣擾動(dòng)，不改變土體天然應(yīng)力狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。十字板剪切試驗(yàn)往往針對(duì)飽和軟黏土，常用來(lái)測(cè)試和估算地基土承載力、確定軟土靈敏度等參數(shù)。相對(duì)十字板剪切試驗(yàn)，靜力觸探試驗(yàn)適用范圍則更為廣泛，不僅適用于軟土也適用于粘性土、粉土、砂類(lèi)土和含有少量碎石的土層，同時(shí)靜力觸探試驗(yàn)具有數(shù)據(jù)連續(xù)、速度快、勞動(dòng)強(qiáng)度低、清潔、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

靜力觸探試驗(yàn)中的比貫入阻力和十字板剪切試驗(yàn)中的不排水抗剪強(qiáng)度往往是原位試驗(yàn)需要重點(diǎn)獲取的參數(shù)，在工程場(chǎng)地中若能建立靜力觸探比貫入阻力與十字板剪切試驗(yàn)不排水抗剪強(qiáng)度之間的定量關(guān)系，往往在工程勘察中可以起到事半功倍的效果。本文通過(guò)對(duì)武漢市漢南區(qū)馬影河流域軟土地層中大量十字板剪切試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立比貫入阻力和不排水抗剪強(qiáng)度二者之間的定量關(guān)系公式，對(duì)后續(xù)該地區(qū)工程勘察具有一定參考意義。

1 工程概況

馬影河是武漢市漢南區(qū)境內(nèi)最大天然河流，由主河道、8 條連河溝渠和14 個(gè)小湖泊構(gòu)成，流域面積152.49km2，占全區(qū)總面積69.3%。漢南某項(xiàng)目工程場(chǎng)地位于馬影河流域中部。根據(jù)勘察成果可知：研究區(qū)普遍分布5～10m 厚河湖相沉積的灰褐色淤泥，呈流塑狀，含有機(jī)質(zhì)，可見(jiàn)貝殼，具腥臭味。其物理性質(zhì)如表1所示。

表1 研究區(qū)軟土物理力學(xué)性質(zhì)

工程在廠區(qū)初勘和詳勘等各階段工程勘察中，累計(jì)完成鉆探孔38 個(gè)，靜力觸探孔（單橋）82 個(gè)，十字板剪切試驗(yàn)孔64 個(gè)。在勘察過(guò)程中有相當(dāng)一部分試驗(yàn)孔同時(shí)對(duì)軟土層進(jìn)行靜力觸探試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)，兩試驗(yàn)孔平面間距0.5～0.8m，針對(duì)該部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立比貫入阻力與不排水抗剪強(qiáng)度之間的定量關(guān)系。

2 比貫入阻力與不排水抗剪強(qiáng)度關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)及意義

2.1 回歸方程的建立

該場(chǎng)地累積了大量的原位測(cè)試數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)過(guò)程中根據(jù)十字板剪切試驗(yàn)深度確定臨近靜力觸探孔相同深度比貫入阻力值，在此基礎(chǔ)上根據(jù)靜力觸探曲線與十字板剪切曲線剔除某些明顯異常、夾層處或?qū)Ρ刃圆畹臄?shù)據(jù)，最終統(tǒng)計(jì)的有效數(shù)據(jù)共計(jì)103組。靜力觸探比貫入阻力值有70.8%集中于0.20～0.50MPa，不排水抗剪強(qiáng)度有85.4%集中于10～30kPa。將此103 組靜力觸探比貫入阻力值Ps與十字板剪切不排水抗剪強(qiáng)度Cu繪制散點(diǎn)圖（見(jiàn)圖1）。

如圖1 所示，靜力觸探比貫入阻力與不排水抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)整體呈線性關(guān)系，其回歸方程為Cu=0.0545Ps+0.0057，統(tǒng)計(jì)分析相關(guān)系數(shù)R=0.93，回歸方程的擬合程度較好，部分?jǐn)?shù)據(jù)離散性偏大可能由于土中含有貝殼或砂礫造成數(shù)據(jù)失真。

圖1 靜力觸探比貫入阻力與十字板剪切不排水抗剪強(qiáng)度散點(diǎn)圖與回歸曲線

2.2 回歸方程的檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)該回歸方程，使其能夠更好地應(yīng)用于漢南馬影河區(qū)域軟土層，在后續(xù)主廠房和調(diào)蓄池詳勘中采用該回歸方程對(duì)十字板剪切和靜力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，其比貫入阻力和不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與通過(guò)Cu=0.0545Ps+0.0057 計(jì)算的結(jié)果列于表2。同時(shí)在部分深度通過(guò)鉆探取得原狀土樣還進(jìn)行少量室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)（室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu）。

表2 主廠房十字板剪切強(qiáng)度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值、無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果比較

通過(guò)表2 可以看出十字板剪切實(shí)測(cè)值和計(jì)算值較為接近，相對(duì)誤差在-7.8%～11.5%之間，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值基本等于室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu的一半，表明在馬影河區(qū)域軟土地層靜力觸探比貫入阻力與不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)之間存在明顯的相關(guān)性，驗(yàn)證了回歸方程的可靠性。

2.3 回歸方程建立的意義

目前獲取軟土不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的手段主要有三種：一為現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)，這種原位測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜、費(fèi)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果不僅受埋藏深度、軟土成分及試驗(yàn)人員操作精度等影響，同時(shí)該試驗(yàn)無(wú)法取得軟土連續(xù)的力學(xué)參數(shù)；二為室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓及三軸剪切試驗(yàn)，室內(nèi)試驗(yàn)不僅面臨軟土取樣、制樣的困難而且取樣過(guò)程中應(yīng)力釋放導(dǎo)致室內(nèi)難以測(cè)出軟土真實(shí)力學(xué)參數(shù)，因此限制了這類(lèi)方法的廣泛使用；三為利用靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果求軟土不排水抗剪強(qiáng)度，此方法適用性廣，相對(duì)快速簡(jiǎn)潔，不失為一種好方法[3]。

目前利用靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果求軟土不排水抗剪強(qiáng)度主要通過(guò)建立靜力觸探比貫入阻力或錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力與不排水抗剪強(qiáng)度之間數(shù)學(xué)關(guān)系，進(jìn)而通過(guò)靜力觸探試驗(yàn)計(jì)算出軟土不排水抗剪強(qiáng)度。然而由于受軟土成分、成因、分布區(qū)域及試驗(yàn)精度影響，很難得到靜力觸探比貫入阻力或錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力與不排水抗剪強(qiáng)度之間普遍適用的理論關(guān)系公式。但在小范圍區(qū)域，不同研究人員在不同地區(qū)利用靜力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定軟土不排水抗剪強(qiáng)度，建立地方性經(jīng)驗(yàn)公式[4-6]。從表3 中可看出絕大部分經(jīng)驗(yàn)公式基本都遵循Cu=aPs+b 的 模 式 ，a 值 普 遍 在 0.05 左 右 ，b 值 普 遍 在0.002MPa左右。本研究得到河湖相軟土靜力觸探比貫入阻力與不排水抗剪強(qiáng)度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為Cu=0.0545Ps+0.0057，與其它地區(qū)軟土經(jīng)驗(yàn)公式有一定差異,但基本趨勢(shì)相同，能反應(yīng)該地區(qū)軟土特點(diǎn)。

表3 國(guó)內(nèi)軟土地區(qū)靜力觸探成果相關(guān)性公式

3 回歸方程在周家河地區(qū)軟土中的應(yīng)用

在馬影河流域周家河地區(qū)通航大道工程地質(zhì)勘察中，也對(duì)部分地段的河湖相軟土進(jìn)行靜力觸探試驗(yàn)與十字板剪切試驗(yàn)，選取4 個(gè)試驗(yàn)孔相同試驗(yàn)段的比貫入阻力和不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值與利用回歸方程Cu=0.0545Ps+0.0057計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)表4）。

表4 通航大道不排水抗剪強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較

由表4可見(jiàn)不排水抗剪強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與通過(guò)回歸方程計(jì)算值比較接近，18組數(shù)據(jù)相對(duì)誤差在-8.8%～9.4%，誤差在可接受范圍內(nèi)，表明馬影河流域中部軟土得出的比貫入阻力與不排水抗剪強(qiáng)度間的回歸方程同樣適用于馬影河整個(gè)流域湖濱相軟土。馬影河流域面積152.49km2，占全區(qū)總面積69.3%，軟土分布較為廣泛而且該地區(qū)亟待開(kāi)發(fā)，比貫入阻力與不排水抗剪強(qiáng)度間的回歸方程應(yīng)用對(duì)這一地區(qū)工程勘察有重要參考價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)得到漢南馬影河流域軟土層靜力觸探比貫入阻力與十字板剪切不排水抗剪強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式，并通過(guò)不同區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)了經(jīng)驗(yàn)公式的可靠性。相對(duì)十字板剪切試驗(yàn)只能測(cè)出軟土不連續(xù)的不排水抗剪強(qiáng)度，靜力觸探試驗(yàn)可在垂向上獲得連續(xù)的力學(xué)參數(shù)，通過(guò)該經(jīng)驗(yàn)公式可計(jì)算出軟土連續(xù)的不排水抗剪強(qiáng)度，為工程設(shè)計(jì)人員提供參考并對(duì)節(jié)約后續(xù)勘察工作量和成本具有一定實(shí)際意義。