基于原位測試方法的土體變形參數研究

楊 威 （海南省交通規劃勘察設計研究院，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是最為重要的工作內容之一。一般采用的方法有經驗類比法、室內壓縮試驗、靜力觸探試驗CPT、扁鏟側脹試驗DMT、標準貫入試驗SPT 和旁壓試驗PMT 等[1]。其中經驗類比法一般與實際情況相差較大，在初步估算時較為常用，但極易出現偏差；室內壓縮試驗方法受到試樣取樣、制樣等過程的人為擾動，測試結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、PMT 試驗，靜力觸探試驗和標準貫入試驗是我國應用最為廣泛的兩種試驗方法，且提供的參數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內涵，而DMT 試驗和PMT 試驗是在橫向荷載作用下測試物理力學參數，測試參數的力學機理有所差別[2]。另一方面，旁壓試驗和扁鏟側脹試驗的測試成本較高、測試時間較長，而標準貫入試驗和靜力觸探試驗則操作簡單、操作時間相對較短，因此應用較為成熟。建立標準貫入試驗參數和靜力觸探試驗參數與壓縮模量之間的相互關系，可為區域土體的力學參數的換算提供有益的參考。

1 工程概況及試驗方法

海南省洋浦疏港高速公路主線起點在新昌村石牌河附近與G98 環島高速相交，新建石牌互通，穿越環島高鐵，跨越光村水河，途經光村鎮西南面、木棠鎮與蘭訓鄉中間、峨蔓鎮南面，終點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。

研究采用了地質鉆探、原位測試（SPT 試驗、CPT 試驗）及取樣試驗綜合勘探方法，對場區各土層展開物理力學指標參數測試。鉆探過程中，采用回轉鉆進的方法進行取樣，并運用泥漿護壁的方法保證鉆孔壁的穩定，鉆探設備為XY-1 型巖芯鉆機，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要求，鉆孔采用合金鉆進行開孔和鉆進，開孔和終孔的直徑均為110mm[3-5]。標準試驗在鉆探孔內完成，試驗過程中采用標準錘（63.5kg），測試前先清空，并從孔底預先打入15cm以避免鉆探擾動對試驗結果的影響，按照每10cm記錄1組錘擊數，并連續記錄30cm，為該組標準貫入試驗段的總錘擊數[6]。靜力觸探試驗采用DYLC 履帶式靜探車進行測試，探頭面積15cm2，測試時采用反力設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的電子元件，元件受壓力產生電信號，并傳輸至LMC-310 型數據采集儀，進而采集信號形成比貫入阻力數字信號。為了保證靜力觸探試驗結果的精確性和剖面的連續性，一般按1.2m/min 的速率進行貫入，每2cm 采集一個點數據[7-9]。

2 場區土體的現場測試成果

試驗研究區內共取得了71 個孔的鉆探和試驗成果，完成地質鉆探總進尺718.0m，其中鑒別孔12 個（138.0m）、靜力觸探孔32 個（308.0m）、取土和標貫孔27個（取原狀樣46 件，標貫試驗46次，標貫孔進尺271.5m）。

研究區地基土構成層序自上而下主要由3 層構成，分別為①層雜填土（Qml）呈黃褐、灰褐夾雜色，濕，狀態松散，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成，該層土屬欠固結高壓縮性土；②層粉質黏土（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據如表1所示。

表1 各土層的層厚及層底埋深（單位：m）

各土層的室內土工試驗指標統計結果如表2所示。從表2中可以看出，②層粉質黏土和③層黏土夾粉質黏土的各物理指標參數分布較為集中，所有測試指標的變異系數均小于0.2[11]。③層黏土夾粉質黏土具有高液限特性，其液限平均值達到45.1%、塑限平均值達到24.4%，相對于②層粉質黏土的壓縮模量，③層黏土夾粉質黏土的壓縮模量略大，而孔隙比則略小。

表2 ②層粉質黏土的壓縮模量和③層黏土夾粉質黏土的室內土工試驗成果

3 基于原位測試方法的土體變形參數計算

現場原位測試完成后，對場地地基土進行了標準貫入試驗成果和單橋靜力觸探試驗成果統計分析，其結果如表3所示。從表3 中可以看出，②層粉質黏土的壓縮模量、③層黏土夾粉質黏土的標準貫入試驗錘擊數N 和單橋靜力觸探比貫入阻力Ps均分布較為集中，變異系數小于0.15，表明測試結果得到的原位測試參數較為穩定，土層的物理力學性質較為均勻。

表3 場區各層土標準貫入試驗和單橋靜力觸探試驗測試結果

土體的壓縮模量是評估土的壓縮性和計算地基變形的重要指標，獲取準確的壓縮模量參數是巖土工程勘察的重要工作內容。由于室內土工試驗獲得的壓縮模量是在取樣和制備試樣的基礎上進行的，土樣在天然地層中取出后，應力得到了釋放，同時運輸和制樣也會對試樣產生擾動，而標準貫入試驗和靜力觸探試驗作為兩種常用的原位測試方法，能夠保持土體在天然應力和天然含水量條件下進行測試，避免取樣、運輸和制樣過程的結構擾動和損傷，因此利用兩種原位測試方法對土體的壓縮模量進行預測具有較高的可靠性[12-13]。研究通過對試驗區內的標準貫入試驗參數、靜力觸探試驗參數以及室內土工試驗壓縮模量的數據進行對比分析，如表4 所示。建立壓縮模量與標準貫入試驗錘擊數和靜力觸探試驗比貫入阻力的擬合關系，分別如圖1和圖2所示。

圖1 場區土層標準貫入錘擊數和壓縮模量的擬合關系

圖2 場區土層標準貫入錘擊數和比貫入阻力的擬合關系

表4 ②層粉質黏土的壓縮模量、③層黏土夾粉質黏土的標準貫入試驗和單橋靜力觸探試驗擬合數據

從圖1 中可以看出，研究區域②層粉質黏土和③層黏土夾峰值黏土的壓縮模量均隨著標準貫入錘擊數的增加而增加，兩者的擬合關系為線性關系，且擬合系數均大于0.95，表明采用標準貫入錘擊數進行表征壓縮模量具有良好的相關性。②層粉質黏土和③層黏土夾峰值黏土的壓縮模量擬合計算關系式分別如公式（1）和公式（2）所示。

從圖2 中可以看出，研究區域②層粉質黏土和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比貫入阻力的增加而增加，兩者的擬合關系為線性關系，且擬合系數均大于0.90，表明采用單橋靜力觸探試驗比貫入阻力進行表征壓縮模量具有良好的相關性。②層粉質黏土和③層黏土夾峰值黏土的壓縮模量擬合計算關系式分別如公式（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比貫入阻力。

4 結論

以海南省洋浦疏港高速公路項目巖土工程勘察為研究對象，運用現場實測的方法，研究標準貫入錘擊數和比貫入阻力與土體壓縮模量的相互關系，得到以下結論。

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

原位測試結果表明，標準貫入試驗錘擊數N 和單橋靜力觸探比貫入阻力Ps均分布較為集中，變異系數小于0.15，表明測試結果得到的原位測試參數較為穩定，土層的物理力學性質較為均勻。

研究區域②層粉質黏土和③層黏土夾峰值黏土的壓縮模量均隨著標準貫入錘擊數的增加而增加，兩者的擬合關系為線性關系，且擬合系數均大于0.95，計算方法如式（1）和式（2）所示；壓縮模量均隨著單橋靜力觸探試驗比貫入阻力的增加而增加，兩者的擬合關系為線性關系，且擬合系數均大于0.90，計算方法如式（3）和式（4）所示。