红黏土地基压缩模量与标准贯入经验击数关系研究

李海波 周先才

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

武广客运专线乌龙泉至临湘、耒阳至沙口等地段分布近100 km的灰岩残积层红黏土地基,厚度由几米到几十米不等。该类红黏土地基从上至下分别为棕红色硬塑网纹状黏土、褐黄色硬塑—软塑黏土。红黏土地基上部土层多呈硬塑状态,裂隙发育,易开裂,常规勘察取样难以得到二级质量土样,易造成变形指标室内试验值偏低等实际问题。为此，武广客运专线勘察时对典型红黏土区段采用三重单动管取土器采取原状一级土样,并进行孔内标准贯入试验,对标准贯入试验击数与室内变形计算参数进行了对比分析,得到相应的经验公式,实际硬塑至半干硬红黏土沉降计算参数选取时参考了标准贯入试验击数,有效提高了沉降变形计算参数的准确性。

1 标准贯入试验

标准贯入试验实质上属于动力触探类型之一,它利用一定的锤击能量(锤重63.5±0.5 kg,落距76±2 cm),采用自动脱钩的落锤法,将一定规格的对开管式贯入器打入钻孔孔底的土中,根据打入土中贯入阻力的大小,判别土层的变化情况和土的工程性质。贯入阻力的大小用贯入器贯入土中30 cm的锤击数N63.5衡量。

标贯试验一般分两阶段完成：一是预打阶段,先将贯入器打入土中15 cm,若锤击数已达50击,贯入度未达15 cm,记录实际贯入度；二是试验阶段,将贯入器再打入土中30 cm,记录每打入10 cm的锤击数,累计打入30 cm的锤击数即为标贯击数N。在土层较硬时,若累积击数已达50击,而贯入度未达到30 cm时终止试验,记录实际贯入度以及累计击数n,按下式计算贯入30 cm时的锤击数N

N=30n/ΔS

式中 ΔS——对应锤击数n的贯入数，cm。

标准贯入试验N值的影响因素很多,如钻杆长度,锤击能量等。在应用标贯击数N评定土的有关工程性质时,应按规范要求对N值进行有关修正。

2 武广红黏土压缩模量与标贯击数的关系研究

压缩模量是反映土体性质的重要参数,也是进行路基沉降计算和预测等必不可少的试验参数。国内外已经总结出很多关于压缩模量Es与标贯击数之间经验公式,如表1所示。本线结合湖北、湖南代表性红黏土地基工点，总结出了压缩模量与标贯击数之间的经验公式。

表1 国内外相关单位提出的Es或(E0)与标贯击数N经验关系

2.1 泉口工点(DK1 293+427.50)压缩模量与标贯击数相关关系分析

(1)室内压缩试验成果

采取一级质量红黏土土样进行室内压缩试验,得到不同地层深度Z处压缩模量Es值(如表2所示)。

表2 泉口工点不同深度Z处压缩模量ES值

对表2数据进行曲线拟合及趋近分析,得到ES-Z的拟合公式

Es=-0.775 3Z+19.832

(0.8≤Z≤12.6 m,R2=0.977 1)

(1)

(2)现场标贯试验成果

表3 泉口工点不同深度Z处修正后标贯击数N数据汇总

对表3数据进行曲线拟合及趋近分析,得到N-Z的拟合公式

N=-1.5Z+25.944

(1.7≤Z≤12.1,R2=0.936 1)

(2)

(3)Es-N经验关系确定

根据式(1)、式(2),可得到泉口工点Es-N经验关系公式

Es=0.517N+6.422 (13≤N≤25,R2=0.915)

2.2 耒阳工点(DK1 784+884.9)压缩模量与标贯击数相关关系分析

(1)室内压缩试验成果

采取一级质量红黏土土样进行室内压缩试验,得到不同地层深度Z处压缩模量Es值(如表4所示)。

表4 耒阳工点不同深度Z处室内压缩模量Es

将上表中数据进行曲线拟合和趋近分析,可得ES-Z拟合公式为

Es=-0.503Z+13.24

(0.7≤Z≤15.3 m,R2=0.985 3)

(3)

(2)现场标贯试验成果

耒阳工点修正后标贯试验成果如表5所示。

表5 耒阳工点不同地层深度Z处修正后标贯击数N

对上表中数据进行曲线拟合,并进行趋近分析,可知N-Z函数关系为

N=0.092 4Z3-2.544 3Z2+19.628Z-15.157

(R2=0.974 7)

(4)

对同一深度处由公式(3)、(4)计算的标准贯入击数和压缩模量值进行曲线拟合(如图1所示)。

根据常理分析，N值越大表示地基土层越坚硬,压缩模量应越大,即Es值随N值增大而增大,图1中AB、BC段斜率为负,应舍去；DE段虽也满足压缩模量随标贯击数增长而增长的基本规律,但是斜率过小,几乎为零增长,故可不予考虑。由此分析可知,图1中曲线CD段两者关系较为合理,截取该段曲线(如图2所示)进行拟合,并进行趋近分析,采用直线式相关性较好,耒阳工点Es-N经验关系公式如下

图1 耒阳工点压缩模量Es与标贯击数N初始拟合曲线

Es=0.614N-8.591 (15≤N≤30,R2=0.988)

图2 耒阳工点压缩模量Es与标贯击数N修正后拟合曲线

3 结束语

结合沿线湖北、湖南两处典型红黏土地基工点的对比性勘探资料,可知武广客运专线红黏土地基的压缩模量Es与原位测试标准贯入试验击数N之间具有良好的线性相关性。红黏土地基上部土层较硬,常规勘察取样较难得到二级质量土样,易造成变形指标室内试验值偏低,而标准贯入试验简单,是实际勘察中的常规方法。根据总结的压缩模量Es与原位测试试验标贯击数N相关经验公式,对室内试验压缩模量结果进行适当修正,可以较准确的获得红黏土地基压缩模量,减少因常规勘探取样土样质量不佳造成室内试验值偏低等问题。

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