宁夏南部碎石土动探锤击数与变形模量的关系

裴德元

宁夏固原建筑设计研究院（有限公司） 宁夏固原 756000

确定碎石土变形模量的有效方法有浅层平板载荷试验、深层平板载荷试验、螺旋板载荷试验[1]。浅层平板载荷试验适用于确定浅部地基土层承压板下压力主要影响范围内的变形模量，它反映承压板下1.5-2.0倍承压板直径或宽度范围内地基土变形的综合性状；深层平板载荷试验用于确定深部地基土及大直径桩桩端土层在承压板下应力主要影响范围内的变形模量，适用于埋深等于或大于5.0m和地下水位以上的地基土；螺旋板载荷试验适用于深层地基土或地下水位以下的地基土，该方法应在钻孔中进行，现场实施时技术要求高，试验难度大。《工程地质手册》（第五版）第三篇第二章第四节.四，制定了碎石土的重型圆锥动力触探试验N63.5锤击数与变形模量EO值的关系表和相应计算公式，但属铁路工程、成都地区、辽宁省等行业、地方规范，大量试验和工程实践证明，对于宁夏南部碎石土明显的不适用，而碎石土在宁夏南部广泛分布，尤其在高层建筑的沉降变形验算方面缺乏依据。研究确定出宁夏南部碎石土重型圆锥动力触探试验锤击数N63.5与变形模量EO值的关系，对宁夏南部碎石土的理论研究和工程实践有着重要的意义。

1 宁夏南部区域地质条件

1.1 地质构造

宁夏南部大地构造隶属昆仑秦岭地槽褶皱大区（I级），走廊过渡带分区（Ⅱ级），六盘山复背斜（Ⅲ级）[2]。

处于祁连山地槽东翼与鄂尔多斯地台边缘之间，在黄土高原的中间地带，属黄河流域上游。境内海拔在1430-2942m，南部为六盘山脉，东部为丘陵沟壑区，西部为狭谷川台区，北部为河流阶地、河漫滩、山前冲洪积扇、沟谷等。总特点是南高北低，基本地形由南向北、由西向东倾斜，坡度约0.49%。地形地貌大体可分为：山体、土石丘陵区、黄土丘陵区、河流阶地、河漫滩、山前冲洪积扇、沟谷、河道等。

该区域山体、丘陵区上部为黄土所覆盖，厚度较大。河流阶地、河漫滩、山前冲洪积扇、沟谷、河道上部黄土覆盖薄，碎石土普遍分布，第三系地层埋藏较浅。

1.2 水文地质条件

宁夏南部主要干流为清水河，清水河是宁夏境内直入黄河的第一大支流，发源于固原市原州区开城镇黑刺沟脑，流经原州区、海原、同心、中宁4县，在中宁县泉眼山汇入黄河，全长320km，境内流域面积13511km2（总面积14881km2），地理坐标为东经105°00'-107°07'，北纬35°36'-37°37'。河源海拔2489m，河口1190m，河道平均比降1.49‰。其支流有渝河、甘渭河、泾河、饮马河、中河、大营河、苋麻河等共计20余条。全河多年平均径流量2.02亿m3（宁夏区内1.886亿m3），区内平均径流深14.0mm，年产水模数1.40万m3/km2；清水河为多泥沙河流，悬移质多年平均含沙量216kg/m3，流域平均输沙模数3160t/km2，最大13200t/km2，最小5.85t/km2[3]。

河流补给源多为大气降水、地表洪流、地下水溢出等，径流条件为由西南向东北方向径流（隆德、西吉境内由东北向西南方向径流），排泄条件为向下游迳流。

地下水资源主要为第四系松散堆积层孔隙潜水，呈带状、片状集中分布于清水河两岸河谷地带，具有河谷阶地埋藏浅、丘陵区埋藏较深、水量稀缺、水交替作用不强烈等特点，其含水层岩性主要为冲积、洪积相角砾、碎石、砂土，厚度3-15m，厚度横向变化大，近河岸地带富水性一级阶地及河漫滩有增厚趋势，主要补给方式有大气降水下渗、河流侧向入渗补给等；主要排泄方式为人工开采、泄流排泄、泉水排泄等。本地区年雨季为七－九月份，地下水位有随年份和季节性变化的特点，最大变幅约0.50-1.00m。

1.3 自然地理条件

宁夏南部区域性气候差异明显，属温带半干旱区，为典型的大陆性季风气候。年平均气温7.40C-8.50C，日平均最低气温-7.00C，月平均最高气温22.10C，极端最低气温-20.00C，极端最高气温36.00C，无霜期140-170天；年平均降水量350-550mm，年最大蒸发量1398.1mm，年最小蒸发量1327.7mm，年最大积雪深度19.0mm，降水季节分布不均；风向春冬季以西北风为主，夏秋以东南风居多，主导风向为西北风，冬寒长，夏热短，气温日差大，光照充足，年平均风速2.7m/s，年最大风速（西北风）28.0m/s，标准冻土深度0.86-1.43m。

2 宁夏南部碎石土一般特征

宁夏南部碎石土是第四系全新统（Q4）以来堆积的，本地区工程界通俗称为“土沙子”，专业定名为“含泥角砾”，是拟建物最常选用的持力层和地基处理中的换填材料。

2.1 野外特征

宁夏南部碎石土分布于河流阶地、河漫滩、山前冲洪积扇的表部，已堆填沟谷、河道区域。颜色以浅灰、灰白为主的杂色，钻进较困难，钻杆、吊锤跳动不剧烈，孔壁有坍塌现象，锹镐可挖掘，井壁有掉块现象，从井壁取出大颗粒处，能保持凹面性状。颗粒级配良好，大颗粒形成基本骨架，粉质黏土充填于颗粒空隙中，含泥量最大值41.4%，最小值15.4%，平均值32.9%。砾石成分以砂岩、灰岩为主，粒径以4-20mm者居多，最大约80mm，砾石多呈棱角－次棱角状，泥质胶结，偶含石英粉粒，在河谷切割剖面、大量岩土工程勘察报告中的剖面图中常有0.50-1.80m厚的粉质黏土、含砾粉质黏土、砂土呈夹层、透镜体状分布，属于其软弱夹层、下卧层。

2.2 物理力学性质

2.2.1密实度

宁夏南部碎石土沉积年代较晚，密实度属稍密－中密，重型圆锥动力触探试验锤击数N63.5，原始值约8-22击，标准值约7.4-17.1击，经触探杆长修正值约6.3-12.2击；含泥量大（15.4%-41.4%），颗粒级配良好，不均匀系数CU（109.3-128.1）＞5，曲率系数1＜Cc（0.905-1.869）＜3。

2.2.2抗剪强度

宁夏南部碎石土，抗剪强度较低，其抗剪强度由黏聚力和内摩擦角决定，该土的黏聚力C约0.0-4.0kPa，内摩擦角ф约22-35°。

2.2.3承载力特征值

宁夏南部碎石土，天然重度较小，约17.5-19.8KN/m3；通过收集该地区大量地基承载力检测报告，承载力特征值偏小，fak约160-220kPa，变形模量较小，Eo约22.0-32.0MPa[8]，以固原老城区某项目载荷试验为例（如图1）。

图1 浅层平板静载荷试验曲线图

3 宁夏南部碎石土动探锤击数与变形模量的关系

宁夏南部碎石土密实度属稍密-中密，颗粒级配良好，含泥量大，抗剪强度较低，天然重度较小，地基承载力特征值偏小，变形模量较小，其间重型圆锥动力触探试验锤击数N63.5较低。通过多年来的宁夏南部碎石土工程实践，当重型圆锥动探试验锤击数越高，其变形模量值明显的越大，反之，当重型圆锥动探试验锤击数越小，其变形模量值明显的越小。

在该地区岩土工程勘察和地基检测生产工作中，经分析研究大量的试验数据，收集整理了宁夏南部260多份《岩土工程勘察报告》和200多份《地基承载力检测报告》，结合自己多年来的现场实践经历，筛选掉数据异常的，从中提炼出有规律特征的资料，对照选出碎石土重型圆锥动力触探试验钻孔与静载荷试验点相符合的200组数据，统计二者的对应关系表（如表1），通过建立数学模型，画出二者的对应关系曲线图（如图2）。

表1 宁夏南部碎石土动探锤击数N63.5与变形模量Eo的对应关系表

图2 宁夏南部碎石土动探锤击数N63.5与变形模量Eo的对应关系曲线图

根据表一数据，结合图3关系曲线和拟合曲线图，推出二者的函数关系式为：Eo=114/7+5N63.5/7。

4 结语

（1）宁夏南部碎石土密实度属稍密－中密，颗粒级配良好，含泥量大，抗剪强度较低，天然重度较小，地基承载力特征值偏小，变形模量较小。

（2）宁夏南部碎石土，重型圆锥动探试验锤击数越高，其变形模量值明显的越大，反之，当重型圆锥动探试验锤击数越小，其变形模量值明显的越小，二者有一定的对应关系。在宁夏南部碎石土中，根据其重型圆锥动探试验锤击数，用N63.5-Eo关系对应曲线图，确定出该土层的重型圆锥动力触探试验锤击数N63.5与变形模量Eo值的函数关系式为：Eo=114/7+5N63.5/7。