旁压试验和标准贯入试验与砂土变形模量的相关性

2021-12-15屈鹏飞孟轲荆赵占宇

岩土工程技术 2021年6期

沈振屈鹏飞孟轲荆赵占宇

（1.北京京能地质工程有限公司，北京 102300；2.北京昆仑利时勘察基础工程有限公司，北京 101400）

0 引言

原位试验是指岩土体在原来所处的位置上或基本上在原位状态和应力条件下对岩土性质进行的测试[1-3]。原位试验对天然地基岩土体的扰动较小，通常能够比室内试验获得更加可靠的岩土体相关参数，从而提高地基检测的准确性。旁压试验和标准贯入试验是原位试验较为常用的试验方法，两者应用都较为广泛。土体的变形模量E0是指土体在无侧限条件下的应力与应变的比值[4]。工程中的变形模量通常通过载荷试验结果求得。在p-s曲线的直线段或接近直线段任选一压力p及与其对应的沉降s，再利用弹性力学公式，即可求得岩土体的变形模量。变形模量也可以通过旁压试验获得。由于变形模量是通过原位试验（如载荷试验、旁压试验）得到的力学参数，从理论上讲，利用变形模量进行沉降计算的结果更为可靠和准确[5]。但载荷试验和旁压试验都具有过程复杂、耗时长、不经济的缺陷，而标准贯入试验则是工程中常用、快捷、经济的一项原位测试手段。标准贯入试验击数可以较准确反映岩土体的密实度。研究表明，标准贯入试验数据与变形模量二者之间存在很高的相关性。如肖先波[6]根据厦门轨道交通1 号线勘察工作，对花岗岩残积粉质黏土标准贯入试验与变形模量之间建立线性拟合曲线，但仅限于黏性土，没有拓展到其他岩土层。陈法波等[7]就福建平潭风化花岗岩原位测试及岩土参数取值进行了深入研究。于元峰等[8]在对沙漠砂室内大中型槽原位模拟试验和现场原位试验的基础上，建立了静力触探、标准贯入指标与沙漠砂变形模量和地基承载力间经验关系。汪浩等[9]通过预钻式旁压试验，重点分析红黏土各物理参数随土层深度的变化关系。唐竞等[10]采用室内土工试验与现场原位试验相结合的方式，对不同埋深粉砂细层的旁压承载特性指标变化规律进行了对比分析。

标准贯入试验击数与变形模量的研究大多集中于黏性土地层，针对砂土的变形模量研究未分别考虑不同粒组的砂土。标准贯入试验击数与变形模量的关系多以经验数据表示，没有统一的理论公式。本文在前人的研究基础上，基于工程实例，按照粉细砂和中粗砂对砂土进行分类，将不同粒组砂土标准贯入试验击数N与旁压试验获得的变形模量E0建立关系式，通过此关系式，可利用标准贯入试验击数换算出变形模量E0，为工程设计及科学研究提供参数。

1 旁压试验及标准贯入试验与变形模量

旁压试验是一种水平向原位载荷试验，主要通过旁压器加压对土体施加径向均匀压力，根据得到的压力与径向位移关系曲线得出土体承载力特征值。已有研究表明，旁压试验适用于软岩地基承载特性评价[11-14]。本工程采用预钻式旁压试验[15]（PMT），通过旁压器在预先打好的钻孔中对孔壁施加横向压力，使土体产生径向变形，利用仪器量测孔周岩土体的径向压力与变形关系，测求地基土的原位力学状态和力学参数。

变形模量的取值参照《铁路工程地质原位测试规程》(TB 10041-2003)确定[16]。

式中：E0为变形模量，MPa；K为变形模量转换系数，无量纲，按表1取值，本案例均取下限值；Gm为旁压剪切模量，MPa。

表1 变形模量转换系数表

标准贯入试验(SPT)是用质量63.5 kg 的穿心锤，以76 cm 的自由落距，将标准规格的贯入器打人试验土层中，先对钻孔底部预打15 cm，再记录打入30 cm的锤击数，根据锤击数来推定土的力学特性的一种原位试验方法。标准贯入试验不仅广泛应用于岩土工程勘察，在地基检测中也有较为广泛地应用。本次采用自动脱钩的自由落锤法进行标准贯入试验[3]。

标准贯入试验击数和变形模量均可反映岩土体的力学性质。击数的高低、模量的大小与岩土体力学强度具有很高的相关性。于元峰等[8]总结出根据标准贯入击数N确定沙漠砂变形模量（见表2）。

表2 用N 确定沙漠砂变形模量E0[8]

王晓峰和王树怀[17]建立的砂土动探、标贯及主要物理力学指标关系综合表，总结了砂土的动探击数N63.5与标贯击数N及其与其他主要物理力学指标之间的关系。实现了依据标贯击数N或动探击数N63.5对砂土的主要工程特性指标的全面评价以及指标之间的相互转换，并按照中粗砂、粉细砂等不同粒径进行了分类对比。对比结果表明，在相同标准贯入试验击数情况下，中粗砂与粉细砂变形模量相差较大。为了更准确地反映标准贯入试验与变形模量的关系，本文将砂土按照中粗砂和粉细砂两种不同粒径分别与变形模量建立关系式。

2 研究概况

2.1 勘察方法及完成的工作量

本工程勘察采用工程钻探、物探、原位测试（包括旁压试验）及室内试验相结合的方法。工程钻探采用DPP-100 型钻机回转钻进和SH-30 型锤击钻进相结合，完成钻孔22 个，钻探进尺345 m。在钻探过程中对黏性土及粉土层取得原状土样117 件，对砂土、粉土及黏性土进行标准贯入试验（SPT）112 次，取得扰动样29 件，对碎石土进行重型动力触探试验0.3 m，在管道管顶、管中、管底位置进行旁压试验。

为研究标准贯入试验击数N与砂土变形模量的相关性，结合工程勘察实例，设计了砂土的旁压试验和标准贯入试验方案。选取14 个钻孔对粉砂、细砂、中砂、粗砂层分别进行旁压试验共计32 次，为获取同一地层同深度的试验数据，在距离旁压试验钻孔1.0 m 处再开孔钻进至同一深度，对该砂土层进行标准贯入试验。进行标准贯入试验前，对标准贯入仪器进行仔细校准并使用新标贯头，确保试验结果精准可靠。对各类砂层标准贯入试验击数N与旁压试验获得的变形模量E0进行统计分析，总结出E0与N之间的计算公式。