基于原位测试方法的土体变形参数研究

杨 威 （海南省交通规划勘察设计研究院，海南 海口 570206）

0 引言

在岩土工程勘察中，获取土体的压缩模量指标是最为重要的工作内容之一。一般采用的方法有经验类比法、室内压缩试验、静力触探试验CPT、扁铲侧胀试验DMT、标准贯入试验SPT 和旁压试验PMT 等[1]。其中经验类比法一般与实际情况相差较大，在初步估算时较为常用，但极易出现偏差；室内压缩试验方法受到试样取样、制样等过程的人为扰动，测试结果的可靠性受到影响，且测试试样为小样品，不能反映大尺度的岩土压缩特性。相对于DMT 试验、PMT 试验，静力触探试验和标准贯入试验是我国应用最为广泛的两种试验方法，且提供的参数均是在竖向荷载下测试得到，与压缩模量的竖向压缩具有相似的力学内涵，而DMT 试验和PMT 试验是在横向荷载作用下测试物理力学参数，测试参数的力学机理有所差别[2]。另一方面，旁压试验和扁铲侧胀试验的测试成本较高、测试时间较长，而标准贯入试验和静力触探试验则操作简单、操作时间相对较短，因此应用较为成熟。建立标准贯入试验参数和静力触探试验参数与压缩模量之间的相互关系，可为区域土体的力学参数的换算提供有益的参考。

1 工程概况及试验方法

海南省洋浦疏港高速公路主线起点在新昌村石牌河附近与G98 环岛高速相交，新建石牌互通，穿越环岛高铁，跨越光村水河，途经光村镇西南面、木棠镇与兰训乡中间、峨蔓镇南面，终点接洋浦港疏港公路洋浦大道园八路口，新建洋浦港互通，主线全长约33.3km，洋浦连接线全长约2.1km。

研究采用了地质钻探、原位测试（SPT 试验、CPT 试验）及取样试验综合勘探方法，对场区各土层展开物理力学指标参数测试。钻探过程中，采用回转钻进的方法进行取样，并运用泥浆护壁的方法保证钻孔壁的稳定，钻探设备为XY-1 型岩芯钻机，钻杆直径为42mm。为了保证钻孔岩芯的鉴定效果以及满足试样土工试验要求，钻孔采用合金钻进行开孔和钻进，开孔和终孔的直径均为110mm[3-5]。标准试验在钻探孔内完成，试验过程中采用标准锤（63.5kg），测试前先清空，并从孔底预先打入15cm以避免钻探扰动对试验结果的影响，按照每10cm记录1组锤击数，并连续记录30cm，为该组标准贯入试验段的总锤击数[6]。静力触探试验采用DYLC 履带式静探车进行测试，探头面积15cm2，测试时采用反力设备将静力触探探头匀速贯入土层中，土层阻力作用于静力触探探头内的电子元件，元件受压力产生电信号，并传输至LMC-310 型数据采集仪，进而采集信号形成比贯入阻力数字信号。为了保证静力触探试验结果的精确性和剖面的连续性，一般按1.2m/min 的速率进行贯入，每2cm 采集一个点数据[7-9]。

2 场区土体的现场测试成果

试验研究区内共取得了71 个孔的钻探和试验成果，完成地质钻探总进尺718.0m，其中鉴别孔12 个（138.0m）、静力触探孔32 个（308.0m）、取土和标贯孔27个（取原状样46 件，标贯试验46次，标贯孔进尺271.5m）。

研究区地基土构成层序自上而下主要由3 层构成，分别为①层杂填土（Qml）呈黄褐、灰褐夹杂色，湿，状态松散，表层主要为建筑垃圾夹黏性土回填，含碎石、混凝土块等，下部主要由黏性土构成，该层土属欠固结高压缩性土；②层粉质黏土（Q4al+pl）呈褐色，此层土属于中等偏低压缩性土[10]；③层黏土夹粉质黏土（Q4al+pl）呈灰黄色，此层属中等压缩性土。各土层的层厚及层底埋深等数据如表1所示。

表1 各土层的层厚及层底埋深（单位：m）

各土层的室内土工试验指标统计结果如表2所示。从表2中可以看出，②层粉质黏土和③层黏土夹粉质黏土的各物理指标参数分布较为集中，所有测试指标的变异系数均小于0.2[11]。③层黏土夹粉质黏土具有高液限特性，其液限平均值达到45.1%、塑限平均值达到24.4%，相对于②层粉质黏土的压缩模量，③层黏土夹粉质黏土的压缩模量略大，而孔隙比则略小。

表2 ②层粉质黏土的压缩模量和③层黏土夹粉质黏土的室内土工试验成果

3 基于原位测试方法的土体变形参数计算

现场原位测试完成后，对场地地基土进行了标准贯入试验成果和单桥静力触探试验成果统计分析，其结果如表3所示。从表3 中可以看出，②层粉质黏土的压缩模量、③层黏土夹粉质黏土的标准贯入试验锤击数N 和单桥静力触探比贯入阻力Ps均分布较为集中，变异系数小于0.15，表明测试结果得到的原位测试参数较为稳定，土层的物理力学性质较为均匀。

表3 场区各层土标准贯入试验和单桥静力触探试验测试结果

土体的压缩模量是评估土的压缩性和计算地基变形的重要指标，获取准确的压缩模量参数是岩土工程勘察的重要工作内容。由于室内土工试验获得的压缩模量是在取样和制备试样的基础上进行的，土样在天然地层中取出后，应力得到了释放，同时运输和制样也会对试样产生扰动，而标准贯入试验和静力触探试验作为两种常用的原位测试方法，能够保持土体在天然应力和天然含水量条件下进行测试，避免取样、运输和制样过程的结构扰动和损伤，因此利用两种原位测试方法对土体的压缩模量进行预测具有较高的可靠性[12-13]。研究通过对试验区内的标准贯入试验参数、静力触探试验参数以及室内土工试验压缩模量的数据进行对比分析，如表4 所示。建立压缩模量与标准贯入试验锤击数和静力触探试验比贯入阻力的拟合关系，分别如图1和图2所示。

图1 场区土层标准贯入锤击数和压缩模量的拟合关系

图2 场区土层标准贯入锤击数和比贯入阻力的拟合关系

表4 ②层粉质黏土的压缩模量、③层黏土夹粉质黏土的标准贯入试验和单桥静力触探试验拟合数据

从图1 中可以看出，研究区域②层粉质黏土和③层黏土夹峰值黏土的压缩模量均随着标准贯入锤击数的增加而增加，两者的拟合关系为线性关系，且拟合系数均大于0.95，表明采用标准贯入锤击数进行表征压缩模量具有良好的相关性。②层粉质黏土和③层黏土夹峰值黏土的压缩模量拟合计算关系式分别如公式（1）和公式（2）所示。

从图2 中可以看出，研究区域②层粉质黏土和③层黏土夹峰值黏土的压缩模量均随着单桥静力触探试验比贯入阻力的增加而增加，两者的拟合关系为线性关系，且拟合系数均大于0.90，表明采用单桥静力触探试验比贯入阻力进行表征压缩模量具有良好的相关性。②层粉质黏土和③层黏土夹峰值黏土的压缩模量拟合计算关系式分别如公式（3）和公式（4）所示。

式中，ES为土体的压缩模量；PS为土体的单桥静力触探试验比贯入阻力。

4 结论

以海南省洋浦疏港高速公路项目岩土工程勘察为研究对象，运用现场实测的方法，研究标准贯入锤击数和比贯入阻力与土体压缩模量的相互关系，得到以下结论。

钻探揭露和室内土工试验结果表明，场区②层粉质黏土属于中等偏低压缩性土，③层黏土夹粉质黏土属中等压缩性土，③层黏土夹粉质黏土具有高液限特性，其液限平均值达到45.1%，相对于②层粉质黏土的压缩模量，③层黏土夹粉质黏土的压缩模量略大，而孔隙比则略小。

原位测试结果表明，标准贯入试验锤击数N 和单桥静力触探比贯入阻力Ps均分布较为集中，变异系数小于0.15，表明测试结果得到的原位测试参数较为稳定，土层的物理力学性质较为均匀。

研究区域②层粉质黏土和③层黏土夹峰值黏土的压缩模量均随着标准贯入锤击数的增加而增加，两者的拟合关系为线性关系，且拟合系数均大于0.95，计算方法如式（1）和式（2）所示；压缩模量均随着单桥静力触探试验比贯入阻力的增加而增加，两者的拟合关系为线性关系，且拟合系数均大于0.90，计算方法如式（3）和式（4）所示。