岩土强度参数选取方法研究及工程应用

2024-06-10杨威

工程机械与维修 2024年3期

杨威

摘要：为解决岩土勘察中强度指标的确定问题，以海南省G98环岛高速公路大三亚扩容工程SJ01标段岩土工程勘察为研究背景，在分析场区岩土工程地质特征基础上，采用室内试验和原位测试的方法获取各层土体的力学强度参数，并运用数理统计方法对各层土力学指标进行处理，研究力学强度参数的概率密度分布，用于指导实际岩土工程强度参数的确定。

关键词：建筑工程；岩土强度参数；黏土；比贯入阻力；内摩擦角；黏聚力

0 引言

在岩土工程勘察中，岩土强度参数的确定是最为重要的工作内容[1]。其确定方法一般是在室内试验成果和原位测试成果的基础上，采用数理统计的方法进行处理和选取[2]。然而，岩土体受到历史成因环境以及地质应力、人类活动等因素的影响，其力学性质表现出明显的空间变异性、随机性和各向异性，室内试验采用单点取样的方法，对于认识的岩土体的强度特性存在明显缺陷[3-4]。

为解决岩土勘察中强度指标的确定问题，本文以海南省G98环岛高速公路大三亚扩容工程SJ01标段岩土工程勘察为研究背景，采用室内试验和原位测试的方法，获取各层土体的力学强度参数，并运用数理统计方法对各层土力学指标进行处理，研究力学强度参数的概率密度分布，用于指导实际岩土工程强度参数的确定。

1 工程概况

G98环岛高速公路大三亚段扩容工程SJ01标段，起点位于陵水县城北侧南平居，在起点处设南平枢纽接远期G98高速万宁段扩容走廊后转向西南，经走装水库、隆广镇、田仔水库，设英州北互通接英州连接线，向西经南田农场，在赤田水库水源保护区北侧。设赤田枢纽与S86山海高速交叉，向西进入保亭县三道镇，设三道互通接G224海榆中线，终点位于保亭三道互通段。全长约32.556km，共设置桥梁26座，占路线长度的29.87%。设6处互通立交，其中枢纽互通2处。设服务区1处、养护工区1处。

2 场区岩土体工程地质特征

路线总体呈东北-西南方向，地貌单元较单一，地貌类型总体上可划分为剥蚀台地地貌和河流阶地地貌，海拔高度在12.0～99.5m之间，相对高度在20～40m 之间，自然斜坡坡度为5～30°。剥蚀台地主要由花岗岩风化剥蚀风化作用形成，地形有一定起伏，最大高差小于10.0m，分布有低矮灌木和橡胶林等，植被茂密，沿线种植大量经济作物，台地间平坦低洼地段多水田耕地。

河流阶地主要由地壳垂直升降运动影响和河流侵蚀、搬运和堆积作用形成，位于藤桥东河两岸，地形较平坦开阔，最大高差小于3.0m，沿线分布有桉树和少量灌木。沿线地层由冲洪积物和残、坡积物组成，主要为粉质黏土、砂质黏性土和砾质黏性土。

由外业钻探揭露以及原位测试资料可知，场区钻探深度范围内的岩土层主要由4层组成，分别为①层素填土（Q4ml）、②层粉质黏土（Q4al+pl）、③层砂质黏性土（Qel+dl）和④层砾质黏性土（Qel+dl），以上各土层地层分布及厚度变化如表1所示。

对场区②层粉质黏土、③层砂质黏性土和④层砾质黏性土进行取样和室内土工试验，测试结果如表2所示。从表2可以看出，②层粉质黏土、③层砂质黏性土和④层砾质黏性土的含水量和孔隙比较为接近，含水量范围为23.4%～24.9%，孔隙比范围为0.644～0.682。③层砂质黏性土和④层砾质黏性土的液限和塑限相近，且较②层粉质黏土的液限和塑限大。

3 岩土体强度参数统计及概率密度分布

3.1 室内土工试验强度参数统计

在场区的岩土工程勘察室内土工试验中，共收集到②层粉质黏土数据7个，③层砂质黏性土34个，④层砾质黏性土72个。在场区静力触探试验中，收集到比贯入阻力參数②层粉质黏土数据7个，③层砂质黏性土30个，④层砾质黏性土30个。对室内土工试验强度参数的统计结果如表3所示。

从表3中可以看出，②层粉质黏土、③层砂质黏性土和④层砾质黏性土的黏聚力依次增大，③层砂质黏性土和④层砾质黏性土的黏聚力相差较小，且为②层粉质黏土的黏聚力的2.5倍左右。②层粉质黏土、③层砂质黏性土和④层砾质黏性土的内摩擦角依次增大，但增幅较小。③层砂质黏性土和④层砾质黏性土的压缩系数相近，且为②层粉质黏土压缩系数的一半。④层砾质黏性土的压缩模量比③层砂质黏性土的压缩模量略大，但两者的压缩模量均比②层粉质黏土的压缩大约一倍。

3.2 黏聚力概率密度分布

图1至图3分别为②层粉质黏土、③层砂质黏性土和④层砾质黏性土黏聚力概率密度分布图。从图1至图3中可以看出，③层砂质黏性土和④层砾质黏性土的概率密度曲线较为“高瘦”，表明这两层土的黏聚力离散性较小。②层粉质黏土的概率曲线较为“矮胖”，但其黏聚力数据人具有较好的统计规律，其标准差为0.25。场区各土层的黏聚力空间变异较小，可以作为岩土强度特性评价的基础参数。

3.3 比贯入阻力概率密度分布

对静力触探试验比贯入阻力的统计结果如表4所示。从表4中可以看出，②层粉质黏土、③层砂质黏性土和④层砾质黏性土的比贯入阻力平均值依次增大，这与表3中土工试验黏聚力和内摩擦指标的变化趋势较为一致，表明静力触探试验的比贯入阻力，可以较好地反映岩土体的强度特性。

图4至图6分别为②层粉质黏土、③层砂质黏性土和④层砾质黏性土的比贯入阻力概率密度分布图。从图4至图6可以看出，②层粉质黏土、③层砂质黏性土和④层砾质黏性土的概率密度曲线具有较好的一致性，分布较为集中，②层粉质黏土、③层砂质黏性土和④层砾质黏性土对应的变异系数分别为0.10、0.09、0.07。因此，场区各土层的土体性质较为均匀，比贯入阻力空间变异较小，建立静力触探试验比贯入阻力与黏聚力和内摩擦指标的相关关系，对于评价岩土体的岩土强度特性，定量化确定岩土体的强度指标具有十分重要的作用。

4 岩土体强度参数的相关关系

基于静力触探试验比贯入阻力与室内土工试验强度指标的数据统计分析，建立静力触探试验比贯入阻力与室内土工试验内摩擦角和黏聚力的相关关系，结果如图7和图8所示。

从图7和图8中可以看出，静力触探试验比贯入阻力与室内土工试验内摩擦角和黏聚力均具有良好的线性拟合关系，且拟合系数R2均大于0.90，其拟合关系如公式（1）、（2）所示。

Ps=51.345c （1）

Ps=0.2263φ （2）

式中：Ps为静力触探试验比贯入阻力，单位为MPa；c为室内土工试验黏聚力，MPa；φ为室内土工试验内摩擦角，单位为 ?。

5 结束语

本文以海南省G98环岛高速公路大三亚扩容工程SJ01标段岩土工程勘察为研究背景，运用数理统计方法对各层土的力学指标进行处理，研究其概率密度曲线分布，用于指导实际岩土工程强度参数确定，得到以下几个结论：

基于各土层的强度指标统计结果及概率密度曲线分析表明，各土层的土体性质较为均匀，强度参数变化稳定，空间变异较小，可将黏聚力和内摩擦指标作为岩土强度特性评价的基础参数，建立静力触探试验比贯入阻力与黏聚力和内摩擦指标的相关关系。

对静力触探试验比贯入阻力与室内土工试验内摩擦角和黏聚力，建立拟合关系表明，静力触探试验比贯入阻力与室内土工试验内摩擦角和黏聚力，均具有良好的线性拟合关系，且拟合系数R2均大于0.90。

参考文献

[1] 李斌，王大国，何治良，等.三轴条件下岩石抗剪强度参数线性回归法的修正[J].岩土力学，2022，43（10）：2689-2697.