土體標(biāo)貫N值與力學(xué)指標(biāo)參數(shù)相關(guān)性分析

李中華，周明坡，劉曉強，田 棟，李明益

(1.中交天航港灣建設(shè)工程有限公司，天津 300450；2.中交天津航道局有限公司，天津 300450；3.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，天津 300456；4.長江航道局，武漢 430010)

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗技術(shù)是一種原位土工測試技術(shù)，最早起源于1927年的歐洲。20世紀(jì)40年代該技術(shù)快速發(fā)展，其中尤以美國和日本應(yīng)用最為廣泛。我國在1942年引入該技術(shù)并逐漸推廣。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的英文縮寫是SPT，該技術(shù)在土木工程的測試機研究工作中應(yīng)用十分廣泛，主要包括對地基土的液化判別、劃分殘積土和風(fēng)化巖的界限、估算單樁承載力、估算土層的剪切波速、判別砂土的密實程度和相對密實度、確定砂土的內(nèi)摩擦角、確定地基土的承載力及模量、確定黏性土狀態(tài)和無側(cè)限抗壓強度等[1-2]。肖先波等[3]利用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗可以獲得土體標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)，建立二者之間的區(qū)域性相關(guān)關(guān)系，可以豐富試驗數(shù)據(jù)，降低工作成本。以廈門軌道交通1號線勘察工作為背景，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗和旁壓試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了花崗巖殘積粉質(zhì)黏土、輝綠巖殘積粉質(zhì)黏土修正標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)與變形模量之間的關(guān)系式。研究結(jié)果表明，花崗巖殘積粉質(zhì)黏土的工程特性要優(yōu)于輝綠巖殘積粉質(zhì)黏土。郭淋等[4]以武漢某地鐵工程為例，通過標(biāo)貫試驗和室內(nèi)土工試驗，對地基土標(biāo)貫試驗指標(biāo)N值與土體部分物理力學(xué)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了研究，并給出了線性擬合關(guān)系式及其相關(guān)系數(shù)。張占榮等[5]以廣東某鐵路沿線土體為例，通過室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試驗的對比分析，研究了土體力學(xué)參數(shù)隨標(biāo)貫擊數(shù)的變化關(guān)系。研究表明：修正的綜合強度指標(biāo)和壓縮模量均隨標(biāo)貫擊數(shù)的增大而增大，相關(guān)性較好。上述研究成果為通過標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗研究土體力學(xué)參數(shù)提供了一定的理論依據(jù)，并可為相關(guān)研究提供參考和借鑒。徐佳成等[6]借助VBA語言對Excel進(jìn)行二次開發(fā)，建立了靜力觸探實驗數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫不但具有信息量大、操作簡單、代碼開放等特點，而且具有隨著庫中數(shù)據(jù)量的豐富，其分析結(jié)果可靠性越高的優(yōu)點。并且以該庫中的上海地區(qū)18個工程項目的巖土工程勘察的實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別對靜力觸探實驗比貫入阻力Ps與土的壓縮模量E0、固結(jié)快剪指標(biāo)(ccq、φcq)、以及三軸固結(jié)不排水指標(biāo)(ccu、φcu)做了相關(guān)性分析，得到三組關(guān)系式；王龍等[7]通過標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、靜力觸探試驗及室內(nèi)土工試驗，對濱海新區(qū)不同沉積成因下的堿渣的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，并對它們之間的關(guān)系進(jìn)行了對比研究。田麗麗等[8]通過收集天津市區(qū)埋深30.0 m以上地層的標(biāo)貫擊數(shù)和錐尖阻力，采用SPSS軟件進(jìn)行回歸分析兩個指標(biāo)之間的相關(guān)性并建立回歸公式，基于收集的資料對黏性和砂性土進(jìn)行回歸驗證，但由于收集的資料和驗證的場地均相對較少，適用范圍較小，在使用時還需結(jié)合施工經(jīng)驗綜合確定。

針對于土體標(biāo)貫試驗擊數(shù)N值與土體參數(shù)的相關(guān)性分析，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了相關(guān)研究工作，取得了一定的研究成果，土體標(biāo)貫值來自于現(xiàn)場測試，相對比室內(nèi)試驗測試受外界環(huán)境影響更小，因此以現(xiàn)場標(biāo)貫測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，探索土體各個參數(shù)間的聯(lián)系具有重要的意義；但是，由于土體結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜性以及土體分布具有明顯的區(qū)域性，不同區(qū)域土體性質(zhì)以及土體各個參數(shù)之間的關(guān)系差別較大，因此開展特定區(qū)域土體標(biāo)貫試驗N值與土體參數(shù)的相關(guān)性具有重要的實際工程意義。

1 標(biāo)貫試驗原理及數(shù)據(jù)處理

1.1 工程概況

長江干線武漢至安慶段6 m水深航道整治工程馬當(dāng)河段施工區(qū)域位于長江九江至安慶之間的馬當(dāng)河段與東流河段。上起小孤山，下迄吉陽磯，全長約61 km。該工程是國家發(fā)改委為響應(yīng)我國發(fā)揮水運比較優(yōu)勢，提升黃金水道功能等一系列發(fā)展長江經(jīng)濟帶的國家戰(zhàn)略措施之一。馬當(dāng)河段施工的主要建設(shè)內(nèi)容為馬當(dāng)水道棉外洲順壩加高工程、馬當(dāng)水道左槽中段潛壩工程、馬當(dāng)水道棉外中部護(hù)灘工程、馬當(dāng)水道瓜子號洲右側(cè)中部護(hù)灘帶工程、東流水道天玉串溝控制工程、馬當(dāng)水道疏浚工程等。研究試樣土體取自馬當(dāng)河段施工區(qū)域，該工程區(qū)域土體以粉細(xì)砂為主，工程勘察及取土范圍在地表以下30 m。

1.2 標(biāo)貫試驗原理

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗是利用63.5 kg的重錘將標(biāo)準(zhǔn)型號的測試設(shè)備擊入測試區(qū)域的土體之中，從而利用不同的擊錘次數(shù)來判別該區(qū)域土體的工程性質(zhì)，由于該測試技術(shù)為現(xiàn)場試驗，與室內(nèi)試驗測試相比，其受運輸、擾動以及人為干擾等因素影響較少，因而得到了工程專業(yè)的廣泛認(rèn)可。

1.3 試驗數(shù)據(jù)處理

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗精度的影響因素有很多，如試驗測試設(shè)備、測試方法以及人為的控制技術(shù)等，一般需要對試驗測試所得的N值在桿長、上覆壓力以及地下水位等幾方面進(jìn)行修正，本文根據(jù)規(guī)范[9]對標(biāo)貫擊數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)值，而對壓縮性指標(biāo)、物性指標(biāo)和判別土的狀態(tài)時所使用的物理量均采用平均值，對承載力采用特征值。標(biāo)貫擊數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值Xk可按下式計算

Xk=Φ×μ

(1)

式中：Φ為統(tǒng)計修正系數(shù)；μ為標(biāo)貫擊數(shù)的平均值，擊。

式(1)中統(tǒng)計修正系數(shù)Φ可按下式計算

(2)

式中：n為標(biāo)貫擊數(shù)的數(shù)據(jù)數(shù)量，個，n應(yīng)不少于6個(組)；δ為變異系數(shù)，當(dāng)δ值較大時，應(yīng)分析原因，如分層是否合理、試驗有無差錯，并應(yīng)同時增加測試數(shù)量。

2 標(biāo)貫試驗N值與土體參數(shù)相關(guān)性分析

標(biāo)貫試驗指標(biāo)可以更好地反映工程區(qū)域土體的物理狀態(tài)，可以為土體的強度、變形以及地基承載能力等做出評價[10-14]。以現(xiàn)場標(biāo)貫試驗以及部分該區(qū)域室內(nèi)試驗指標(biāo)為基礎(chǔ)，建立標(biāo)貫指標(biāo)與該區(qū)域土體參數(shù)的相關(guān)性，對評價該工程以及其他相關(guān)地區(qū)土體參數(shù)的研究和設(shè)計具有重要實際工程意義。

2.1 標(biāo)貫數(shù)N與土體內(nèi)摩擦角的關(guān)系

土體內(nèi)摩擦角反映了散粒物料間摩擦特性和抗剪強度。土體內(nèi)摩擦角的性能主要體現(xiàn)在土顆粒之間的咬合力和材料表面的摩擦力，可以直接反映土體的抗剪強度，是土工工程中地基設(shè)計的重要參數(shù)。

圖1 室內(nèi)試驗土體內(nèi)摩擦角隨深度分布圖

圖1～圖2給出了長江航道整治工程馬當(dāng)河道區(qū)域室內(nèi)試驗內(nèi)摩擦角以及現(xiàn)場標(biāo)貫擊數(shù)隨土層深度的分布規(guī)律，該工程區(qū)域內(nèi)土體的內(nèi)摩擦角分布較為集中，分布范圍多集中在10°～30°，而土層的標(biāo)貫擊數(shù)分布較為分散，分布范圍在1～60。由圖可以看出，隨著土層深度的增加，該工程區(qū)域土體的內(nèi)摩擦角有逐漸增大的趨勢，而該區(qū)域的標(biāo)貫擊數(shù)隨土層深度增加更為明顯。

圖3 土體內(nèi)摩擦角與標(biāo)貫擊數(shù)關(guān)系曲線

由圖3可以看出：長江航道整治工程馬當(dāng)河道區(qū)域土體內(nèi)摩擦角與其標(biāo)貫擊數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系，標(biāo)貫擊數(shù)在0～30范圍內(nèi)土體的內(nèi)摩擦角隨標(biāo)貫擊數(shù)增加較為明顯，當(dāng)標(biāo)貫擊數(shù)大于30時，土體的內(nèi)摩擦角隨標(biāo)貫擊數(shù)增加而增大，但隨著標(biāo)貫擊數(shù)的增加，其增大趨勢逐漸平緩。砂土的內(nèi)摩擦角反映了土顆粒的表面摩擦力、顆粒間的聯(lián)鎖和咬合作用，進(jìn)而可以反映該地區(qū)土層情況。具體土體內(nèi)摩擦角與標(biāo)貫擊數(shù)的關(guān)系式為

c=11.28N0.2824

(3)

式中：c為土體內(nèi)摩擦角，N為標(biāo)貫擊數(shù)。

2.2 標(biāo)貫擊數(shù)N與地基承載力關(guān)系

地基承載力特征值是由載荷試驗測定的地基土壓力變形曲線線性變形段內(nèi)規(guī)定的變形所對應(yīng)的壓力值確定，其最大值為比例界限值。可由載荷試驗或其他原位測試、公式計算，并結(jié)合工程實踐經(jīng)驗等方法綜合確定[15]。

圖4 地基承載力與標(biāo)貫擊數(shù)關(guān)系曲線

圖4給出了長江航道整治工程馬當(dāng)河道區(qū)域地基承載能力與標(biāo)貫N值的關(guān)系曲線。由圖4可以看出，該工程區(qū)域地基承載能力與標(biāo)貫擊數(shù)基本呈線性關(guān)系，隨著標(biāo)貫擊數(shù)的增大，工程區(qū)域地基承載力不斷增加，試驗數(shù)據(jù)中標(biāo)貫擊數(shù)主要集中在20～40，地基承載能力在200～400 kPa。土體的地基承載力與標(biāo)貫擊數(shù)表達(dá)式為

fak=5.39N+122.3

(4)

式中：fak為地基承載力，N為標(biāo)貫擊數(shù)。

2.3 標(biāo)貫擊數(shù)N與壓縮模量的關(guān)系

土的壓縮模量指在側(cè)限條件下土的垂直向應(yīng)力與應(yīng)變之比，土體的壓縮模量可以直觀地判斷土體壓縮性能，是計算地基沉降變形的重要指標(biāo)。土體的壓縮模量一般通過室內(nèi)試驗測得[15]。土的壓縮模量指標(biāo)一般用Es來表示，土體壓縮模量Es越大，土的壓縮性越??；反之土體的壓縮模量Es越小，則土體的壓縮性就越大。

圖5 土體壓縮模量與標(biāo)貫擊數(shù)關(guān)系曲線

圖5是長江航道整治工程馬當(dāng)河道區(qū)域土體的壓縮模量與標(biāo)貫N值的關(guān)系曲線。由圖5可以看出，該工程區(qū)域土體的壓縮模量隨著標(biāo)貫擊數(shù)的增加而增大，該工程區(qū)域土體的壓縮模量與標(biāo)貫擊數(shù)基本呈線性關(guān)系，土體的壓縮模量主要分布在10～35 MPa范圍內(nèi)。土體壓縮模量與標(biāo)貫擊數(shù)的關(guān)系式為

Es=0.4N+7.892

(5)

式中：Es為土體壓縮模量，N為土體標(biāo)貫擊數(shù)。

3 結(jié)論

建立標(biāo)貫指標(biāo)與土體參數(shù)的相關(guān)性，對相關(guān)地區(qū)土體參數(shù)的研究和設(shè)計具有重要實際工程意義。針對長江航道整治工程馬當(dāng)河道整治區(qū)域現(xiàn)場標(biāo)貫指標(biāo)與土體參數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

(1)研究區(qū)域土體參數(shù)主要以砂土為主，土體的內(nèi)摩擦角和現(xiàn)場標(biāo)貫N值隨土層深度的增加有所增大，土體的內(nèi)摩擦角與現(xiàn)場標(biāo)貫N值呈冪函數(shù)關(guān)系；

(2)土體的地基承載力與現(xiàn)場標(biāo)貫N值呈線性關(guān)系，研究區(qū)域內(nèi)土體的地基承載力隨現(xiàn)場標(biāo)貫N值增加而增大；

(3)研究區(qū)域土體的壓縮模量與現(xiàn)場標(biāo)貫N值呈線性關(guān)系，土體的壓縮模量隨現(xiàn)場標(biāo)貫N值增加而增大。