雙橋靜力觸探與土的壓縮模量關(guān)系研究

茍聯(lián)盟, 王 恒

(1.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 210014;2.江蘇河海工程技術(shù)有限公司,江蘇 南京 210022)

0 引 言

江蘇省地貌單元[1]總體可劃分為沂沭丘陵-平原區(qū)(Ⅰ)、徐淮黃泛平原區(qū)(Ⅱ)、里下河淺洼平原區(qū)(Ⅲ)、蘇北濱海平原區(qū)(Ⅳ)、長(zhǎng)江三角洲平原區(qū)(Ⅴ)、太湖水網(wǎng)平原區(qū)(Ⅵ)、寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵崗地-平原區(qū)(Ⅶ)等七個(gè)地貌分區(qū)。江蘇省內(nèi)總體以平原地貌為主,其第四系地層分布廣泛且厚度一般較大。第四系地層主要由淤泥及淤泥質(zhì)土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂土及混合土組成,其主要成因有河湖相、河流相、湖沼相、濱海相、濱海淺海相、海陸交互相等。其土性特征得以使靜力觸探等原位測(cè)試方法得到大量應(yīng)用。

1 既有研究成果

靜力觸探試驗(yàn)[2-4]是用靜力將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的錐形探頭勻速壓入土中,量測(cè)探頭所受到的阻力,并據(jù)此估測(cè)土的力學(xué)指標(biāo)和進(jìn)行土層劃分的一種原位試驗(yàn);采用兩個(gè)傳感器和兩個(gè)橋路,以分別量測(cè)探頭端部所受阻力及探頭側(cè)壁所受阻力的探頭稱為雙橋靜力觸探試驗(yàn)。

雙橋靜力觸探試驗(yàn)適用的土層比較廣泛,可用于軟土、黏性土、粉土、砂類土及素填土等土層。

靜力觸探試驗(yàn)最早在1932年出現(xiàn)于荷蘭,荷蘭巖土力學(xué)奠基人Buisman曾建議[2],砂土的壓縮模量ES與靜力觸探錐頭阻力qc存在如下的關(guān)系式。

ES=1.5qc

(1)

式中:ES是固結(jié)試驗(yàn)求得的壓縮模量,MPa。

公式(1)是由下列假設(shè)推出來的: ①觸探頭類似壓進(jìn)半無限彈性壓縮體的圓錐;②壓縮模量是常數(shù),并且等于固結(jié)試驗(yàn)的壓縮模量ES;③應(yīng)力分布的Boussinesq理論是適用的;④與土的自重應(yīng)力相比,應(yīng)力增量很小。

我國(guó)在20世紀(jì)50年代引進(jìn)靜力觸探試驗(yàn),經(jīng)過國(guó)內(nèi)巖土人多年的研究,取得了很多成果。特別是對(duì)單橋靜力觸探試驗(yàn)比貫入阻力PS與壓縮模量ES的關(guān)系總結(jié)出多個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。

上述公式中鮮見采用雙橋靜力觸探試驗(yàn)探頭錐頭阻力與側(cè)摩阻力與壓縮模量之間關(guān)系,而在土層地層定名劃分中,雙橋靜力觸探試驗(yàn)探頭錐頭阻力與摩阻比雙指標(biāo)應(yīng)用已被證明其實(shí)用效果較比貫入阻力單指標(biāo)更加可靠[2]。

本文以江蘇省域內(nèi)107個(gè)工程的現(xiàn)場(chǎng)雙橋靜力觸探試驗(yàn)與鉆探室內(nèi)土工試驗(yàn)進(jìn)行分析,以擬合固結(jié)試驗(yàn)求得的壓縮模量Es與現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試錐頭阻力與側(cè)摩阻力之間的關(guān)系。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 統(tǒng)計(jì)對(duì)象與主要土層指標(biāo)

本文選取對(duì)象為江蘇省內(nèi)百余個(gè)工程項(xiàng)目勘察成果,以線路工程為主,含南京、鎮(zhèn)江、常州、無錫、蘇州、揚(yáng)州、泰州、南通、淮安、鹽城、連云港、宿遷等區(qū)域,包括各地貌分區(qū)的多地質(zhì)成因黏性土,土性主要為淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、黏土。各工程先進(jìn)行原始土樣分層統(tǒng)計(jì),本次對(duì)各工程統(tǒng)計(jì)后的分層成果數(shù)據(jù),按地層再匯總至本次樣本數(shù)進(jìn)行分析(表中樣本數(shù)為各工程每個(gè)地質(zhì)層的樣本層數(shù),實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)大于此),其典型參數(shù)如表2所示。

2.2 回歸分析

我們對(duì)工程數(shù)據(jù)進(jìn)行了匯總,并對(duì)各指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行了初步分析,詳見表3。

根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果,天然含水量、天然孔隙比、液性指數(shù)、壓縮系數(shù)等指標(biāo)與雙橋靜力觸探試驗(yàn)探頭錐頭阻力qc、側(cè)摩阻力fs之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;質(zhì)量密度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮模量等指標(biāo)與雙橋靜力觸探試驗(yàn)探頭錐頭阻力qc、側(cè)摩阻力fs之間呈正相關(guān)關(guān)系;其中壓縮模量與錐頭阻力qc、側(cè)摩阻力fs的相關(guān)系數(shù)均大于0.8,相關(guān)性較高,有必要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

依據(jù)上述工程的試驗(yàn)成果,分別作雙橋靜力觸探試驗(yàn)錐頭阻力qc、探頭側(cè)摩阻力fs與壓縮模量ES的散點(diǎn)圖(圖1、圖2)

圖1 壓縮模量ES與錐頭阻力qc散點(diǎn)圖

由圖1、圖2可見,壓縮模量ES不僅與雙橋靜力觸探試驗(yàn)錐頭阻力qc相關(guān)性高,同時(shí)與探頭側(cè)摩阻力fs也有很好的相關(guān)性。

圖2 壓縮模量ES與探頭側(cè)摩阻力fs散點(diǎn)圖

據(jù)此,我們采用多因子回歸對(duì)壓縮模量與雙橋靜力觸探試驗(yàn)探頭錐頭阻力與側(cè)摩阻力之間關(guān)系進(jìn)行擬合分析,其回歸關(guān)系式為:

ES=2.695+0.542qc+0.045fs

(2)

式中:ES為固結(jié)試驗(yàn)求得的壓縮模量,MPa;qc為雙橋靜力觸探試驗(yàn)探頭錐頭阻力,MPa;fs,雙橋靜力觸探試驗(yàn)探頭側(cè)摩阻力,kPa。

回歸擬合分析過程詳見表4～表6。

表4回歸統(tǒng)計(jì)中Multiple R自變量和因變量的相關(guān)系數(shù),一般在-1～1,絕對(duì)值越靠近1則相關(guān)性越強(qiáng),越靠近0則相關(guān)性越弱。該值在0.85以上表示高度相關(guān),0.6～0.85表示顯著相關(guān),0.4～0.6表示低度相關(guān),0.4以下表示不相關(guān)。

本次回歸統(tǒng)計(jì)的MultipleR>0.85,表明壓縮模量與錐頭阻力與側(cè)摩阻力兩因子高度相關(guān)。

由表5可見,SignificanceF對(duì)應(yīng)的是在顯著性水平下的Fα臨界值,即棄真概率。一般以<0.05為顯著,<0.01 為非常顯著。表中SignificanceF=1.6007E-123?0.0001,故置信度在99.99%以上。

由表6變量系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)可見,P-value對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)根據(jù)顯著性檢驗(yàn)方法所得到的P值,一般以P<0.05 為顯著,P<0.01 為非常顯著,P值越小越好。表6兩個(gè)變量(兩橋靜力觸探試驗(yàn)探頭錐頭阻力與側(cè)摩阻力)的P值均?0.01,故非常顯著。

2.3 與單因子比對(duì)

同等樣本數(shù)條件下,采用單因子回歸對(duì)壓縮模量與雙橋靜力觸探試驗(yàn)探頭錐頭阻力之間關(guān)系進(jìn)行擬合分析,回歸統(tǒng)計(jì)分析見表7～表9。經(jīng)擬合,其回歸關(guān)系式為:

ES=2.69+2.04qc

(3)

單因子回歸統(tǒng)計(jì)表7與采用多因子(探頭錐頭阻力與側(cè)摩阻力)的回歸統(tǒng)計(jì)表4對(duì)比,可見:

采用單因子錐頭阻力與壓縮模量的回歸統(tǒng)計(jì)MultipleR值約為0.778,未達(dá)到0.85,表明壓縮模量與錐頭阻力為顯著相關(guān),尚未達(dá)到高度相關(guān)。

從而表明,壓縮模量與雙橋靜力觸探試驗(yàn)探頭錐頭阻力、側(cè)摩阻力之間的回歸關(guān)系式較單一指標(biāo)探頭錐頭阻力的擬合情況好。

2.4 工程驗(yàn)證

以江蘇省大豐疏港高速公路工程三標(biāo)的實(shí)際詳細(xì)勘察階段雙橋靜力觸探試驗(yàn)及土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,各地層物理性質(zhì)指標(biāo)見表10。

表1 PS(MPa)與ES(MPa)關(guān)系式

表2 江蘇省黏性土主要物性指標(biāo)及雙橋靜探參數(shù)

表3 各指標(biāo)相關(guān)性分析

表4 多因子回歸統(tǒng)計(jì)

表5 方差分析

表6 變量系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)

表7 單因子回歸統(tǒng)計(jì)

表8 方差分析

表9 變量系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)各層實(shí)測(cè)雙橋靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果,按壓縮模量與雙橋靜力觸探試驗(yàn)探頭錐頭阻力、側(cè)摩阻力之間擬合公式(2)計(jì)算的壓縮模量值及與試驗(yàn)值對(duì)比情況見表11。

表11 探頭錐頭阻力、側(cè)摩阻力計(jì)算壓縮模量

采用壓縮模量與雙橋靜力觸探試驗(yàn)探頭錐頭阻力單指標(biāo)擬合公式(3)計(jì)算的壓縮模量值及與試驗(yàn)值對(duì)比情況見表12。

表12 雙橋靜力觸探探頭錐頭阻力計(jì)算壓縮模量

由表10、表11分析可見,采用錐頭阻力qc單一指標(biāo)擬合時(shí),雖然有部分層位指標(biāo)偏差率較小,但部分指標(biāo)偏差率達(dá)11.98%～22.19%,采用雙橋靜力觸探試驗(yàn)錐頭阻力、側(cè)摩阻力的擬合關(guān)系式計(jì)算的壓縮模量與固結(jié)試驗(yàn)壓縮模量偏差離散性較小,有較好的實(shí)用性。

3 總 結(jié)

3.1 小結(jié)

基于雙橋靜力觸探試驗(yàn)在江蘇省內(nèi)的廣泛使用,本文結(jié)合江蘇省第四系地層各地貌單位及不同地質(zhì)成因的淤泥質(zhì)土、黏土、粉質(zhì)黏土等黏性土雙橋靜力觸探試驗(yàn)成果與其各層物理性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析,重點(diǎn)對(duì)原位測(cè)試探頭錐頭阻力、側(cè)摩阻力與室內(nèi)試驗(yàn)的壓縮模量之間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析,得到以下主要結(jié)論:

(1) 對(duì)過回歸擬合分析,黏性土壓縮模量與雙橋靜力觸探錐頭阻力、側(cè)摩阻力雙指標(biāo)高度相關(guān),其相關(guān)性較壓縮模量與雙橋靜力觸探錐頭阻力單一指標(biāo)的相關(guān)性高,并得到其回歸關(guān)系式。

(2) 通過對(duì)江蘇省大豐疏港高速公路工程三標(biāo)實(shí)際工程的分析計(jì)算,壓縮模量與雙橋靜力觸探錐頭阻力、側(cè)摩阻力的回歸關(guān)系式得到較好的驗(yàn)證。

3.2 其他說明

(1) 工程上常常把地層錐頭阻力qc<0.35 MPa時(shí)定義為淤泥;本文回歸統(tǒng)計(jì)時(shí),qc<0.35 MPa者數(shù)據(jù)偏少,此類土不建議采用此公式應(yīng)用。

(2) 文中的擬合公式以江蘇省內(nèi)項(xiàng)目為依托,其他地區(qū)使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證。