旁壓試驗和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗與砂土變形模量的相關(guān)性

沈 振 屈鵬飛 孟軻荊 趙占宇

（1.北京京能地質(zhì)工程有限公司，北京 102300；2.北京昆侖利時勘察基礎(chǔ)工程有限公司，北京 101400）

0 引言

原位試驗是指巖土體在原來所處的位置上或基本上在原位狀態(tài)和應(yīng)力條件下對巖土性質(zhì)進(jìn)行的測試[1-3]。原位試驗對天然地基巖土體的擾動較小，通常能夠比室內(nèi)試驗獲得更加可靠的巖土體相關(guān)參數(shù)，從而提高地基檢測的準(zhǔn)確性。旁壓試驗和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗是原位試驗較為常用的試驗方法，兩者應(yīng)用都較為廣泛。土體的變形模量E0是指土體在無側(cè)限條件下的應(yīng)力與應(yīng)變的比值[4]。工程中的變形模量通常通過載荷試驗結(jié)果求得。在p-s曲線的直線段或接近直線段任選一壓力p及與其對應(yīng)的沉降s，再利用彈性力學(xué)公式，即可求得巖土體的變形模量。變形模量也可以通過旁壓試驗獲得。由于變形模量是通過原位試驗（如載荷試驗、旁壓試驗）得到的力學(xué)參數(shù)，從理論上講，利用變形模量進(jìn)行沉降計算的結(jié)果更為可靠和準(zhǔn)確[5]。但載荷試驗和旁壓試驗都具有過程復(fù)雜、耗時長、不經(jīng)濟(jì)的缺陷，而標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗則是工程中常用、快捷、經(jīng)濟(jì)的一項原位測試手段。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)可以較準(zhǔn)確反映巖土體的密實度。研究表明，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗數(shù)據(jù)與變形模量二者之間存在很高的相關(guān)性。如肖先波[6]根據(jù)廈門軌道交通1 號線勘察工作，對花崗巖殘積粉質(zhì)黏土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗與變形模量之間建立線性擬合曲線，但僅限于黏性土，沒有拓展到其他巖土層。陳法波等[7]就福建平潭風(fēng)化花崗巖原位測試及巖土參數(shù)取值進(jìn)行了深入研究。于元峰等[8]在對沙漠砂室內(nèi)大中型槽原位模擬試驗和現(xiàn)場原位試驗的基礎(chǔ)上，建立了靜力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入指標(biāo)與沙漠砂變形模量和地基承載力間經(jīng)驗關(guān)系。汪 浩等[9]通過預(yù)鉆式旁壓試驗，重點分析紅黏土各物理參數(shù)隨土層深度的變化關(guān)系。 唐 競等[10]采用室內(nèi)土工試驗與現(xiàn)場原位試驗相結(jié)合的方式，對不同埋深粉砂細(xì)層的旁壓承載特性指標(biāo)變化規(guī)律進(jìn)行了對比分析。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)與變形模量的研究大多集中于黏性土地層，針對砂土的變形模量研究未分別考慮不同粒組的砂土。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)與變形模量的關(guān)系多以經(jīng)驗數(shù)據(jù)表示，沒有統(tǒng)一的理論公式。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，基于工程實例，按照粉細(xì)砂和中粗砂對砂土進(jìn)行分類，將不同粒組砂土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)N與旁壓試驗獲得的變形模量E0建立關(guān)系式，通過此關(guān)系式，可利用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)換算出變形模量E0，為工程設(shè)計及科學(xué)研究提供參數(shù)。

1 旁壓試驗及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗與變形模量

旁壓試驗是一種水平向原位載荷試驗，主要通過旁壓器加壓對土體施加徑向均勻壓力，根據(jù)得到的壓力與徑向位移關(guān)系曲線得出土體承載力特征值。已有研究表明，旁壓試驗適用于軟巖地基承載特性評價[11-14]。本工程采用預(yù)鉆式旁壓試驗[15]（PMT），通過旁壓器在預(yù)先打好的鉆孔中對孔壁施加橫向壓力，使土體產(chǎn)生徑向變形，利用儀器量測孔周巖土體的徑向壓力與變形關(guān)系，測求地基土的原位力學(xué)狀態(tài)和力學(xué)參數(shù)。

變形模量的取值參照《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》(TB 10041-2003)確定[16]。

式中：E0為變形模量，MPa；K為變形模量轉(zhuǎn)換系數(shù)，無量綱，按表1取值，本案例均取下限值；Gm為旁壓剪切模量，MPa。

表1 變形模量轉(zhuǎn)換系數(shù)表

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(SPT)是用質(zhì)量63.5 kg 的穿心錘，以76 cm 的自由落距，將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的貫入器打人試驗土層中，先對鉆孔底部預(yù)打15 cm，再記錄打入30 cm的錘擊數(shù)，根據(jù)錘擊數(shù)來推定土的力學(xué)特性的一種原位試驗方法。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗不僅廣泛應(yīng)用于巖土工程勘察，在地基檢測中也有較為廣泛地應(yīng)用。本次采用自動脫鉤的自由落錘法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗[3]。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)和變形模量均可反映巖土體的力學(xué)性質(zhì)。擊數(shù)的高低、模量的大小與巖土體力學(xué)強(qiáng)度具有很高的相關(guān)性。于元峰等[8]總結(jié)出根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N確定沙漠砂變形模量（見表2）。

表2 用N 確定沙漠砂變形模量E0[8]

王曉峰和王樹懷[17]建立的砂土動探、標(biāo)貫及主要物理力學(xué)指標(biāo)關(guān)系綜合表，總結(jié)了砂土的動探擊數(shù)N63.5與標(biāo)貫擊數(shù)N及其與其他主要物理力學(xué)指標(biāo)之間的關(guān)系。實現(xiàn)了依據(jù)標(biāo)貫擊數(shù)N或動探擊數(shù)N63.5對砂土的主要工程特性指標(biāo)的全面評價以及指標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)換，并按照中粗砂、粉細(xì)砂等不同粒徑進(jìn)行了分類對比。對比結(jié)果表明，在相同標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)情況下，中粗砂與粉細(xì)砂變形模量相差較大。為了更準(zhǔn)確地反映標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗與變形模量的關(guān)系，本文將砂土按照中粗砂和粉細(xì)砂兩種不同粒徑分別與變形模量建立關(guān)系式。

2 研究概況

2.1 勘察方法及完成的工作量

本工程勘察采用工程鉆探、物探、原位測試（包括旁壓試驗）及室內(nèi)試驗相結(jié)合的方法。工程鉆探采用DPP-100 型鉆機(jī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和SH-30 型錘擊鉆進(jìn)相結(jié)合，完成鉆孔22 個，鉆探進(jìn)尺345 m。在鉆探過程中對黏性土及粉土層取得原狀土樣117 件，對砂土、粉土及黏性土進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗（SPT）112 次，取得擾動樣29 件，對碎石土進(jìn)行重型動力觸探試驗0.3 m，在管道管頂、管中、管底位置進(jìn)行旁壓試驗。

為研究標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)N與砂土變形模量的相關(guān)性，結(jié)合工程勘察實例，設(shè)計了砂土的旁壓試驗和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗方案。選取14 個鉆孔對粉砂、細(xì)砂、中砂、 粗砂層分別進(jìn)行旁壓試驗共計32 次，為獲取同一地層同深度的試驗數(shù)據(jù)，在距離旁壓試驗鉆孔1.0 m 處再開孔鉆進(jìn)至同一深度，對該砂土層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗。進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗前，對標(biāo)準(zhǔn)貫入儀器進(jìn)行仔細(xì)校準(zhǔn)并使用新標(biāo)貫頭，確保試驗結(jié)果精準(zhǔn)可靠。對各類砂層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)N與旁壓試驗獲得的變形模量E0進(jìn)行統(tǒng)計分析，總結(jié)出E0與N之間的計算公式。

2.2 變形模量與標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)相關(guān)性

將本工程砂層32 次標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗數(shù)據(jù)按照粉細(xì)砂和中粗砂進(jìn)行分類。考慮到不同密實度砂土性質(zhì)差異較大，因此本次旁壓試驗僅涉及中密砂土。稍密砂土及密實砂土旁壓試驗與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗之間的相關(guān)性有待進(jìn)一步研究。

（1）粉細(xì)砂

粉細(xì)砂層旁壓試驗與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗成果數(shù)據(jù)見表3、圖1。

表3 粉細(xì)砂層旁壓試驗與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗成果表

建立標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N和變形模量E0之間的線性擬合曲線，如圖1所示?？芍奂?xì)砂層標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)和變形模量相關(guān)系數(shù)R2=0.8382，大于0.8，屬于高度相關(guān)。中密粉細(xì)砂與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗之間存在E0=0.7629N-3.2316 的關(guān)系。

圖1 粉細(xì)砂層變形模量和標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)關(guān)系

（2）中粗砂

中粗砂層旁壓試驗與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗成果數(shù)據(jù)見表4及圖2。

表4 中粗砂層旁壓試驗與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗成果表

圖2 粗砂層變形模量和標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)關(guān)系

建立標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N和變形模量E0之間的線性擬合曲線，如圖2所示。可知本項目中粗砂層標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)和變形模量相關(guān)系數(shù)=0.5133。0.5

綜上所述，在中密狀態(tài)下，粉細(xì)砂層的變形模量與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)之間相關(guān)性很高，具有如下規(guī)律：E0=0.7629N-3.2316。

3 展望

受試驗場地地層土質(zhì)所限，本試驗成果經(jīng)驗公式僅適用于中密狀態(tài)下的粉細(xì)砂層。對于其他密度狀態(tài)的粉細(xì)砂層變形模量與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)之間的關(guān)系有待進(jìn)一步的研究。試驗中，中粗砂層變形模量與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)之間的相關(guān)性不高，應(yīng)針對中粗砂的粒徑級配與其力學(xué)性質(zhì)關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)研究。

為進(jìn)一步研究標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)與變形模量的相關(guān)性，對標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)進(jìn)行修正的必要性仍需進(jìn)一步討論。修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)能否與砂土變形模量建立一定的相關(guān)性，以及在不同土類引入不同修正系數(shù)的基礎(chǔ)上如何建立一個對于砂土、粉土、黏性土均適用的公式，值得進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）變形模量是一項很重要的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，基于旁壓試驗和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，推導(dǎo)出變形模量與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系式E0=0.7629N?3.2316，可用于中密粉細(xì)砂層變形模量的計算。

（2）本次試驗中，粗砂旁壓試驗所獲得變形模量與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)相關(guān)性較低，有待進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。