巖土強(qiáng)度參數(shù)選取方法研究及工程應(yīng)用

楊威

摘要：為解決巖土勘察中強(qiáng)度指標(biāo)的確定問題，以海南省G98環(huán)島高速公路大三亞擴(kuò)容工程SJ01標(biāo)段巖土工程勘察為研究背景，在分析場(chǎng)區(qū)巖土工程地質(zhì)特征基礎(chǔ)上，采用室內(nèi)試驗(yàn)和原位測(cè)試的方法獲取各層土體的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)，并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)各層土力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行處理，研究力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)的概率密度分布，用于指導(dǎo)實(shí)際巖土工程強(qiáng)度參數(shù)的確定。

關(guān)鍵詞：建筑工程；巖土強(qiáng)度參數(shù)；黏土；比貫入阻力；內(nèi)摩擦角；黏聚力

0? ?引言

在巖土工程勘察中，巖土強(qiáng)度參數(shù)的確定是最為重要的工作內(nèi)容[1]。其確定方法一般是在室內(nèi)試驗(yàn)成果和原位測(cè)試成果的基礎(chǔ)上，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行處理和選取[2]。然而，巖土體受到歷史成因環(huán)境以及地質(zhì)應(yīng)力、人類活動(dòng)等因素的影響，其力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出明顯的空間變異性、隨機(jī)性和各向異性，室內(nèi)試驗(yàn)采用單點(diǎn)取樣的方法，對(duì)于認(rèn)識(shí)的巖土體的強(qiáng)度特性存在明顯缺陷[3-4]。

為解決巖土勘察中強(qiáng)度指標(biāo)的確定問題，本文以海南省G98環(huán)島高速公路大三亞擴(kuò)容工程SJ01標(biāo)段巖土工程勘察為研究背景，采用室內(nèi)試驗(yàn)和原位測(cè)試的方法，獲取各層土體的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)，并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)各層土力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行處理，研究力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)的概率密度分布，用于指導(dǎo)實(shí)際巖土工程強(qiáng)度參數(shù)的確定。

1? ?工程概況

G98環(huán)島高速公路大三亞段擴(kuò)容工程SJ01標(biāo)段，起點(diǎn)位于陵水縣城北側(cè)南平居，在起點(diǎn)處設(shè)南平樞紐接遠(yuǎn)期G98高速萬寧段擴(kuò)容走廊后轉(zhuǎn)向西南，經(jīng)走裝水庫、隆廣鎮(zhèn)、田仔水庫，設(shè)英州北互通接英州連接線，向西經(jīng)南田農(nóng)場(chǎng)，在赤田水庫水源保護(hù)區(qū)北側(cè)。設(shè)赤田樞紐與S86山海高速交叉，向西進(jìn)入保亭縣三道鎮(zhèn)，設(shè)三道互通接G224海榆中線，終點(diǎn)位于保亭三道互通段。全長約32.556km，共設(shè)置橋梁26座，占路線長度的29.87%。設(shè)6處互通立交，其中樞紐互通2處。設(shè)服務(wù)區(qū)1處、養(yǎng)護(hù)工區(qū)1處。

2? ?場(chǎng)區(qū)巖土體工程地質(zhì)特征

路線總體呈東北-西南方向，地貌單元較單一，地貌類型總體上可劃分為剝蝕臺(tái)地地貌和河流階地地貌，海拔高度在12.0～99.5m之間，相對(duì)高度在20～40m 之間，自然斜坡坡度為5～30°。剝蝕臺(tái)地主要由花崗巖風(fēng)化剝蝕風(fēng)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膠林等，植被茂密，沿線種植大量經(jīng)濟(jì)作物，臺(tái)地間平坦低洼地段多水田耕地。

河流階地主要由地殼垂直升降運(yùn)動(dòng)影響和河流侵蝕、搬運(yùn)和堆積作用形成，位于藤橋東河兩岸，地形較平坦開闊，最大高差小于3.0m，沿線分布有桉樹和少量灌木。沿線地層由沖洪積物和殘、坡積物組成，主要為粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土和礫質(zhì)黏性土。

由外業(yè)鉆探揭露以及原位測(cè)試資料可知，場(chǎng)區(qū)鉆探深度范圍內(nèi)的巖土層主要由4層組成，分別為①層素填土（Q4ml）、②層粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）、③層砂質(zhì)黏性土（Qel+dl）和④層礫質(zhì)黏性土（Qel+dl），以上各土層地層分布及厚度變化如表1所示。

對(duì)場(chǎng)區(qū)②層粉質(zhì)黏土、③層砂質(zhì)黏性土和④層礫質(zhì)黏性土進(jìn)行取樣和室內(nèi)土工試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，②層粉質(zhì)黏土、③層砂質(zhì)黏性土和④層礫質(zhì)黏性土的含水量和孔隙比較為接近，含水量范圍為23.4%～24.9%，孔隙比范圍為0.644～0.682。③層砂質(zhì)黏性土和④層礫質(zhì)黏性土的液限和塑限相近，且較②層粉質(zhì)黏土的液限和塑限大。

3? ?巖土體強(qiáng)度參數(shù)統(tǒng)計(jì)及概率密度分布

3.1? 室內(nèi)土工試驗(yàn)強(qiáng)度參數(shù)統(tǒng)計(jì)

在場(chǎng)區(qū)的巖土工程勘察室內(nèi)土工試驗(yàn)中，共收集到②層粉質(zhì)黏土數(shù)據(jù)7個(gè)，③層砂質(zhì)黏性土34個(gè)，④層礫質(zhì)黏性土72個(gè)。在場(chǎng)區(qū)靜力觸探試驗(yàn)中，收集到比貫入阻力參數(shù)②層粉質(zhì)黏土數(shù)據(jù)7個(gè)，③層砂質(zhì)黏性土30個(gè)，④層礫質(zhì)黏性土30個(gè)。對(duì)室內(nèi)土工試驗(yàn)強(qiáng)度參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

從表3中可以看出，②層粉質(zhì)黏土、③層砂質(zhì)黏性土和④層礫質(zhì)黏性土的黏聚力依次增大，③層砂質(zhì)黏性土和④層礫質(zhì)黏性土的黏聚力相差較小，且為②層粉質(zhì)黏土的黏聚力的2.5倍左右。②層粉質(zhì)黏土、③層砂質(zhì)黏性土和④層礫質(zhì)黏性土的內(nèi)摩擦角依次增大，但增幅較小。③層砂質(zhì)黏性土和④層礫質(zhì)黏性土的壓縮系數(shù)相近，且為②層粉質(zhì)黏土壓縮系數(shù)的一半。④層礫質(zhì)黏性土的壓縮模量比③層砂質(zhì)黏性土的壓縮模量略大，但兩者的壓縮模量均比②層粉質(zhì)黏土的壓縮大約一倍。

3.2? ?黏聚力概率密度分布

圖1至圖3分別為②層粉質(zhì)黏土、③層砂質(zhì)黏性土和④層礫質(zhì)黏性土黏聚力概率密度分布圖。從圖1至圖3中可以看出，③層砂質(zhì)黏性土和④層礫質(zhì)黏性土的概率密度曲線較為“高瘦”，表明這兩層土的黏聚力離散性較小。②層粉質(zhì)黏土的概率曲線較為“矮胖”，但其黏聚力數(shù)據(jù)人具有較好的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，其標(biāo)準(zhǔn)差為0.25。場(chǎng)區(qū)各土層的黏聚力空間變異較小，可以作為巖土強(qiáng)度特性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)參數(shù)。

3.3? ?比貫入阻力概率密度分布

對(duì)靜力觸探試驗(yàn)比貫入阻力的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出，②層粉質(zhì)黏土、③層砂質(zhì)黏性土和④層礫質(zhì)黏性土的比貫入阻力平均值依次增大，這與表3中土工試驗(yàn)黏聚力和內(nèi)摩擦指標(biāo)的變化趨勢(shì)較為一致，表明靜力觸探試驗(yàn)的比貫入阻力，可以較好地反映巖土體的強(qiáng)度特性。

圖4至圖6分別為②層粉質(zhì)黏土、③層砂質(zhì)黏性土和④層礫質(zhì)黏性土的比貫入阻力概率密度分布圖。從圖4至圖6可以看出，②層粉質(zhì)黏土、③層砂質(zhì)黏性土和④層礫質(zhì)黏性土的概率密度曲線具有較好的一致性，分布較為集中，②層粉質(zhì)黏土、③層砂質(zhì)黏性土和④層礫質(zhì)黏性土對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)分別為0.10、0.09、0.07。因此，場(chǎng)區(qū)各土層的土體性質(zhì)較為均勻，比貫入阻力空間變異較小，建立靜力觸探試驗(yàn)比貫入阻力與黏聚力和內(nèi)摩擦指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，對(duì)于評(píng)價(jià)巖土體的巖土強(qiáng)度特性，定量化確定巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)具有十分重要的作用。

4? ?巖土體強(qiáng)度參數(shù)的相關(guān)關(guān)系

基于靜力觸探試驗(yàn)比貫入阻力與室內(nèi)土工試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，建立靜力觸探試驗(yàn)比貫入阻力與室內(nèi)土工試驗(yàn)內(nèi)摩擦角和黏聚力的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如圖7和圖8所示。

從圖7和圖8中可以看出，靜力觸探試驗(yàn)比貫入阻力與室內(nèi)土工試驗(yàn)內(nèi)摩擦角和黏聚力均具有良好的線性擬合關(guān)系，且擬合系數(shù)R2均大于0.90，其擬合關(guān)系如公式（1）、（2）所示。

Ps=51.345c? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

Ps=0.2263φ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：Ps為靜力觸探試驗(yàn)比貫入阻力，單位為MPa；c為室內(nèi)土工試驗(yàn)黏聚力，MPa；φ為室內(nèi)土工試驗(yàn)內(nèi)摩擦角，單位為 ?。

5? ?結(jié)束語

本文以海南省G98環(huán)島高速公路大三亞擴(kuò)容工程SJ01標(biāo)段巖土工程勘察為研究背景，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)各層土的力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行處理，研究其概率密度曲線分布，用于指導(dǎo)實(shí)際巖土工程強(qiáng)度參數(shù)確定，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

基于各土層的強(qiáng)度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果及概率密度曲線分析表明，各土層的土體性質(zhì)較為均勻，強(qiáng)度參數(shù)變化穩(wěn)定，空間變異較小，可將黏聚力和內(nèi)摩擦指標(biāo)作為巖土強(qiáng)度特性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)參數(shù)，建立靜力觸探試驗(yàn)比貫入阻力與黏聚力和內(nèi)摩擦指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系。

對(duì)靜力觸探試驗(yàn)比貫入阻力與室內(nèi)土工試驗(yàn)內(nèi)摩擦角和黏聚力，建立擬合關(guān)系表明，靜力觸探試驗(yàn)比貫入阻力與室內(nèi)土工試驗(yàn)內(nèi)摩擦角和黏聚力，均具有良好的線性擬合關(guān)系，且擬合系數(shù)R2均大于0.90。

參考文獻(xiàn)

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