基于原位试验的比贯入阻力与不排水抗剪强度相关性研究
时间：2023-06-03 21:35:11 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
彭李晖 夏旭维
（1湖北国土资源职业学院，湖北 武汉 430090；
2深圳市勘察测绘院（集团）有限公司，广东 深圳 518000）
静力触探与十字板剪切试验是在软土层中进行勘察及获取力学参数较为成熟、可靠的原位测试手段，这两种试验方法具有避免土样扰动，不改变土体天然应力状态的优点。十字板剪切试验往往针对饱和软黏土，常用来测试和估算地基土承载力、确定软土灵敏度等参数。相对十字板剪切试验，静力触探试验适用范围则更为广泛，不仅适用于软土也适用于粘性土、粉土、砂类土和含有少量碎石的土层，同时静力触探试验具有数据连续、速度快、劳动强度低、清洁、经济等优点[1-2]。
静力触探试验中的比贯入阻力和十字板剪切试验中的不排水抗剪强度往往是原位试验需要重点获取的参数，在工程场地中若能建立静力触探比贯入阻力与十字板剪切试验不排水抗剪强度之间的定量关系，往往在工程勘察中可以起到事半功倍的效果。本文通过对武汉市汉南区马影河流域软土地层中大量十字板剪切试验和静力触探试验成果进行统计分析，建立比贯入阻力和不排水抗剪强度二者之间的定量关系公式，对后续该地区工程勘察具有一定参考意义。
马影河是武汉市汉南区境内最大天然河流，由主河道、8 条连河沟渠和14 个小湖泊构成，流域面积152.49km2，占全区总面积69.3%。汉南某项目工程场地位于马影河流域中部。根据勘察成果可知：研究区普遍分布5～10m 厚河湖相沉积的灰褐色淤泥，呈流塑状，含有机质，可见贝壳，具腥臭味。其物理性质如表1所示。
表1 研究区软土物理力学性质
工程在厂区初勘和详勘等各阶段工程勘察中，累计完成钻探孔38 个，静力触探孔（单桥）82 个，十字板剪切试验孔64 个。在勘察过程中有相当一部分试验孔同时对软土层进行静力触探试验和十字板剪切试验，两试验孔平面间距0.5～0.8m，针对该部分试验数据进行统计分析，建立比贯入阻力与不排水抗剪强度之间的定量关系。
2.1 回归方程的建立
该场地累积了大量的原位测试数据，统计过程中根据十字板剪切试验深度确定临近静力触探孔相同深度比贯入阻力值，在此基础上根据静力触探曲线与十字板剪切曲线剔除某些明显异常、夹层处或对比性差的数据，最终统计的有效数据共计103组。静力触探比贯入阻力值有70.8%集中于0.20～0.50MPa，不排水抗剪强度有85.4%集中于10～30kPa。将此103 组静力触探比贯入阻力值Ps与十字板剪切不排水抗剪强度Cu绘制散点图（见图1）。
如图1 所示，静力触探比贯入阻力与不排水抗剪强度数据整体呈线性关系，其回归方程为Cu=0.0545Ps+0.0057，统计分析相关系数R=0.93，回归方程的拟合程度较好，部分数据离散性偏大可能由于土中含有贝壳或砂砾造成数据失真。
图1 静力触探比贯入阻力与十字板剪切不排水抗剪强度散点图与回归曲线
2.2 回归方程的检验
为检验该回归方程，使其能够更好地应用于汉南马影河区域软土层，在后续主厂房和调蓄池详勘中采用该回归方程对十字板剪切和静力触探试验数据进行对比，其比贯入阻力和不排水抗剪强度试验结果与通过Cu=0.0545Ps+0.0057 计算的结果列于表2。同时在部分深度通过钻探取得原状土样还进行少量室内无侧限抗压试验（室内无侧限抗压强度qu）。
表2 主厂房十字板剪切强度计算值与实测值、无侧限抗压试验结果比较
通过表2 可以看出十字板剪切实测值和计算值较为接近，相对误差在-7.8%～11.5%之间，实测值与计算值基本等于室内无侧限抗压强度qu的一半，表明在马影河区域软土地层静力触探比贯入阻力与不排水抗剪强度指标之间存在明显的相关性，验证了回归方程的可靠性。
2.3 回归方程建立的意义
目前获取软土不排水抗剪强度指标的手段主要有三种：一为现场十字板剪切试验，这种原位测试试验过程复杂、费时，试验结果不仅受埋藏深度、软土成分及试验人员操作精度等影响，同时该试验无法取得软土连续的力学参数；
二为室内无侧限抗压及三轴剪切试验，室内试验不仅面临软土取样、制样的困难而且取样过程中应力释放导致室内难以测出软土真实力学参数，因此限制了这类方法的广泛使用；
三为利用静力触探试验结果求软土不排水抗剪强度，此方法适用性广，相对快速简洁，不失为一种好方法[3]。
目前利用静力触探试验结果求软土不排水抗剪强度主要通过建立静力触探比贯入阻力或锥尖阻力、侧壁摩阻力与不排水抗剪强度之间数学关系，进而通过静力触探试验计算出软土不排水抗剪强度。然而由于受软土成分、成因、分布区域及试验精度影响，很难得到静力触探比贯入阻力或锥尖阻力、侧壁摩阻力与不排水抗剪强度之间普遍适用的理论关系公式。但在小范围区域，不同研究人员在不同地区利用静力触探试验数据确定软土不排水抗剪强度，建立地方性经验公式[4-6]。从表3 中可看出绝大部分经验公式基本都遵循Cu=aPs+b 的 模 式 ，a 值 普 遍 在 0.05 左 右 ，b 值 普 遍 在0.002MPa左右。本研究得到河湖相软土静力触探比贯入阻力与不排水抗剪强度之间的数学关系为Cu=0.0545Ps+0.0057，与其它地区软土经验公式有一定差异,但基本趋势相同，能反应该地区软土特点。
表3 国内软土地区静力触探成果相关性公式
在马影河流域周家河地区通航大道工程地质勘察中，也对部分地段的河湖相软土进行静力触探试验与十字板剪切试验，选取4 个试验孔相同试验段的比贯入阻力和不排水抗剪强度试验值与利用回归方程Cu=0.0545Ps+0.0057计算值进行对比（见表4）。
表4 通航大道不排水抗剪强度实测值与计算值比较
由表4可见不排水抗剪强度实测值与通过回归方程计算值比较接近，18组数据相对误差在-8.8%～9.4%，误差在可接受范围内，表明马影河流域中部软土得出的比贯入阻力与不排水抗剪强度间的回归方程同样适用于马影河整个流域湖滨相软土。马影河流域面积152.49km2，占全区总面积69.3%，软土分布较为广泛而且该地区亟待开发，比贯入阻力与不排水抗剪强度间的回归方程应用对这一地区工程勘察有重要参考价值。
通过大量现场数据得到汉南马影河流域软土层静力触探比贯入阻力与十字板剪切不排水抗剪强度经验公式，并通过不同区域数据进行验证，确认了经验公式的可靠性。相对十字板剪切试验只能测出软土不连续的不排水抗剪强度，静力触探试验可在垂向上获得连续的力学参数，通过该经验公式可计算出软土连续的不排水抗剪强度，为工程设计人员提供参考并对节约后续勘察工作量和成本具有一定实际意义。
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