非飽和黏性土壓縮模量與標(biāo)貫擊數(shù)關(guān)系探討

劉明宇 周先才 張生偉

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

張呼鐵路沿線廣泛分布有第四系深厚非飽和黏性土地層，該類黏性土相較飽和土而言，承載力較高，基本承載力約在180 kPa以上，壓縮模量大，土體的液性指數(shù)IL均小于0.25、而孔隙比e小于0.7，基本屬于中等壓縮性范疇，地質(zhì)應(yīng)力歷史上多受過較大的前期壓力，大都屬超固結(jié)土。由于此類土體的可塑性差、黏聚力大，難以通過靜壓取樣的方式得到有代表性的原狀土樣進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，因此在設(shè)計(jì)過程中常常缺乏沉降計(jì)算的重要參數(shù)壓縮模量Es。通過采取原狀土壓縮模量試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)相結(jié)合的辦法，對(duì)張呼鐵路沿線的非飽和黏性土進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過大量檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理、分析和對(duì)比，發(fā)現(xiàn)壓縮模量Es與貫入阻力N之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，為今后評(píng)估路基沉降量和地基承載力，提供了一個(gè)可靠的參數(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)工點(diǎn)概況

張呼鐵路東起張家口南站，西至呼和浩特東站，全長(zhǎng)約286 km，線路穿越大量河谷區(qū)、沖積平原區(qū)以及湖積盆地區(qū)，均以第四系松散地層為主，其中硬塑黏性土占比較大。根據(jù)全線調(diào)查結(jié)果，選取DK187+400～DK188+600段路基工點(diǎn)，采用室內(nèi)壓縮試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)貫試驗(yàn)兩種方法對(duì)其沿地層深度變化規(guī)律進(jìn)行分析研究，并將兩者相結(jié)合，建立起壓縮模量與標(biāo)貫擊數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為后續(xù)勘察設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

試驗(yàn)段位于低山丘陵區(qū)及沖洪積平原區(qū)，地勢(shì)起伏較緩，相對(duì)高差不大，局部發(fā)育沖溝，多為旱地，植被覆蓋率較好，大部為經(jīng)濟(jì)林地，局部為草地，最大相對(duì)高差約16.23 m。地層巖性較簡(jiǎn)單，為深厚第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl)黏土:黃褐色，硬塑，土質(zhì)不均，含少量的鐵錳質(zhì)氧化物及鈣質(zhì)結(jié)核，切面稍有光滑。部分里程表層分布有第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl)碎石土:灰白色，中密，主要成分以玄武巖、大理巖為主，一般粒徑60～90 mm，約占55%，多呈次圓狀，以粉質(zhì)黏土和粉土充填，厚度0～4.3 m。地下水埋深約16～20 m，未發(fā)育不良地質(zhì)。

2 技術(shù)要求

在試驗(yàn)工點(diǎn)范圍內(nèi)均勻布置100型機(jī)動(dòng)鉆孔36個(gè)，連續(xù)采取原狀土樣，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，完全遵照《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)和《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》(TB10018—2003)的技術(shù)要求。為了保持土的天然狀態(tài)，以免試驗(yàn)數(shù)據(jù)失真，鉆探采用干鉆，對(duì)地裂的勘探采用挖探，原狀土樣從地面以下0.5 m開始連續(xù)采取，每次取3～4組，所取原狀土樣均必須為一級(jí)質(zhì)量土樣。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)利用錘重63.5 kg、落距76 cm錘擊動(dòng)能，采用外徑51 mm、內(nèi)徑35 mm、全長(zhǎng)685 mm的對(duì)開管式貫入器，根據(jù)打入土中的貫入阻抗，判別土層的變化和土的工程性質(zhì)。貫入阻抗用貫入土中30 cm的錘擊數(shù)N表示(也稱標(biāo)貫擊數(shù))。貫入試驗(yàn)分兩段進(jìn)行［1］。

①預(yù)打階段:將貫入器打入土中150 mm，如錘擊已達(dá)50擊，貫入深度未達(dá)150 mm，記錄實(shí)際貫入度。

②試驗(yàn)階段:將貫入器打再打入土中300 mm，記錄每打入10 cm的錘擊數(shù)，累計(jì)打入300 mm的錘擊數(shù)為標(biāo)貫擊數(shù)N。當(dāng)累計(jì)數(shù)已達(dá)50擊，而貫入度未達(dá)300 mm，應(yīng)終止試驗(yàn)，記錄實(shí)際貫入度Δs及累計(jì)錘擊數(shù)n。按下式計(jì)算貫入300 mm的錘擊數(shù)N

式中 Δs——對(duì)應(yīng)錘擊數(shù)n的貫入度/mm。

標(biāo)貫試驗(yàn)在鉆孔全深度范圍內(nèi)等間距進(jìn)行，間距為1.0～2.0 m，根據(jù)非飽和土黏土厚度調(diào)整，并按規(guī)范要求對(duì)N值進(jìn)行修正。

3 結(jié)果與分析

按照以上技術(shù)要求，共取得原狀土樣226組，并進(jìn)行相應(yīng)室內(nèi)試驗(yàn)，壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，土樣的壓縮模量離散性較大，除土層自身具有一定的不均勻性外，取樣過程中對(duì)土體的擾動(dòng)也是重要的原因。在置信度95%的情況下，剔除重復(fù)深度及異常數(shù)據(jù)后，得到不同地層深度Z處壓縮模量ES值，如表1和圖1所示。

表1 不同深度Z處壓縮模量E S試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 壓縮模量隨地層深度變化

通過以上數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)工點(diǎn)段處黏土表層存在明顯的“硬殼效應(yīng)”，厚度較大，約為4.0 m左右，壓縮模量最高可達(dá)10.3 MPa，承載力及強(qiáng)度也較高?！坝矚印币韵?，隨著土層深度的增加，土體的壓縮模量也隨之增大，且增長(zhǎng)速率較為均勻，總體而言呈線性函數(shù)關(guān)系，同時(shí)數(shù)據(jù)的離散性也隨深度增加而相應(yīng)增大。對(duì)壓縮模量隨土層深度變化進(jìn)行曲線擬合，得到如下公式

在硬塑黏土層共進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)482次，從地面到地層深度40 m之間均有標(biāo)貫結(jié)果，因此可以全面的反應(yīng)整個(gè)地層的情況，對(duì)桿長(zhǎng)修正后試驗(yàn)結(jié)果見表2與圖2。

表2 不同深度Z處標(biāo)貫擊數(shù)N試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 標(biāo)貫擊數(shù)隨地層深度變化

標(biāo)貫擊數(shù)隨地層深度的變化規(guī)律與壓縮試驗(yàn)得到的結(jié)果基本一致。0～4.0 m范圍內(nèi)，標(biāo)貫擊數(shù)明顯較大，這也驗(yàn)證硬塑黏性土“硬殼層”的存在，4.0～22.0 m范圍內(nèi)，標(biāo)貫擊數(shù)隨深度呈線形增大，且擬合度較高，數(shù)據(jù)離散性小。22.0 m以下，隨著鉆桿長(zhǎng)度的增加，標(biāo)貫結(jié)果變化區(qū)間明顯增大，誤差較大。剔除表層4.0 m內(nèi)標(biāo)貫擊數(shù)的影響，對(duì)標(biāo)貫數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，可知N－Z函數(shù)關(guān)系為

可以看出隨著地層深度的增加，非飽和黏性土的壓縮模量ES與標(biāo)貫擊數(shù)N存在著較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)同一深度處的標(biāo)貫擊數(shù)和壓縮模量進(jìn)行曲線擬合，如圖3所示。

圖3 壓縮模量與標(biāo)貫擊數(shù)關(guān)系

根據(jù)圖3的結(jié)果，得到擬合公式

4 結(jié)論

(1)張呼沿線非飽和黏性土具有較為明顯的硬殼層和下部相對(duì)軟弱層，硬殼層厚度約3.0 m。

(2)壓縮模量ES是工程設(shè)計(jì)中所需的重要力學(xué)指標(biāo)，對(duì)于非飽和黏性土而言，由于取樣較為困難，同時(shí)土體本身的不均勻性，造成壓縮模量ES離散型較大，當(dāng)數(shù)據(jù)較少時(shí)，難以得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此室內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)與壓縮模量真值ES有一定的差別。

(3)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于鐵路勘察工作中，采用實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)N來判定張呼鐵路非飽和黏性土地層的壓縮性具有一定的工程意義，且結(jié)果的離散性明顯小于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。

(4)建立地層深度、壓縮模量ES與標(biāo)貫擊數(shù)N三者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以彌補(bǔ)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，并可以進(jìn)行相互驗(yàn)證。

［1］ 李海波，周先才．紅黏土地基壓縮模量與標(biāo)準(zhǔn)貫入經(jīng)驗(yàn)擊數(shù)關(guān)系研究［J］．鐵道勘察，2011，37(2)

［2］ GB50021—2001 巖土工程勘察規(guī)范［S］

［3］ TB10018—2003 鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程［S］