晉中盆地第四系地基土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)與物理及力學(xué)參數(shù)關(guān)系的研究

辛銀玲

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

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晉中盆地第四系地基土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)與物理及力學(xué)參數(shù)關(guān)系的研究

辛銀玲

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

山西晉中盆地內(nèi)第四系地層分布廣泛。依托晉中盆地內(nèi)某鐵路通道工程，通過現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)，對該地區(qū)第四系地基土的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)與部分物理及力學(xué)參數(shù)的相互關(guān)系進(jìn)行研究，給出了擬合關(guān)系式及相關(guān)系數(shù)。研究成果表明：①修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與地基土的孔隙比、液性指數(shù)和壓縮系數(shù)呈反比的線性關(guān)系；②與壓縮模量、內(nèi)摩擦角和黏聚力呈正比的線性關(guān)系；③擬合關(guān)系式的線性相關(guān)系數(shù)均較高，說明山西晉中地區(qū)第四系地基土的上述物理及力學(xué)參數(shù)均可以用修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)進(jìn)行定量預(yù)算。

地基土 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn) 物理力學(xué)參數(shù) 鐵路工程

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)就是利用一定的錘擊功能，將一定規(guī)格的對開管式貫入器打入鉆孔孔底的土層中，根據(jù)打入土層中的貫入阻力來評定土層的變化和土的物理力學(xué)性質(zhì)。貫入阻力用貫入土層中30 cm的錘擊數(shù)N63.5表示，也稱為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)[1]，其操作簡便，設(shè)備簡單。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果可以用來確定地基土的容許承載力、評定砂土的振動(dòng)液化以及估算單樁的承載力，而且通過貫入器可以采取擾動(dòng)土樣，對它進(jìn)行直接鑒別和有關(guān)的室內(nèi)土工試驗(yàn)。通過將標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)與工程相關(guān)的巖土參數(shù)建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式或相關(guān)關(guān)系式，對區(qū)域內(nèi)的巖土工程設(shè)計(jì)有著重要的作用，同時(shí)對區(qū)域內(nèi)地質(zhì)資料的積累，提高用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)預(yù)測土體其他物理力學(xué)參數(shù)的精確度也有著重要的意義。

1 晉中盆地第四系地基土的分布

晉中盆地位于山西省中部，又稱“太原盆地”，東依太行山，西接呂梁山，北起黃寨的石嶺關(guān)，南至介休的綿山鎮(zhèn)，東西兩側(cè)以斷層崖與山地相接，盆地呈北東-南西向分布，為山西斷陷盆地的一個(gè)重要組成部分。盆地內(nèi)地勢平坦，河流密布，表層覆蓋第四系沉積層，厚度在350～400 m之間[2]。通過分析盆地內(nèi)某鐵路工程的地質(zhì)資料，綜合歸納了1 400多個(gè)勘探孔的數(shù)據(jù)，得出該盆地內(nèi)第四系沉積層主要構(gòu)成物為第四系上更新統(tǒng)沖積的黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂類土以及雜填土，中更新統(tǒng)洪積黏土、粉質(zhì)黏土、粉土以及砂類土。其中，第四系地層中黏性土呈層分布，砂類土呈透鏡體狀分布，局部段落地表分布有填土，地層詳見表1。

2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與部分物理及力學(xué)參數(shù)的相互關(guān)系

通過綜合分析晉中盆地內(nèi)某鐵路工程勘探孔的室內(nèi)試驗(yàn)成果以及現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)目(3 650點(diǎn)次)，現(xiàn)場測試的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)值按照桿長修正后，再逐層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出每一地基土層所對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)值的標(biāo)準(zhǔn)值(如表1所示)，其余物理及力學(xué)指標(biāo)通過理正勘察軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出每一地基土層的標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、平均值和標(biāo)準(zhǔn)值等。采用分析修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值與第四系地基土中粉土層、黏性土層以及砂土層常規(guī)物理及力學(xué)指標(biāo)，擬合其相關(guān)關(guān)系方程。

表1 晉中盆地第四系主要地基土層信息

2.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)與常規(guī)物理指標(biāo)的關(guān)系

(1)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與孔隙比、液性指數(shù)的關(guān)系

巖土是在漫長的地質(zhì)年代中形成的，是自然歷史的產(chǎn)物，其性狀表現(xiàn)出很大的差異性，常規(guī)的物理參數(shù)指標(biāo)也有著區(qū)域性的變化[3]?？紫侗缺砻魍馏w的密實(shí)程度，建(構(gòu))筑物的沉降與土體的孔隙比也有著密切的關(guān)系。通過分析山西晉中盆地第四系地基土修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與其孔隙比標(biāo)準(zhǔn)值之間的關(guān)系可得出：第四系上更新統(tǒng)沖積Q4al和中更新統(tǒng)洪積Q4pl的粉土、黏性土、砂土均隨深度的增加，土體孔隙比減小，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)增大，且呈單一的反比線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.996 27、0.967 04、0.927 35，線性相關(guān)性較高，說明可以利用修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)直接換算該地區(qū)地基土的孔隙比值，見圖1～圖3。

圖1 粉土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與孔隙比的關(guān)系

圖2 黏性土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與孔隙比的關(guān)系

圖3 砂土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與孔隙比的關(guān)系

圖4 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與粉土液性指數(shù)的關(guān)系

液性指數(shù)為天然含水率和塑限之差與塑性指數(shù)的比值，如公式(1)所示，它能反應(yīng)土體在天然條件下所處的狀態(tài)，是土體的一項(xiàng)重要物理參數(shù)。

(1)

式中，ω為天然含水率，ωp為塑限，ωL為液限，根據(jù)液性指數(shù)IL可以直接判定土體的軟硬程度，其值越小，表明土體越堅(jiān)硬；值越大，土體越軟。按液性指數(shù)，依鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范(TB10012—2007)[4]，土體的堅(jiān)硬狀態(tài)可分為，堅(jiān)硬、硬塑、可塑、軟塑和流塑。通過將粉土、黏性土以及砂土的液性指數(shù)與修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可得出：液性指數(shù)越高，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)越小，且不論粉土、黏性土還是砂土，液性指數(shù)與修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)均呈反比的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.999 99、0.955 17和0.977 76，線性相關(guān)程度高，見圖4～圖6。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與黏性土液性指數(shù)的關(guān)系

圖6 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與砂土液性指數(shù)的關(guān)系

(2)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)與壓縮系數(shù)、壓縮模量的關(guān)系

通過室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗(yàn)，繪制e-p曲線，可得土體的壓縮系數(shù)，通常以p1=100 kPa，p2=200 kPa及相對應(yīng)的孔隙比e1和e2計(jì)算得到土體的壓縮系數(shù)，即e-p曲線中p1和p2之間曲線的斜率，見公式(2)。依據(jù)壓縮系數(shù)，可用來評價(jià)土體壓縮性的高低。土的壓縮模量Es是表示土壓縮性的又一指標(biāo)，見公式(3)。一般情況下，土體的壓縮系數(shù)越低，壓縮模量則越大，表明土體越難被壓縮。

(2)

(3)

將粉土、黏性土以及砂土修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與壓縮系數(shù)壓縮模量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可得出：壓縮模量越大、壓縮系數(shù)越小，土體的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)越高，修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與壓縮系數(shù)呈反比的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.945 51、0.981 86和0.819 84，線性相關(guān)性較高，見圖7～圖9。同理，壓縮模量與修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)成正比，其相關(guān)方程如公式(4)～公式(6)，說明地基土的壓縮系數(shù)、壓縮模量也可以用修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)進(jìn)行定量預(yù)算。

粉土：

Es=7.659 49+0.233 21N63.5

(4)

黏性土：

Es=3.655 81+0.426 86N63.5

(5)

砂土：

Es=6.961 21+0.306 36N63.5

(6)

圖8 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與黏性土壓縮系數(shù)關(guān)系

圖9 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與砂土壓縮系數(shù)關(guān)系

圖10 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與粉土土內(nèi)摩擦角關(guān)系

2.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)與黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系

地基土的強(qiáng)度通常是指土體抵抗剪切破壞的極限能力。在荷載的作用下，地基土中產(chǎn)生法向應(yīng)力和剪應(yīng)力，當(dāng)土中某點(diǎn)的剪切應(yīng)力達(dá)到其抵抗剪切破壞能力的極限值時(shí)，該點(diǎn)產(chǎn)生剪切破壞。地基土體中產(chǎn)生剪切破壞的區(qū)域隨著荷載的增加而擴(kuò)展，最終形成連續(xù)的滑動(dòng)面，地基土體因發(fā)生剪切破壞而喪失穩(wěn)定性[5]。通過分析晉中盆地內(nèi)修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的地基土強(qiáng)度指標(biāo)之間的關(guān)系(見圖10～圖12)，可以得出：修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與粉土、黏性土以及砂土的內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值呈正比關(guān)系，即標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)越大，內(nèi)摩擦角越大，且粉土和砂土的斜率比較大，說明粗顆粒組成的地基土內(nèi)摩擦角為強(qiáng)度指標(biāo)的重要因素。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與黏性土內(nèi)摩擦角關(guān)系

圖12 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與砂土內(nèi)摩擦角關(guān)系

同理，通過分析標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與地基土黏聚力的關(guān)系可以得出相關(guān)方程見式(7)～式(9)，說明修正標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與粉土、黏性土和砂土的黏聚力成正比關(guān)系，且黏性土斜率較大，即細(xì)顆粒地基土強(qiáng)度指標(biāo)的重要影響因素為黏聚力。

粉土：

C=9.084 98+0.547 55N63.5

(7)

黏性土：

C=1.964 16+1.600 05N63.5

(8)

砂土：

C=7.715 15+0.304 55N63.5

(9)

3 結(jié)論

(1)通過分析山西晉中盆地內(nèi)第四系地基土的大量標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和物理及力學(xué)參數(shù)的測試數(shù)據(jù)，找出了它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，為該區(qū)域內(nèi)由標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)確定地基土的相關(guān)物理、力學(xué)指標(biāo)提供了思路和參考。

(2)山西晉中盆地內(nèi)地基土修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與其多個(gè)常規(guī)物理及力學(xué)參數(shù)指標(biāo)均呈線性關(guān)系，且相關(guān)性較高。

(3)該區(qū)域內(nèi)孔隙比、液性指數(shù)、壓縮系數(shù)、壓縮模量、內(nèi)摩擦角以及黏聚力均能用修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)進(jìn)行定量預(yù)算且準(zhǔn)確率較高。

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Study on Correlativity between SPT and Physical and Mechanical Parameters of Quaternary Foundation Soil in JinZhong Basin

XIN Yinling

2016-08-02

辛銀玲(1984—)，女，2006年畢業(yè)于中南大學(xué)分析化學(xué)專業(yè)，理學(xué)碩士。

1672-7479(2016)05-0052-04

TU413.5

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