軟土固化地基輕型觸探N10與靜力觸探qc相關(guān)性研究

張 維，張振興，韋開騰

（1、廣東華路交通科技有限公司 廣州510420；2、深圳合創(chuàng)建設(shè)工程顧問有限公司 深圳518000）

沼澤相軟土經(jīng)過淺層就地固化改良，將非適用性軟土就地固化成適應(yīng)性路基填料。一般將軟土體配制成無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.8～4.5 MPa 的半剛性路基填料［1］，從而實(shí)現(xiàn)軟土的資源化利用。施工初期作為路基施工時(shí)大型機(jī)具進(jìn)出不良場地的施工便道，然后待機(jī)具撤出場后，作為永久性地基與塑料排水板，或深層處理的基樁形成復(fù)合路基。在粵東濱海沼澤相淤泥層較厚［2］，一般設(shè)計(jì)就地改良固化深度1～3 m 為宜。前期為大型施工機(jī)具出入提供通道，《公路路堤就地固化（強(qiáng)力攪拌法）設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》采用不排水抗剪強(qiáng)度和靜力觸探錐尖阻力檢測軟土固化改良處理后的強(qiáng)度，判定路基改良處理效果，以及改良后路基的承載能力［3］。

鑒于靜力觸探與輕型動(dòng)力觸探同屬于貫入圓錐體觸探獲得相關(guān)力值范疇。復(fù)合路基可采用圓錐動(dòng)力觸探檢驗(yàn)注漿加固路基以及復(fù)合地基增強(qiáng)體施工檢測［4］，然后使用平板靜荷載試驗(yàn)檢測獲取地基承載力特征值，綜合判斷地基整體承載能力。輕型觸探采取施加豎向動(dòng)荷載獲得不同深度的錘擊數(shù)，反算觸探儀錐尖阻力；靜力觸探使用豎向靜荷載直接獲取錐尖貫入阻力。兩種試驗(yàn)方法工作原理相似，均是通過施加外力壓入一定規(guī)格的錐體，采集錐體壓入力值，分析地基土強(qiáng)度和抵抗變形能力，評判地基改良處理效果［5］。由此，輕型動(dòng)力觸探與靜力觸探之間一定存在必然的聯(lián)系。國內(nèi)外學(xué)者對輕型觸探與靜力觸探在不同地基填料介質(zhì)之間換算關(guān)系，得出了較多的研究結(jié)論，并總結(jié)了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式［6］。由于軟土就地固化土技術(shù)，近兩年才開始在國內(nèi)推廣使用，目前對于固化路基土體輕型觸探N10與靜力觸探qc之間的關(guān)系，沒有文獻(xiàn)可參考。借鑒研究臺背回填料輕型觸探與靜力觸探的方法［7］，使用平板靜荷載試驗(yàn)驗(yàn)證方法可靠性，建立軟基就地固化土體輕型觸探N10與靜力觸探qc之間的相關(guān)性關(guān)系。

1 同條件原位檢測就地固化土體輕型觸探N10與靜力觸探qc試驗(yàn)

同條件檢測就地固化土體輕型觸探N10試驗(yàn)。在就地固化路基段擇取固化深度為1.5～3.0 m 的段落作為試驗(yàn)段，獲取固化土的實(shí)際無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，保證試驗(yàn)區(qū)域固化土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值分布均勻，排除由于固化土體強(qiáng)度以及其他物理性能指標(biāo)差異造成的誤差［8］。經(jīng)過現(xiàn)場取樣試驗(yàn)，在固化深度為1.5 m、2.0 m、3.0 m，設(shè)計(jì)固化土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（7 d齡期）為2.50 MPa，選擇原狀土物理指標(biāo)相近，改良后固化土無側(cè)限強(qiáng)度差異小，且分布均勻的3 個(gè)測區(qū)［9］，實(shí)測各測區(qū)固化土實(shí)際無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值為2.70 MPa（測區(qū)1）、2.72 MPa（測區(qū)2）、2.74 MPa（測區(qū)3），根據(jù)文獻(xiàn)［4］的試驗(yàn)檢測方法進(jìn)行試驗(yàn)。在上述3個(gè)測區(qū)，采集輕型觸探N10如表1、圖1所示。

⑴由表1、圖1 可以看出使用輕型動(dòng)力觸探N10進(jìn)行檢測，固化土體強(qiáng)度與錘擊次數(shù)成正比關(guān)系。觸探儀錐尖在貫入深度60 cm、120 cm、170 cm、270 cm 附近時(shí)，存在明顯的折點(diǎn)。由此，截取貫入深度為60～120 cm、60～170 cm、60～270 cm 的曲線，發(fā)現(xiàn)上述固化土體深度與錘擊次數(shù)曲線呈緩和的正比關(guān)系遞增，且曲線遞增趨勢相似。由此，在后述中分別截取貫入深度60～120 cm、60～170 cm、60～270 cm為例。然后，再在原位進(jìn)行靜力觸探qc試驗(yàn)，獲取相應(yīng)的錐尖阻力強(qiáng)度值。

圖1 不同深度固化土體貫入深度輕型觸探N10錘擊數(shù)與錐尖阻力qc的關(guān)系Fig.1 Light Penetration Depth of Solidified Soil at Different Depths Relationship between Hammer Number of N10 and Tip Resistance qc

⑵同條件原位進(jìn)行靜力觸探qc試驗(yàn)。在進(jìn)行輕型動(dòng)力觸探N10的原位使用雙橋靜力觸探儀，收集觸探儀錐尖阻力值，修正數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同強(qiáng)度固化土體的承載力特征值，由表1、圖1 可以看出使用靜力觸探儀進(jìn)行檢測，固化土體強(qiáng)度與錐尖阻力成正比關(guān)系，觸探錐尖貫入深度在60 cm附近時(shí)，同樣也存在明顯的起始臨界折點(diǎn)，觸探錐尖貫入深度在60 cm 附近時(shí)，線形增長趨于平緩，貫入錐尖阻力與貫入深度的關(guān)系曲線總體較為平緩，不存在陡增、陡降，當(dāng)接近固化土體末端與軟土層地質(zhì)分界清晰，觸探錐尖阻力突變，固化深度體現(xiàn)明顯。為了對比輕型動(dòng)力觸探N10錘擊次數(shù)，分別截取貫入深度為60～120 cm、60～170 cm、60～270 cm 時(shí)的錘擊數(shù)N10和qc承載力特征值作為代表值進(jìn)行分析。在上述3個(gè)測區(qū)，采集輕型觸探N10與靜力觸探錐尖阻力qc，如表1、圖1所示。

⑶靜力觸探和輕型動(dòng)力觸探2 種方式試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，截取貫入深度在60～120 cm、60～170 cm、60～270 cm 時(shí)的N10錘擊數(shù)和錐尖阻力qc值回歸分析。分析圖1、表1 及表2，若舍去固化土體表層40 cm，下層地質(zhì)分界上方30 cm 的數(shù)據(jù)，則錐尖阻力與錘擊次數(shù)上升拐點(diǎn)相同。根據(jù)這一特征，在同條件區(qū)域，使用靜力觸探檢測經(jīng)過固化處理后固化土體的錐尖阻力qc值，對比輕型動(dòng)力觸探N10錘擊次數(shù)，分析數(shù)據(jù)尋求兩種檢測手段之間的相關(guān)性關(guān)系，從圖1、表1 可以看出靜力觸探與輕型動(dòng)力觸探N10之間，線形臨界點(diǎn)相同。由圖1可以看出，貫入深度與動(dòng)力觸探N10獲取錘擊次數(shù)、靜力觸探錐尖阻力qc之間呈正相關(guān)關(guān)系。靜力觸探錐尖阻力qc獲取的路基承載力特征值曲線平緩、穩(wěn)定，且能與室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值相應(yīng)襯，具有一定的代表性。由此，兩者之間應(yīng)該存在一定的聯(lián)系，以靜力觸探所得到的強(qiáng)度為Y值，以及對應(yīng)Y值時(shí)的錘擊數(shù)為X 值，使用最小二乘法關(guān)聯(lián)同貫入深度時(shí)的兩組數(shù)據(jù)，建立關(guān)系曲線方程，獲得兩類數(shù)據(jù)之間的關(guān)系保證率。以60～120 cm、60～170 cm、60～270 cm為例，3組代表值在不同貫入深度時(shí)，兩者相關(guān)性公式如表2所示。

利用克姆萊理論，計(jì)算分析表2數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，選取保證率（R2值）最合理的貫入深度，作為代表關(guān)系式。逐段數(shù)理分析貫入深度、靜力觸探qc與輕型動(dòng)力觸探N10三者之間的關(guān)系，得到當(dāng)貫入深度貫入深度在120 cm 時(shí)，數(shù)據(jù)的保證率最合理，所以建議使用貫入深度為120 cm 時(shí)的相關(guān)性關(guān)系作為經(jīng)驗(yàn)公式：qc=-0.000 7N102+0.054 2N10+1.751，保證率R2=0.991 6?？梢栽诂F(xiàn)場使用輕型動(dòng)力觸探N10獲取錘擊次數(shù)，換算出靜力觸探錐尖阻力qc值，測出固化土體的承載力（強(qiáng)度）強(qiáng)度特征值。

表1 不同貫入深度固化土體靜力觸探qc與輕型觸探N10代表值統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical of Static Penetration qc and Light Penetration N10 Representative Value of Solidified Soil with Different Penetration Depths

表2 不同貫入深度的靜力觸探qc與輕型動(dòng)力觸探N10的相關(guān)性關(guān)系Tab.2 Correlation between Static Penetration qc with Differ?ent Penetration Depth and Light Penetration N10

2 采集同條件不同試區(qū)就地固化土體平板靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)對上述結(jié)論平行驗(yàn)證

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ∕T 15-38-2019》［10］相關(guān)章節(jié)規(guī)定，對固化體路基進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，檢測試區(qū)的P-s（壓強(qiáng)與荷載板沉降速率）曲線、s-lgP 及s-lgt（沉降速率與壓強(qiáng)及單位時(shí)間荷載板沉降量回歸分析）曲線。根據(jù)以上試驗(yàn)檢測手段對3個(gè)檢測試區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果整理如表3所示。

表3 同條件檢測不同試區(qū)就地固化土體平板載荷試驗(yàn)Tab.3 Test of Plate Load of Local Solidified Soil in Different Test Areas under the Same Conditions

經(jīng)過計(jì)算，上述3 處試檢測點(diǎn)承載力特征值在200～300 kPa 之間。符合《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG D30-2015》以及《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則：JTG ∕T D31-02-2013》對地基承載力的要求。通過平板靜載荷試驗(yàn)可以間接看出，就地固化土體承載力特征值與觸探錘擊數(shù)和貫入錐尖阻力所獲取的相關(guān)性關(guān)系公式合理，且能反映地基承載力的真實(shí)情況，同時(shí)與固化土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值一致。由于試驗(yàn)區(qū)域大面積軟土物理特性較一致，所以試驗(yàn)未對于土壤分層、顆粒物粒徑、有機(jī)質(zhì)含量等指標(biāo)因素差異影響較?。?1］，因此，在列出靜力觸探qc與輕型動(dòng)力觸探N10的相關(guān)關(guān)系時(shí)，未列出原狀軟土物理性能的差異影響。

3 結(jié)論

由于軟土路基改良后強(qiáng)度明顯高于松散的顆粒狀原土，顯然不能再使用輕型動(dòng)力觸探N10經(jīng)驗(yàn)公式（8N10-20）換算地基承載力的代表值。經(jīng)過上述試驗(yàn)并整理相關(guān)數(shù)據(jù)，得出軟土就地固化改良后，作為半剛性填料使用在路基工程中，采用輕型動(dòng)力觸探N10，也可檢測出就地固化土體的承載力特征值。但就地固化強(qiáng)度、深度各異，取值時(shí)舍去固化土體表層40 cm，下層地質(zhì)分界處30 cm以上數(shù)據(jù)，截取正常段數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理分析，以最具有代表性的貫入深度120 cm 為例，得出輕型動(dòng)力觸探N10與地基承載力之間的相應(yīng)關(guān)系公式為：qc=-0.000 7N102+0.054 2N10+1.751，保證率R2=0.991 6。

綜上所述，若使用強(qiáng)力攪拌頭［11］就地固化改良軟土路基土體提高路基承載力，當(dāng)固化土強(qiáng)度分布較平均時(shí)，輕型動(dòng)力觸探N10和靜力觸探qc之間存在良好的相關(guān)性關(guān)系。以觸探貫入深度為120 cm 為例，可以利用相關(guān)性公式互為轉(zhuǎn)換。由此，建立了就地固化土輕型動(dòng)力觸探N10錘擊次數(shù)與靜力觸探qc之間的相關(guān)性關(guān)系公式。