扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)確定砂土內(nèi)摩擦角方法研究

魏晉攀, 李瑞園， 容洪流*， 孫建超

(1.甘肅省交通勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司， 甘肅 蘭州 700030； 2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院；3.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

天然砂土的內(nèi)摩擦角是巖土工程分析和設(shè)計(jì)中最受關(guān)注的參數(shù)之一，在確定樁基承載力、地基承載力和基坑工程分析方面具有舉足輕重的作用，確定反映天然狀態(tài)下砂土的內(nèi)摩擦角顯得尤為重要，一直是巖土工程勘察的重要工作。目前，確定砂土內(nèi)摩擦角的方法主要為室內(nèi)試驗(yàn)方法和原位測(cè)試方法。由于天然砂土的內(nèi)摩擦角與土體的天然結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、應(yīng)力條件等密切相關(guān)，當(dāng)采取室內(nèi)試驗(yàn)方法時(shí)，原狀砂土的取樣和試樣的制備不可避免地對(duì)砂土產(chǎn)生了擾動(dòng)，原位結(jié)構(gòu)性受到破壞。已有研究表明：室內(nèi)試驗(yàn)確定的土體工程力學(xué)特性參數(shù)與原位測(cè)試方法取得的參數(shù)存在一定的差別，特別是對(duì)于深層砂土層、應(yīng)力歷史復(fù)雜砂層，其力學(xué)特性受原位結(jié)構(gòu)性的影響尤為明顯。扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)方法作為一種快速而準(zhǔn)確的原位測(cè)試方法，對(duì)土體擾動(dòng)小，在保持土體天然狀態(tài)和原位應(yīng)力條件下進(jìn)行測(cè)試，與其他原位測(cè)試方法相比，準(zhǔn)確性更高。

1 扁鏟側(cè)脹確定砂土內(nèi)摩擦角的基本理論

Marchetti(1985)利用楔形貫入理論的解析解，建立了采用內(nèi)摩擦角(φ)和側(cè)向應(yīng)力系數(shù)(K0)表示潔凈砂土歸一化錐尖阻力(qc/vo′)的圖表。Campanella & Robertson(1991)將該圖表推廣到側(cè)脹水平應(yīng)力指數(shù)(KD)，建立了采用靜止側(cè)向應(yīng)力系數(shù)(K0)和側(cè)脹水平應(yīng)力指數(shù)(KD)表示的圖表，相互關(guān)系如圖1所示。圖中φ值曲線可以表示為：

(1)

圖1 砂土內(nèi)摩擦角與側(cè)向應(yīng)力系數(shù)K0及側(cè)脹水平應(yīng)力指數(shù)KD關(guān)系圖

Marchetti(1997)通過指定3個(gè)特定的K0條件：①K0=1-sinφ；②K0=1；③K0=(Kp)1/2，給出了φ和KD之間的一系列非線性關(guān)系。所得到的曲線如圖2所示，這些曲線可采用式(2)～(4)近似表達(dá)：

(2)

(3)

(4)

圖2 不同側(cè)向應(yīng)力狀態(tài)下砂土內(nèi)摩擦角與側(cè)脹水平應(yīng)力指數(shù)KD關(guān)系圖

2 不同原位測(cè)試方法確定砂土內(nèi)摩擦角的比較

2.1 工程概況

孟加拉國PADMA多用途大橋項(xiàng)目，位于首都達(dá)卡西南部，距離達(dá)卡西約40 km。場(chǎng)區(qū)地貌為PADMA河(恒河)沖積平原，地勢(shì)平坦，河網(wǎng)密布，地層主要為全新世泛濫平原沖積漫灘，具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 場(chǎng)區(qū)主要地層情況

地質(zhì)縱剖面圖如3所示。由圖3可知：地層分布較均勻，覆蓋層厚度大，主橋橋墩樁底絕對(duì)高程為-130.00 m，在樁身范圍內(nèi)深厚砂層受到河床歷史演變的影響，應(yīng)力歷史復(fù)雜，砂土的原位結(jié)構(gòu)性顯著，砂土原狀取樣需耗費(fèi)巨大的時(shí)間和成本。從表1中標(biāo)貫擊數(shù)和圖3地質(zhì)鉆孔縱剖面容易發(fā)現(xiàn)，砂層的力學(xué)分層在深度方向上連續(xù)，在水平方向上起伏小，研究砂土的物理力學(xué)性質(zhì)具有直觀的意義。

圖3 場(chǎng)區(qū)地質(zhì)縱剖面圖

2.2 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)結(jié)果與自鉆式旁壓試驗(yàn)、室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果比較

目前，確定砂土內(nèi)摩擦角較為準(zhǔn)確的原位測(cè)試方法，主要包括扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)、自鉆式旁壓試驗(yàn)，隨著取樣手段和技術(shù)的不斷提高，在國外項(xiàng)目中，冷凍法取樣、新型凝膠取樣、麥?zhǔn)匣钊悠?Mazier Sampler)技術(shù)得到應(yīng)用，使得室內(nèi)三軸試驗(yàn)確定原狀砂土的內(nèi)摩擦角變得更加可信。盡管自鉆式旁壓試驗(yàn)和新型取樣技術(shù)下室內(nèi)三軸試驗(yàn)在確定砂土內(nèi)摩擦角方面的表現(xiàn)優(yōu)異，但是由于兩者操作復(fù)雜、成本高昂，在工程應(yīng)用中利用率較低。這兩種試驗(yàn)方法的相關(guān)結(jié)果可用于檢驗(yàn)方程式(4)的下限值。

該文采用原位測(cè)試方法和室內(nèi)三軸試驗(yàn)(CUC)方法對(duì)砂土進(jìn)行了測(cè)試。室內(nèi)三軸試驗(yàn)(CUC)采用了高質(zhì)量的取樣方法，取樣器由專業(yè)供應(yīng)商提供的凝膠取樣器(Gel-Push Sampler)。將試樣在獲取和制備過程中對(duì)試樣的擾動(dòng)程度降低至最低水平；自鉆式旁壓試驗(yàn)采用英國劍橋自鉆式旁壓設(shè)備，設(shè)備自動(dòng)采集和程序自動(dòng)化處理數(shù)據(jù)，扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)采用意大利Marchetti扁鏟側(cè)脹儀器。測(cè)試時(shí)，在同一鉆孔中不同標(biāo)高進(jìn)行了扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)、自鉆式旁壓試驗(yàn)、凝膠取樣，測(cè)試結(jié)果如圖4、5所示。扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)時(shí)，將孔內(nèi)土體預(yù)鉆并清孔至測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)間距為0.3 m，3個(gè)測(cè)試點(diǎn)為一組，組與組間隔5 m；自鉆式旁壓試驗(yàn)時(shí)，將孔內(nèi)土體預(yù)鉆并清孔至測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)長度為1.0 m，點(diǎn)與點(diǎn)間隔5 m，并避開扁鏟側(cè)脹測(cè)試點(diǎn)，以此類推，可測(cè)試至絕對(duì)高程為-130.00 m。大量試驗(yàn)證明，在鉆探清孔時(shí)，扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)和自鉆式旁壓試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)以上應(yīng)預(yù)留土層0.5～1.0 m，以減少因預(yù)鉆擾動(dòng)及應(yīng)力釋放對(duì)下部試驗(yàn)段的擾動(dòng)。

由式(2)～(4)可知：砂土的內(nèi)摩擦角與側(cè)脹水平應(yīng)力指數(shù)KD具有直接關(guān)聯(lián)，圖4為場(chǎng)區(qū)扁鏟試驗(yàn)中側(cè)脹水平應(yīng)力指數(shù)KD隨深度變化關(guān)系。從圖4可以看出：側(cè)脹水平應(yīng)力指數(shù)KD值為0.2～5.0，大量試驗(yàn)表明，側(cè)脹水平應(yīng)力指數(shù)KD在此區(qū)間的砂土，扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)測(cè)試的內(nèi)摩擦角，與自鉆式旁壓試驗(yàn)、室內(nèi)三軸試驗(yàn)(CUC)結(jié)果相比偏小。圖5為典型鉆孔中不同試驗(yàn)方法獲取的砂土內(nèi)摩擦角對(duì)比圖。從圖5可以看出：高質(zhì)量取樣的室內(nèi)三軸試驗(yàn)(CUC)與自鉆式旁壓試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角測(cè)試結(jié)果具有一致性，而扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)內(nèi)摩擦角測(cè)試結(jié)果皆比兩者小。因此有必要對(duì)側(cè)脹水平應(yīng)力指數(shù)KD≤5的砂土內(nèi)摩擦角計(jì)算公式進(jìn)行修正。

圖4 場(chǎng)區(qū)扁鏟側(cè)脹水平應(yīng)力指數(shù)KD隨深度變化關(guān)系

圖5 典型鉆孔不同試驗(yàn)方法內(nèi)摩擦角測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

2.3 內(nèi)摩擦角公式的修正

根據(jù)場(chǎng)區(qū)自鉆式旁壓試驗(yàn)、室內(nèi)三軸試驗(yàn)(CUC)測(cè)試內(nèi)摩擦角對(duì)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的計(jì)算公式(4)進(jìn)行修正，具體修正方法為最小二乘法，修正原則為KD>5時(shí)，修正公式與式(4)內(nèi)摩擦角計(jì)算值保持相近(誤差小于0.2°)，得出計(jì)算式如下：

φ=31.5°+5.35lnKD-0.40ln2(KD)

(5)

圖6為扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)內(nèi)摩擦角公式下限修正圖。由圖6可知：側(cè)脹水平應(yīng)力指數(shù)KD≤5時(shí)，式(5)確定的砂土內(nèi)摩擦角下限值與式(4)的計(jì)算值相比，有所提升，且其下限值與自鉆式旁壓試驗(yàn)、室內(nèi)三軸試驗(yàn)(CUC)測(cè)試的內(nèi)摩擦角下限值基本一致；側(cè)脹水平應(yīng)力指數(shù)KD>5時(shí)，式(5)確定的砂土內(nèi)摩擦角與式(4)計(jì)算值保持相近。由此可知，式(5)確定的砂土內(nèi)摩擦角下限值提供了更為合理的扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)解釋結(jié)果。

圖6 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)內(nèi)摩擦角公式下限修正

3 修正公式的驗(yàn)證與分析

收集不同地區(qū)采用室內(nèi)三軸試驗(yàn)、自鉆式旁壓試驗(yàn)(SBPT)測(cè)試砂土內(nèi)摩擦角的現(xiàn)有文獻(xiàn)，如表2所示，這些場(chǎng)地同時(shí)也進(jìn)行了扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)，用于確定砂土內(nèi)摩擦角與側(cè)脹水平應(yīng)力指數(shù)KD的相互關(guān)系。室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)包括各向同性固結(jié)不排水試驗(yàn)(CIUC)和各向同性固結(jié)排水試驗(yàn)(CIDC)以及剪切前的各向異性固結(jié)試驗(yàn)(CAUC，CADC)。

表2 用DMT、SBPT和室內(nèi)三軸試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)摩擦角的文獻(xiàn)記錄

圖7、8為根據(jù)表2中收集的文獻(xiàn)記錄繪制，將不同地區(qū)、不同研究人員得出的砂土內(nèi)摩擦角與修正公式(5)確定的內(nèi)摩擦角進(jìn)行比較，結(jié)果表明：無論以何種測(cè)試方法對(duì)修正公式(5)計(jì)算值進(jìn)行評(píng)價(jià)，其值都大于修正公式(5)確定的內(nèi)摩擦角下限值。

4 結(jié)論

(1) 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)方法作為一種快速而準(zhǔn)確的原位測(cè)試方法，對(duì)土體擾動(dòng)小，保持土體天然狀態(tài)和原位應(yīng)力條件下進(jìn)行測(cè)試，相比較其他原位測(cè)試方法，是確定砂土內(nèi)摩擦角較為準(zhǔn)確的方法。

圖7 室內(nèi)三軸試驗(yàn)確定砂土內(nèi)摩擦角與修正公式對(duì)比

圖8 自鉆式旁壓試驗(yàn)確定砂土內(nèi)摩擦角與修正公式對(duì)比

(2) 側(cè)脹水平應(yīng)力指數(shù)KD≤5時(shí)，扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)確定的砂土內(nèi)摩擦角與室內(nèi)三軸試驗(yàn)、自鉆式旁壓試驗(yàn)結(jié)果相比偏小，需對(duì)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)確定的內(nèi)摩擦角下限值進(jìn)行修正，建立了修正公式(5)。

(3) 利用修正公式(5)，與收集文獻(xiàn)記錄中的砂土內(nèi)摩擦角進(jìn)行比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了公式(5)的合理性和可靠性。