天津地區(qū)旁壓試驗(yàn)與固結(jié)試驗(yàn)成果對(duì)比分析

劉 浩， 張建根

（天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300051）

隨著科技的發(fā)展，力求采用多種勘察手段對(duì)地基土工程性質(zhì)進(jìn)行分析研究，提出科學(xué)、可靠的巖土設(shè)計(jì)參數(shù)。固結(jié)試驗(yàn)是目前較為成熟的土工試驗(yàn)項(xiàng)目，廣泛應(yīng)用于地基土壓縮性、密實(shí)度、承載力評(píng)價(jià)、地基變形計(jì)算中[1]。旁壓試驗(yàn)等原位測(cè)試手段在工程勘察領(lǐng)域逐步普及應(yīng)用，彌補(bǔ)了固結(jié)試驗(yàn)過(guò)程中土樣采取、運(yùn)輸、加工等環(huán)節(jié)受到擾動(dòng)的不足，同時(shí)極大提高了勘察工作效率[2～3]。

旁壓試驗(yàn)與固結(jié)試驗(yàn)機(jī)理相似，土體隨著荷載的增大，逐漸被壓密，由彈性變形逐漸變?yōu)樗苄宰冃危敝疗茐?；基本反映出地基土在原始?yīng)力狀態(tài)下的工程力學(xué)特性。

本文通過(guò)工程實(shí)例得到的試驗(yàn)成果，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)的旁壓模量Em、旁壓剪切模量Gm與固結(jié)試驗(yàn)中的壓縮模量Es1-2、孔隙比e數(shù)值對(duì)比分析，建立兩者經(jīng)驗(yàn)關(guān)系并計(jì)算出Es1-2與Em比值KE、Es1-2與Gm比值，為今后科學(xué)客觀應(yīng)用旁壓試驗(yàn)成果積累工程經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)原理

1.1 旁壓試驗(yàn)

旁壓試驗(yàn)[4～5]中通過(guò)旁壓器對(duì)孔壁施加徑向壓力，使土體產(chǎn)生徑向變形，通過(guò)徑向壓力與變形的關(guān)系，測(cè)求地基土的原位力學(xué)狀態(tài)和力學(xué)參數(shù)，得到旁壓模量Em、旁壓剪切模量Gm、土體承載力、側(cè)向基床系數(shù)等。地基土體與測(cè)試探頭初始接觸后，進(jìn)入彈性階段，進(jìn)而發(fā)展為塑性階段直至破壞。試驗(yàn)過(guò)程可分為3 個(gè)階段：Ⅰ段（曲線AB）為初步階段，反映孔壁擾動(dòng)土體的壓縮與恢復(fù)；Ⅱ段（直線BC）為似彈性階段，壓力與體積變化大致呈直線關(guān)系；Ⅲ段（曲線CD）為塑性階段，隨著壓力的增大，體積變化量逐漸增加，直至土體破壞。見(jiàn)圖1。

圖1 典型旁壓試驗(yàn)曲線

式中：μ 為泊松比；Δp 為旁壓試驗(yàn)曲線上直線變形段的壓力增量，kPa；ΔV為相應(yīng)Δp的體積變化增量，cm3；Vm為平均體積增量，取旁壓試驗(yàn)曲線直線段兩點(diǎn)間壓力所對(duì)應(yīng)的體積之和的一半，cm3；Vc為旁壓器（中腔）初始體積，cm3。

1.2 固結(jié)試驗(yàn)

固結(jié)試驗(yàn)[6]是原狀土樣經(jīng)金屬環(huán)刀（內(nèi)徑80 mm、高20 mm）切取加工成試件后，將試件連同環(huán)刀裝入側(cè)限壓縮儀的內(nèi)環(huán)中；試件上下面各放置透水石，同時(shí)向水槽內(nèi)充水；通過(guò)傳壓板施加豎向力后，由百分表測(cè)讀試件的豎向變形。土樣試件受環(huán)刀側(cè)向約束，無(wú)法側(cè)向膨脹；隨豎向力增大，土體孔隙逐漸被壓密，試件壓縮性用土的孔隙比e 和豎向力p 的關(guān)系。見(jiàn)圖2。

圖2 試件壓縮曲線

式 中：a為 壓 縮 系 數(shù)，MPa-1；ei、ei+1為 壓 力pi、pi+1時(shí)壓縮穩(wěn)定后的孔隙比；pi、pi+1為與ei、ei+1相對(duì)應(yīng)的壓力，kPa；si、si+1為pi、pi+1壓力下固結(jié)穩(wěn)定后的單位沉降量，即應(yīng)變值。

通常用壓力由pi= 100 kPa 增加到pi+1= 200 kPa時(shí)所得到的壓縮系數(shù)a1-2來(lái)判定土的壓縮性，因此本文選擇對(duì)應(yīng)的壓縮模量Es1-2來(lái)研究其與Em、Gm的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

在天津市北辰區(qū)某深基坑工程建設(shè)場(chǎng)地取樣鉆孔旁進(jìn)行旁壓試驗(yàn)，共6 個(gè)旁壓試驗(yàn)孔，深度20 m。旁壓試驗(yàn)深度范圍內(nèi)地基土的地質(zhì)單元?jiǎng)澐峙c分布見(jiàn)表1。

表1 主要地基土分布情況m

旁壓試驗(yàn)設(shè)備為APAGEO 梅納GA型預(yù)鉆式旁壓儀，探頭為三腔式，探頭直徑74 mm，測(cè)量腔長(zhǎng)度210 mm，容積786 cm3。試驗(yàn)壓力由高壓氮?dú)馄刻峁?，各?jí)壓力下的相對(duì)穩(wěn)定時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)取1 min，加荷后15、30、60 s測(cè)讀變形量。

2.2 對(duì)比分析

2.2.1 不同深度地基土Es1-2、Em、Gm變化規(guī)律

根據(jù)不同深度地質(zhì)單元土層，將地質(zhì)鉆孔取樣Es1-2試驗(yàn)結(jié)果與旁壓試驗(yàn)Em結(jié)果進(jìn)行對(duì)比?？紤]到地基土層實(shí)際分布的變異性、試驗(yàn)結(jié)果的離散性，剔除異常數(shù)據(jù)后，各土層壓縮模量指標(biāo)Es1-2、旁壓模量指標(biāo)Em、旁壓剪切模量Gm等物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 物理力學(xué)指標(biāo)平均值

根據(jù)表2，以地層層底深度標(biāo)高為縱坐標(biāo)，Es1-2、Em、Gm為橫坐標(biāo)建立關(guān)系曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 地層深度標(biāo)高與Es1 - 2、Em、Gm關(guān)系曲線

1）各層地基土Es1-2、Em、Gm線形變化基本一致，旁壓試驗(yàn)與室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)測(cè)試手段均反映出了地基土Es1-2、Em、Gm沿埋深變化的規(guī)律。

2）淺層地基土湖沼相沉積（Q34l+h）⑤層黏土、淺海相沉積（Q24m）⑥層粉質(zhì)黏土Es1-2值大于Em、Gm值，3 個(gè)數(shù)值的大小關(guān)系為Gm＜Em＜Es1-2。考慮以上兩層地基土形成年代較晚且含水量w、孔隙比e 較大，反映土體軟硬程度的IL值較大；另外固結(jié)試驗(yàn)中側(cè)向約束作用存在，導(dǎo)致了Es1-2數(shù)值大于旁壓試驗(yàn)結(jié)果。

3）埋藏較深的河床～河漫灘相沉積（Q14al）⑧1層粉質(zhì)黏土、⑧2層粉砂、河床～河漫灘相沉積（Qe3al）⑨1層粉質(zhì)黏土Es1-2值介于Em、Gm值之間，3個(gè)數(shù)值的大小關(guān)系為Gm＜Es1-2＜Em。旁壓試驗(yàn)結(jié)果中⑧、⑨層地基土的Em、Gm數(shù)值較⑤、⑥層黏性土增加明顯；固結(jié)試驗(yàn)中黏性土則呈緩增趨勢(shì)。⑧2層粉砂固結(jié)試驗(yàn)中固結(jié)排水條件較好，因此相對(duì)于黏性土明顯增大。

2.2.2 e與Es1-2、Em、Gm的對(duì)應(yīng)關(guān)系

地基土埋深不同，由淺至深上覆荷載逐漸增大，導(dǎo)致土體土顆粒間的孔隙被逐步壓密。物理性指標(biāo)中e 既是計(jì)算Es1-2的參數(shù)，也是查取承載力的關(guān)鍵參數(shù)。e的大小基本反映出了土體受上覆荷載或沉積固結(jié)年代較久而被壓密的表征。根據(jù)表2，以e 為橫坐標(biāo)，Es1-2、Em、Gm為縱坐標(biāo)建立曲線，見(jiàn)圖4。

圖4 e與Es1 - 2、Em、Gm曲線

1）地基土Es1-2、Em、Gm與e呈反比趨勢(shì)。

2）⑤、⑥層黏性土的e 分別為0.819、0.862，此范圍Es1-2、Em、Gm的線形平緩且各數(shù)據(jù)相差較小。

3）⑧1、⑨1層粉質(zhì)黏土的e 分別為0.679、0.700，此范圍Es1-2、Em、Gm的線形出現(xiàn)明顯斜率，各組數(shù)據(jù)間較為開(kāi)闊。

4）⑧2層粉砂e 為0.592，Es1-2線形更陡，Em、Gm值線形基本保持原斜率延伸。

2.2.3 Es1-2與Em、Es1-2與Gm比值

Es1-2與Em的比值KE、Es1-2與Gm的比值KG見(jiàn)表3。

表3 KE、KG值

根據(jù)該區(qū)域地基土分布情況，⑤、⑥層黏性土KE值約為1.6；KG值約為4.4；⑧1、⑨1層粉質(zhì)黏土KE值約為0.5，KG值約為1.2；⑧2層粉砂層KE值接近0.8，KG值接近2.0。

3 結(jié)論與建議

1）通過(guò)對(duì)比分析Es1-2、Em、Gm沿地基土埋深及天然孔隙比數(shù)值的變化規(guī)律，天津地區(qū)湖沼相沉積⑤層黏土、淺海相沉積⑥層粉質(zhì)黏土具有孔隙比較大、含水量高的工程特性。壓縮模量Es1-2、旁壓模量Em、旁壓剪切模量Gm數(shù)據(jù)線形分布規(guī)律基本一致，3 個(gè)數(shù)值的大小關(guān)系為Gm＜Em＜Es1-2。經(jīng)驗(yàn)關(guān)系倍數(shù)KE值約為1.6；KG值約為4.4。

2）河床～河漫灘相沉積（Q14al）⑧1層粉質(zhì)黏土、⑧2層粉砂、河床～河漫灘相沉積（Qe3al）⑨1層粉質(zhì)黏土，沉積年代較久遠(yuǎn)，天然孔隙比相對(duì)較小，Es1-2數(shù)值介于Em、Gm值之間，3個(gè)數(shù)值的大小關(guān)系為Gm＜Es1-2＜Em。⑧1、⑨1層黏性土經(jīng)驗(yàn)關(guān)系倍數(shù)KE值約為0.5；KG值約為1.2。⑧2粉砂層KE值接近0.8，KG值接近2.0。

3）地基土Es1-2、Em、Gm與e 呈反比趨勢(shì)。⑧2層粉砂固結(jié)試驗(yàn)中固結(jié)排水條件較好，因此相對(duì)于黏性土明顯增大，在e～Es1-2曲線中Es1-2值線形更陡；旁壓試驗(yàn)中的線形與黏性土斜率基本一致。

4）在后續(xù)工作中，注意積累⑧、⑨層地基土的旁壓試驗(yàn)成果；嘗試將旁壓試驗(yàn)成果指標(biāo)直接應(yīng)用于基礎(chǔ)沉降、基坑變形、單樁承載力等巖土計(jì)算；增加其他原位測(cè)試手段的對(duì)比分析，從更加立體的角度查明地基土的工程力學(xué)性質(zhì)。