静力触探测试土的压缩模量在广州南沙地区的应用研究

检测与分析

静力触探测试土的压缩模量

在广州南沙地区的应用研究

张德波

(广州市市政工程设计研究院,510060)

摘　要　压缩模量是软弱粘性土地基变形计算中的关键参数,本文通过对广州南沙地区软弱粘性土进行静力触探原位测试,做了大量的统计对比研究,得出适合该地区软弱粘性土的压缩模量与静力触探比贯入阻力的经验关系,并经过对比分析,确定该经验公式对广州南沙地区软弱粘性土层具有很大的应用和推广价值。

关键词　静力触探　比贯入阻力　压缩模量　广州南沙地区　　随着广州城市扩建和发展的需要,南沙地区将成为广州未来新城市发展战略的核心,现今该区各项基础设施正处于如火如荼的建设之中。南沙地区的大部分地基为滨海相与河湖相交互沉积的软弱粘性土,在天然状态下,具有含水量高,孔隙比、压缩性大,强度低的特点,且分布范围广、厚度大。如将其作为建筑物地基,地基沉降是要解决的关键技术问

题。压缩模量(Es)是土的工程性质的重要参数,它不仅可用来进行地基土压缩性能的划分,而且广泛用于计算地基的沉降、建筑物地基时间与沉降的关系以及作为有限元土工分析的计算指标。因而如何获得准确的软弱粘性土地基的压缩模量将直接影响设计成果的可靠性和工程的投资效益。静力触探(简称CPT)作为一种轻便、快捷、高效的原位测试技术,在工程勘察和岩土工程监测、检测方面得到了广泛应用。用静力触探技术获取地基土压缩模量,在国内外已获得了不少成果,但都是建立在一定的适用范围和适用土层之上,具有一定的地区局限性。因而在南沙地区建立一套简便、快捷地获取软弱粘性土压缩模量的方法具有相当的必要性和紧迫性,同时也能够在后继的南沙地区基础建设中发挥有效作用。

种测试方法。19年,我国首先成功研制了电测式单桥静力触探,它是我国特有的一种探头类型,能根据电阻应变值的变化,测出比贯入阻力(Ps)参数。由于其测试连续、快速、高效,兼有勘探与测试的双重作用等特点,很快在全国得到推广和普及。但是由于土的性质的不定性和复杂性以及触探时产生的土体大变形,静力触探机理的理论研究还处在不断探索之中。在长期的理论研究和工程实践过程中,我国已将比贯入阻力和众多的土的工程性质参数建立了相关的经验关系,间接地评定土的性质指标,并积累了相当丰富的实用经验。

112　室内土工试验法获取土的压缩模量

室内土工试验求取土的压缩模量是采用固结试验来完成的,它是土在完全侧限条件下受压,受压方向上的应力与应变之间的增量比值。试验时,先用环刀取原状土样,然后置于固结仪内,分级加载,并按一定时间记录土样产生的竖向变形。采用的计算公式为[2]:

Es=

1+e0av

,

其中:e0为试样的初始孔隙比;av为压缩系数(MPa-1)。

av=

ei-ei+1;其中,pi为某级压力值。

pi+1-pi

1　静力触探测试地基土压缩模量

111　静力触探技术

在工程实际中,通常采用压力范围为011～012MPa相对应的Es值来评价土的压缩性,Es值愈

静力触探测试技术首先在荷兰研制出来,并得到应用[1]。静力触探试验是把一定规格的圆锥形探头借助机械匀速压入土中,并测定探头阻力的一

　〔收稿日期〕　2004-06-25

高,表明土的压缩性愈低。但是一般在取样、搬运、制样过程中的扰动会导致Es值的降低。

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检测与分析

VOL18　No11GEOTECHNICALENGINEERINGWORLD　

113　静力触探法获取土的压缩模量

南面濒临珠江出海口。南沙地区水网密布,湖塘众多,北部大多为耕地,南部多为围垦填地。地基土的成因类型为海陆过渡沉积,即三角洲相,其软弱粘性土层具有分布宽广、厚度大、物理力学性质差的特点,其天然含水量一般为3716%～9616%,平均5618%;天然孔隙比一般为11072～21620,平均11561,压缩模量一般为1144～3188MPa,平均2.32MPa;重力密度一般为1415～1719kN・m-3,平

当静力触探由探杆将探头贯入土层时,首先引起探头锥尖以下局部土层的压缩,于是土对锥尖产生阻力,由于贯入力超过土的阻力,土体让出探头体积部分,土又向探头周边挤压,土体主要受到压缩变

形,压力来自探头锥面的法线方向(图1)。所以单桥静力触探所测出的比贯入阻力Ps和压缩模量Es在测试机理上是相近的,因而两者呈线性关系

[3]

。

利用两者的线性关系便可以在静力触探比贯入阻力和压缩模量之间建立相关经验公式,从而可直接通过经验公式用比贯入阻力求出相应的土层压缩模量。

均1614kN・m-3;液性指数一般为0168～3118,平均1130;塑性指数一般为1311～2917,平均1919。212　试验方法及原始数据筛选试验采用的单桥静力触探仪探头符合国家技术标准,其锥底面积为10cm2,锥角60°,数据采集方式为数字化自动记录仪。试验过程中,探头的贯入速度控制在2cm・s-1左右。为保证试验结果的准确性,尽可能使静力触探孔与钻探取样孔之间平面距离靠近,为避免钻孔坍塌扰动给静力触探试验造成影响,静力触探试验均先于钻探工作进行。

图1　探头贯入受力图

在对原始数据进行选取时,选用静力触探试验点与钻探取样位置深度相近且在同一土层的数据。当两对比数据点处于不同土层时,数据的可比性差,予以剔除;当二者介于同一土层内,但静力触探曲线不太稳定,且呈较大突变时,考虑为夹层影响,数据也予以剔除;若在同一土层内,静力触探曲线规律变化且数值相对较大,而室内试验的Es值偏小(小于1MPa时),则说明土样在试验过程中遭到扰动,也

影响静力触探贯入阻力的因素主要有贯入速度、探头、探杆规格以及各地区土质情况等。在常用的贯入速率情况下(2cm/s)对贯入阻力的影响很小。当探头几何形状和尺寸、探杆采用标准规格时可忽略对贯入阻力的影响。故贯入阻力与压缩模量之间的关系只与土层的类别和土的工程性质有关。

静力触探试验直接在建筑现场进行,甚至可在地基承载点上进行,因此能直接且如实地测定地基土的工程地质特性,同时避免了土样由于采集、搬运、保管、人工制样等一系列过程产生的扰动和水分丢失和各种内、外因素影响导致的数据失真。对于难以采样的土层,尤其为软土,静力触探仍能进行测试,而且所测定的土体体积大,再现性好,可靠性强。静力触探试验与室内土工试验建立经验关系来间接地评定土的变形指标,使二者相结合,优势互补,同时发挥静力触探测试的突出优点,因此从成本和时间功效上看,静力触探法显得较为优越。

予以剔除。

213　试验数据的回归分析

将在南沙地区获取的并经过筛选的静力触探比贯入阻力Ps值及相对应的室内土工试验测出的土

的压缩模量Es值绘于图中进行分析(图2),共有40组测试数据参与统计。

2　利用静力触探在广州南沙地区测试土的

压缩模量

211　试验区的地基情况

图2　Ps-Es散点图及回归曲线

南沙地区位于广州市的南端,属珠江三角洲冲积平原,四面环水,是西江、北江、东江三江汇集处,76

在该直角坐标系中横轴为比贯入阻力Ps

(MPa)值,纵轴为室内试验土的压缩模量Es(MPa)值,从散点图中可以看出Ps与Es呈线性变化关

第8卷　第1期岩土工程界　

检测与分析

214　推导公式与已有公式的比较

系,因而可利用一元线性回归分析来构建二者之间的相关关系。

经过一元线性回归分析,运用最小二乘法原理

[4]

对于用静力触探确定土层的压缩模量国内外不少科研机构均进行了试验研究。表1将国内有代表性的经验公式列出作一比较。其中将天津市勘察院、工民建工程地质勘察规范、无锡市建筑设计院等

b=

∑X

i

Yi-2

1n(

∑

Xi-

∑X)(∑Y)

1(∑X)2n

i

i

i

单位以及南沙地区推导公式所得的图形比较关系作于图3,从图中可以看出各经验公式所体现的图形趋势较为接近。

a=󰁦y-b󰁦x

得出回归方程为:

Es=3119+Ps+11214(0114≤Ps<110MPa)

　　其中相关系数r=01907。

统计分析的相关系数r为01907,说明上述的回归方程拟合程度较好,取显著性水平α=0101,查自由度为(1,38)的F分布表,得临界值:λ=7136,因F=17519>7136表明Ps与Es之间存在

明显线性相关关系,即上述所得直线回归是高度显著的。

公式来源

天津市勘察院

工民建工程地质勘察规范无锡市建筑设计院南沙地区推导公式

　　注:表中Ps,Es的单位均为MPa

经验关系

Es=2194Ps+1134Es=3172Ps+11262Es=3147Ps+1101Es=3119Ps+11214

图3　Ps-Es线性关系式比较图

表1　比贯入阻力Ps与压缩模量Es的经验关系

适用范围

0124适用土层

淤泥,一般粘性土

无锡地区土

广州南沙地区软弱粘性土

　　以上单位推导的经验公式反映出由于各地区土层性质及土的堆积年代、成因的不同,静力触探比贯入阻力与室内试验土的压缩模量之间的关系也有所区别。本次试验研究主要针对南沙地区海陆交互相沉积的软弱粘性土地层,所推导的公式可用于该地区的工程建设。

供参数,并积累静力触探在该地区的应用经验。

(4)用静力触探技术测取土层压缩模量方法依据统计得出经验公式,因而具有地域、土层的差异性,本文得出的经验公式建立于广州南沙地区,同时也适用于珠江三角洲地区,今后将进一步积累资料,以优化研究成果。

参

报,2000,22(5):517.

[2]　南京水利科学研究院.土工试验方法标准(GB/T50123-1999)1北京:中国计划出版社,19991

[3]　孟高头.土体原位测试机理、方法及其工程应用.北京:地质出

3　结　论

(1)通过对静力触探比贯入阻力与室内土工试

考文献

[1]　王钟琦.我国的静力触探及动静触探的发展前景.岩土工程学

验测出土的压缩模量的对比分析,本文推导出广州南沙地区软弱粘性土中二者的相关公式为:

Es=3119Ps+11214　(0114≤Ps<110MPa)

(2)静力触探技术间接获取土层压缩模量快

版社,1997170～71.

[4]　盛聚,等1概率论与数理统计(3版).北京:高等教育出版社,

20011294～313.

速、经济,反映了土层客观规律。

(3)本文将静力触探试验获取土层压缩模量方法应用于广州南沙地区的软弱粘性土地基中,建立了该地区的经验式,研究了南沙地区的软弱粘性土的工程特性,为该地区的工程设计、施工快速准确提

作者通讯地址:广州市环市东路348号(东梯)五楼　广州市市政工程设计研究院设计二所　邮编:510060

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