非饱和黏性土压缩模量与标贯击数关系探讨

刘明宇 周先才 张生伟

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

张呼铁路沿线广泛分布有第四系深厚非饱和黏性土地层，该类黏性土相较饱和土而言，承载力较高，基本承载力约在180 kPa以上，压缩模量大，土体的液性指数IL均小于0.25、而孔隙比e小于0.7，基本属于中等压缩性范畴，地质应力历史上多受过较大的前期压力，大都属超固结土。由于此类土体的可塑性差、黏聚力大，难以通过静压取样的方式得到有代表性的原状土样进行相关试验，因此在设计过程中常常缺乏沉降计算的重要参数压缩模量Es。通过采取原状土压缩模量试验与现场标准贯入试验相结合的办法，对张呼铁路沿线的非饱和黏性土进行试验研究。通过大量检测数据的处理、分析和对比，发现压缩模量Es与贯入阻力N之间存在对应关系，为今后评估路基沉降量和地基承载力，提供了一个可靠的参数基础。

1 试验工点概况

张呼铁路东起张家口南站，西至呼和浩特东站，全长约286 km，线路穿越大量河谷区、冲积平原区以及湖积盆地区，均以第四系松散地层为主，其中硬塑黏性土占比较大。根据全线调查结果，选取DK187+400～DK188+600段路基工点，采用室内压缩试验与现场标贯试验两种方法对其沿地层深度变化规律进行分析研究，并将两者相结合，建立起压缩模量与标贯击数的对应关系，为后续勘察设计提供依据。

试验段位于低山丘陵区及冲洪积平原区，地势起伏较缓，相对高差不大，局部发育冲沟，多为旱地，植被覆盖率较好，大部为经济林地，局部为草地，最大相对高差约16.23 m。地层岩性较简单，为深厚第四系全新统冲洪积(Q4al+pl)黏土:黄褐色，硬塑，土质不均，含少量的铁锰质氧化物及钙质结核，切面稍有光滑。部分里程表层分布有第四系全新统冲洪积(Q4al+pl)碎石土:灰白色，中密，主要成分以玄武岩、大理岩为主，一般粒径60～90 mm，约占55%，多呈次圆状，以粉质黏土和粉土充填，厚度0～4.3 m。地下水埋深约16～20 m，未发育不良地质。

2 技术要求

在试验工点范围内均匀布置100型机动钻孔36个，连续采取原状土样，并进行标准贯入试验，完全遵照《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)和《铁路工程地质原位测试规程》(TB10018—2003)的技术要求。为了保持土的天然状态，以免试验数据失真，钻探采用干钻，对地裂的勘探采用挖探，原状土样从地面以下0.5 m开始连续采取，每次取3～4组，所取原状土样均必须为一级质量土样。

标准贯入试验利用锤重63.5 kg、落距76 cm锤击动能，采用外径51 mm、内径35 mm、全长685 mm的对开管式贯入器，根据打入土中的贯入阻抗，判别土层的变化和土的工程性质。贯入阻抗用贯入土中30 cm的锤击数N表示(也称标贯击数)。贯入试验分两段进行［1］。

①预打阶段:将贯入器打入土中150 mm，如锤击已达50击，贯入深度未达150 mm，记录实际贯入度。

②试验阶段:将贯入器打再打入土中300 mm，记录每打入10 cm的锤击数，累计打入300 mm的锤击数为标贯击数N。当累计数已达50击，而贯入度未达300 mm，应终止试验，记录实际贯入度Δs及累计锤击数n。按下式计算贯入300 mm的锤击数N

式中 Δs——对应锤击数n的贯入度/mm。

标贯试验在钻孔全深度范围内等间距进行，间距为1.0～2.0 m，根据非饱和土黏土厚度调整，并按规范要求对N值进行修正。

3 结果与分析

按照以上技术要求，共取得原状土样226组，并进行相应室内试验，压缩实验结果表明，土样的压缩模量离散性较大，除土层自身具有一定的不均匀性外，取样过程中对土体的扰动也是重要的原因。在置信度95%的情况下，剔除重复深度及异常数据后，得到不同地层深度Z处压缩模量ES值，如表1和图1所示。

表1 不同深度Z处压缩模量E S试验数据

图1 压缩模量随地层深度变化

通过以上数据可以看出，试验工点段处黏土表层存在明显的“硬壳效应”，厚度较大，约为4.0 m左右，压缩模量最高可达10.3 MPa，承载力及强度也较高。“硬壳层”以下，随着土层深度的增加，土体的压缩模量也随之增大，且增长速率较为均匀，总体而言呈线性函数关系，同时数据的离散性也随深度增加而相应增大。对压缩模量随土层深度变化进行曲线拟合，得到如下公式

在硬塑黏土层共进行标准贯入试验482次，从地面到地层深度40 m之间均有标贯结果，因此可以全面的反应整个地层的情况，对杆长修正后试验结果见表2与图2。

表2 不同深度Z处标贯击数N试验数据

图2 标贯击数随地层深度变化

标贯击数随地层深度的变化规律与压缩试验得到的结果基本一致。0～4.0 m范围内，标贯击数明显较大，这也验证硬塑黏性土“硬壳层”的存在，4.0～22.0 m范围内，标贯击数随深度呈线形增大，且拟合度较高，数据离散性小。22.0 m以下，随着钻杆长度的增加，标贯结果变化区间明显增大，误差较大。剔除表层4.0 m内标贯击数的影响，对标贯数据进行曲线拟合，可知N－Z函数关系为

可以看出随着地层深度的增加，非饱和黏性土的压缩模量ES与标贯击数N存在着较强的对应关系，对同一深度处的标贯击数和压缩模量进行曲线拟合，如图3所示。

图3 压缩模量与标贯击数关系

根据图3的结果，得到拟合公式

4 结论

(1)张呼沿线非饱和黏性土具有较为明显的硬壳层和下部相对软弱层，硬壳层厚度约3.0 m。

(2)压缩模量ES是工程设计中所需的重要力学指标，对于非饱和黏性土而言，由于取样较为困难，同时土体本身的不均匀性，造成压缩模量ES离散型较大，当数据较少时，难以得到准确的实验结果，因此室内测试数据与压缩模量真值ES有一定的差别。

(3)标准贯入试验操作简单，广泛应用于铁路勘察工作中，采用实测标贯击数N来判定张呼铁路非饱和黏性土地层的压缩性具有一定的工程意义，且结果的离散性明显小于室内试验结果。

(4)建立地层深度、压缩模量ES与标贯击数N三者之间的对应关系，可以弥补室内试验数据的误差，并可以进行相互验证。

［1］ 李海波，周先才．红黏土地基压缩模量与标准贯入经验击数关系研究［J］．铁道勘察，2011，37(2)

［2］ GB50021—2001 岩土工程勘察规范［S］

［3］ TB10018—2003 铁路工程地质原位测试规程［S］