花岗岩残积土抗剪强度指标原位监测数据反算试验研究——以原位测斜及原位土压力为例

沈秋华 黄宇辉 赵 燕

（1.广东有色工程勘察设计院，广东 广州 510080；2.广州地铁集团有限公司，广东 广州 510335）

0 引言

花岗岩残积土是在广州地区广泛分布的一种特殊性土，类型多样，分类复杂。具有抗剪强度低、黏粒含量小，受水浸土体易溃散、崩塌的特性，在挖孔桩施工、基坑开挖施工和隧道矿山法施工时容易出现流沙、崩塌。只有准确测定花岗岩风化残积土的物理、力学性质指标，尤其是抗剪强度指标，才能使工程建设既安全又经济。而目前勘察报告中岩土参数建议值的取值是在室内试验和原位测试结果的基础

上，根据其统计值，结合工程经验取值的。这个过程中在样品的采集方法规范性、室内试验的方法、试验结果的统计与分析、工程经验等方面都存在差异性，从而造成不同的勘

察单位提供的参数建议值也存在一定的差异。为了得到花岗岩残积土准确的抗剪强度参数指标，对所遇到的花岗岩风化层和残积土开展了大量的专题研究，主要通过系列室内外试验、理论研究和对现场原位测试数据的反分析等。而该文通过原位监测数据的反分析，并结合试验对比的研究结果，探索获取抗剪强度参数指标新方法。

1 土样及试验

根据研究计划，在某地铁车辆段施工工地开展了现场原位监测并根据监测数据进行了室内反分析抗剪强度指标的研究。主要进行基坑测斜监测及土压力监测（场地布置及监测设备埋设如图1所示）。场地内花岗岩残积土覆盖厚度约30m，该监测试验在该覆盖层上部5m~6m处的残积土层进行。土压力盒及测斜管共布置6组并编号为A~F，每组间距1m，测斜管与土压力盒间距为0.5m。每组应力盒自距地表0.5m处向下每隔0.5m竖直安放一个，每组6个；测斜管有效测量深度3m；试验基坑开挖成8m×5m×4m（长×宽×深）的长方体。基坑开挖前记录土压力盒及测斜管数据作为初始值，开挖结束后每隔3h测量一次，连续测量7d。

图1 原位监测场地布置及监测设备埋设

2 抗剪强度指标反算理论

2.1 位移反推土压力理论

在主动土压力的作用下，悬臂测斜管每点的挠度如图2所示。

图2 测斜管挠度变形示意图

红色加粗线表示测斜管初始位置；红线表示在主动土压力作用下测斜管的位置。悬臂测斜管挠度如公式（1）所示。

式中：为监测点距离基坑底部深度，为基坑深度，为测斜管弹性模量，为测斜管横截面惯性矩。截面惯性矩I如公式（2）所示。

花岗岩残积土含有较多黏粒，其主动土压力应该利用黏性土土压力公式计算，因此，利用朗肯主动土压力如公式（3）所示。

根据公式（1）及实际测斜数据，可求得沿测斜管竖直向下不同深度的主动土压力E，然后通过公式（3）求得抗剪强度指标。

2.2 原位土压力反算抗剪强度指标理论

振弦式土压力盒的测量用振弦频率读数仪完成。测量完成后，记录传感器的频率值（或频率模数值）、温度值、仪器编号、设计编号和测量时间。

振弦式土压力如公式（4）所示。

式中：—被测土压力值，MPa；—仪器标定系数，MPa/F；f—土压计的实时频率测量值，Hz；—土压计的频率基准值（初始频率值），Hz。

由于花岗岩残积土是典型的黏性土，因此该原位试验采用库伦土压力计算公式来进行抗剪强度指标反算，如公式（5）所示。

3 结果与规律分析

3.1 现场测斜数据结果及反推抗剪强度结果

测斜管埋设完成，基坑开挖前记录测斜管的初始值，待基坑挖掘完成后，对测斜管每间隔3h进行位移监测一次，连续监测7d。根据监测数据，计算可得到测斜管7d内不同深度处的最终位移累积量即不同深度处的斜管挠度。6组测斜管累积位移图3所示。

图3 测斜管位移累积监测值

因花岗岩残积土是典型的黏性岩土材料，根据主动土压力公式（3）可知。自地表竖直向下一定深度内土压力为0，测斜管靠近地表的位移是因测斜管下部因主动土压力而产生的位移带动上部测斜管产生的，因此测斜管上部的位移量不代表该位置土体的真实位移，因此不能应用上部测斜管的扰度计算该位置的主动土压力。该研究将采用测斜管下部位置，即深2.5m及2.9m位置的挠度计算这2个位置的主动土压力，计算获得每组测斜管所在剖面的主动抗剪强度指标平均值。

测斜管所用材料为硬质pvc管，其弹性模量为3.9GPa，测斜管外径为=0.07m，内径=0.06m，测斜管不同深度的重度为所在位置的实测重度。根据现场实测数据，计算获得A~F测斜剖面的平均抗剪强度值。见表1。

表1 A~F测斜剖面测斜数据反推抗剪强度指标

由表1、图4和图5可知，抗剪强度指标黏聚力与内摩擦角呈现负相关关系。

图4 抗剪强度指标标黏聚力C

相关性系数为-0.99。由此可见，抗剪强度指标与两个指标相互干扰，同一个监测场地反算的抗剪强度指标一个偏大必然会造成另一个指标偏小。但是，从表1也可以看出，每个监测点的黏聚力反算值A~F各监测点相差不大，而内摩擦角相差较大。

3.2 土压力原位监测结果及抗剪强度指标反算结果

图5为现场原位监测土压力值，从图中可以看出，自地表至深3m处土压力逐渐增加，而深0.5m~1m处的土压力为0，这是因为花岗岩残积土为典型的黏性土，根据朗肯主动土压力计算公式（3），自地表至一定深度主动土压力为0。

图5 监测剖面 A-E 土压力原位监测值监测剖面与内摩擦角φ相关性散点图

根据实测数据监测结果，该研究拟采用每个监测剖面的深1.5m~2.0m，2.5m~3.0m两个层段的土压力监测值计算两个层段的花岗岩残积土平均抗剪强度指标，并与原位直剪试验获得的抗剪强度指标进行对比。应用于抗剪强度指标反算的监测剖面A~F不同位置处的态花岗岩残积土的天然重度见表2。

表2 监测剖面A~F1.5m~3m不同深度处的花岗岩残积土天然重度（单位：kN/m3）

将现场原位土压力监测数据及室内测得的不同位置处的花岗岩残积土天然重度带入朗肯主动土压力计算公式（3），计算得到深1.5m~2.0m，2.5m~3.0m各个层段的平均抗剪强度指，见表3。

4 对比及应用

4.1 现场测斜反推抗剪强度结果与原位直剪数据的对比

根据该项目的研究思路，将各种方式获得的花岗岩残积土抗剪强度指标与原位直剪获得的抗剪强度指标进行对比，最终确定合理的花岗岩残积土抗剪强度指标确定的方法用于实际工程指导。该文根据花岗岩残积土的原位测斜试验进行了抗剪强度指标反算，将原位直剪试验抗剪强度指标与其进行对比，如图6所示。

由图6可知，位移反算抗剪强度指标中的黏聚力均小于原位直剪试验的黏聚力结果，而内摩擦角均大于原位直剪试验指标。原位测斜反算结果与原位直剪试验结果存在较大误差，但是通过对监测数据的进一步分析可以发现一些规律。

如图7所示，随着测斜管位移的增加，通过位移反算的抗剪强度指标黏聚力随之增大，而内摩擦角则随之变小。将图6与图7对比可以发现，测斜管位移越大，通过测斜数据反算的抗剪强度指标越接近原位直剪试验获得的抗剪强度指标。这个规律说明测斜反算获得的抗剪强度指标与原位直剪试验获得的抗剪强度指标直剪存在的差异可能是由于测斜管还未达到最终稳定变形状态。因该试验只进行了为7天的连续位移监测，基坑侧壁的变形并未达到稳定状态，这是测斜数据反算获得的抗剪强度指标与原位直剪试验获得的抗剪强度指标存在差异（误差）的主要原因。

图6 原位直剪试实验抗剪强度指标与原位监测反算抗剪强度指标对比散点图

图7 原位测斜A-E监测剖面深2.5m处位移与位移反算抗剪强度指标散点图

4.2 原位土压力反算抗剪强度结果与原位直剪数据的对比

由表3及图8可以看出，通过原位土压力反算获得的抗剪强度指标黏聚力值明显小于原位直剪获得的抗剪强度指标，而内摩擦角除几个异常值外则大部分值与原位直剪抗剪强度指标接近。由图8可知，原位土压力反算获得的抗剪强度指标：黏聚力与内摩擦角呈现负相关关系。通过数据对比可以得出如下结论：通过原位土压力反算获得的抗剪强度指标与原位直剪试验获得的抗剪强度指标之间存在较大的误差，特别是黏聚力值，内摩擦角虽然大部分与原位直剪获得的抗剪强度指标相近，但是也存在较多过高或过低的异常值。

图8 原位土压力反算抗剪强度指标与原位直剪抗剪强度指标对比散点图

表3 原位土压力监测值反算抗剪强度指标结果

5 结论

通过测斜管扰度反算抗剪强度指标这种方法在理论与实践上都是可行的，但通常来说，测斜管达到最终的稳定状态需要的时间是较为漫长的（时间可能持续几个月），实际试验获得的测斜管扰度要小于其最终稳定状态的，导致最终反算的抗剪强度指标与真实的抗剪强度指标存在一定的误差。

根据该试验研究得到的数据可知，测斜管的扰度越大（越接近最终稳定状态）反算获得的抗剪强度指标越接近原位直剪抗剪强度指标。通常来说，测斜反算获得的抗剪强度指标黏聚力较真实值偏小，而内摩擦角较真实值偏大。如果用该方法获得花岗岩残积土抗剪强度指标，需要足够的监测时间待基坑侧壁变形稳定，用稳定时的扰度反算抗剪强度指标是可行的。

通过原位土压力反算抗剪强度指标出现的异常抗剪强度指标可能是土压力盒不能够测量真实的原位土压力导致的。因基坑开挖后，基坑侧壁会发生变形，导致竖直埋放的应力盒发生一定角度的倾斜，同时应力盒也会跟着基坑侧壁的变形而移动，其测量的应力数据并非该位置的真实侧向水平应力值，与实际应力值存在较大误差，所以该原位数据反算获得的花岗岩残积土抗剪强度指标与原位直剪数据获得的抗剪强度指标存在较大误差。如果要获得真实的花岗岩残积土抗剪强度指标，该文建议采用原位测斜数据反算获得抗剪强度指标。