陳建峰，柳軍修，馬 君

（1.同濟大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海200092；2.同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海200092）

巖土工程中，土體力學(xué)性質(zhì)指標可以通過兩個途徑獲得：一是取土進行變形和強度試驗；二是采用原位測試手段在不擾動土樣的情況下進行測試.但實驗室土工模型試驗通常采用相似比例縮小尺寸，模型土體體積小、成樣不均勻，取土進行變形和力學(xué)試驗存在土樣少、代表性差、無法在模型試驗過程中進行測試等問題，且存在取土過程中土樣擾動和應(yīng)力釋放的缺點.因此，取模型試驗土進行土工試驗測試土的力學(xué)性質(zhì)指標并不理想.

若直接采用工程勘察生產(chǎn)用的原位測試儀器對土工模型試驗土體進行原位測試也不合適.生產(chǎn)用的原位測試儀器一般尺寸較大，對有限厚度土體不能取得足夠的代表性數(shù)據(jù)，并存在擠土擾動問題.因此，需考慮將原位測試儀器小型化.英國劍橋大學(xué)的學(xué)者在采用小型化十字板儀（板頭直徑18mm，高度14mm）測試離心模型試驗中模型地基土力學(xué)性質(zhì)方面已作了一些嘗試：Davies等［1］采用小型十字板儀測試填筑路堤離心模型試驗中軟土地基的不排水抗剪強度，據(jù)此分析路堤的穩(wěn)定性；Phillips和Springman［2－3］通過小型十字板儀測試，得出樁在橫向受荷下地基土不排水抗剪強度、豎向有效應(yīng)力以及超固結(jié)比之間的經(jīng)驗公式；Sharma等［4］為保證3組離心模型試驗地基土力學(xué)性質(zhì)的一致性，采用小型十字板儀對各組模型地基土進行了測試.

十字板儀僅能獲得不連續(xù)點上的數(shù)據(jù)，而相比較而言，靜力觸探儀適用土類范圍較廣，測試靈敏度高，可以對地基土進行連續(xù)貫入，并可獲得貫入深度范圍內(nèi)的連續(xù)測試值.目前，國內(nèi)外對靜力觸探在勘察中的應(yīng)用研究已作過很多研究［5－12］，而將靜力觸探小型化并用于實驗室土工模型試驗土力學(xué)性質(zhì)的測試研究還尚未見報導(dǎo).

靜力觸探儀的主要器件是靜力觸探探頭.本課題制作了小型化單橋靜力觸探探頭，進行了量測系統(tǒng)的標定、比貫入阻力與飽和重塑軟黏土不排水抗剪強度統(tǒng)計關(guān)系研究，以及與生產(chǎn)用靜力觸探測試結(jié)果和現(xiàn)有經(jīng)驗公式作了對比分析，以便能將其用于實驗室土工模型試驗土的力學(xué)性質(zhì)測試.

1 小型單橋靜力觸探探頭

靜力觸探儀探頭分雙橋探頭和單橋探頭.雙橋探頭能同時測出錐尖阻力qc和側(cè)壁摩阻力fs.單橋探頭結(jié)構(gòu)簡單一些，只測定比貫入阻力ps，其大小為探頭貫入土中時錐尖和側(cè)壁所受的合力（F）與錐頭截面面積之比，反映了錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力的共同作用.單橋探頭在我國發(fā)展較早，在工程勘察生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，已積累了較豐富的經(jīng)驗.表1為生產(chǎn)中常用的單橋靜力觸探探頭規(guī)格.

表1 常用的靜力觸探單橋探頭規(guī)格Tab.1 The dimensions of single bridge cone penetrometers

本課題制作的小型單橋靜力觸探探頭如圖1所示.其錐底直徑為25.2mm，錐頭面積5cm2，有效側(cè)壁長度40.3mm，錐角60°.

2 探頭標定

2.1 量測系統(tǒng)標定

小型靜力觸探探頭采用全橋電路電阻應(yīng)變式.將小型靜力觸探探頭放到專用的測力計上進行標定，獲得力F與電阻應(yīng)變儀輸出的應(yīng)變值ε之間的線性關(guān)系，如圖2所示，標定公式為

將式（1）中力按探頭錐頭面積5cm2換算成應(yīng)力值，則可得到本小型靜力觸探探頭靈敏度為262×10－12Pa－1.

圖2 量測系統(tǒng)標定曲線Fig.2 Calibration curve of measurement system of the penetrometer

2.2 比貫入阻力與不排水抗剪強度統(tǒng)計關(guān)系

靜力觸探的貫入速率較快，在飽和軟黏土中貫入時土體處于不排水狀態(tài)（即內(nèi)摩擦角φu＝0），因此用其量測黏性土的不排水抗剪強度是一種可行的方法.目前，國內(nèi)多家勘察單位通過大量的現(xiàn)場工程勘察測試數(shù)據(jù)，歸納出單橋靜力觸探比貫入阻力ps與黏性土不排水抗剪強度cu之間的統(tǒng)計關(guān)系，其相關(guān)性都很理想.表2列出了這些勘察單位提出的經(jīng)驗公式［10］.

為建立小型靜力觸探比貫入阻力與土工模型試驗土不排水抗剪強度之間的統(tǒng)計關(guān)系，本課題采用上海地區(qū)第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土制備重塑土進行該統(tǒng)計關(guān)系的標定試驗.將粉質(zhì)黏土風(fēng)干粉碎后過孔徑為2mm的篩子，風(fēng)干后土的相對密度為2.73，含水率為3%，孔隙比為1.71.對風(fēng)干粉質(zhì)黏土進行擊實試驗，擊實試驗曲線見圖3，測得最優(yōu)含水率為18.7%，最大干密度為1.74g·cm－3.

表2 比貫入阻力與不排水抗剪強度之間的經(jīng)驗公式Tab.2 Empirical equation between specific penetration resistance and undrained shear strength kPa

圖3 擊實試驗曲線Fig.3 Compaction test curves

將風(fēng)干粉質(zhì)黏土分層填入直徑為150mm、長為300mm制樣筒中，按擬定的含水率添加水，采用擊實儀以不高于該含水率下最大干密度所需擊實能量進行均勻擊實.如此獲得不同含水率和密實度的共27個重塑土試樣.將重塑土試樣進行抽真空飽和.

對每一飽和重塑土試樣，用小型靜力觸探儀以1.2m·min－1的速率貫入其中，同時計算機自動記錄靜態(tài)應(yīng)變儀的讀數(shù).根據(jù)前述量測系統(tǒng)標定曲線獲得比貫入阻力ps.由于每一重塑土試樣制樣均勻，在貫入過程中，比貫入阻力測值也很均勻.對每一飽和重塑土試樣同時用環(huán)刀取樣進行快剪試驗，獲得不排水抗剪強度cu值.

將27個試樣的比貫入阻力及其不排水抗剪強度值點繪于圖4中，采用最小二乘法擬合得到室內(nèi)飽和重塑土的比貫入阻力與不排水抗剪強度之間的統(tǒng)計關(guān)系式如下：

其相關(guān)性R2＝0.915 6.

2.3 與生產(chǎn)用靜力觸探測試結(jié)果比較

將小型靜力觸探探頭與生產(chǎn)用靜力觸探探頭對同一重塑土地基進行連續(xù)貫入對比試驗.采用的生產(chǎn)用靜力觸探探頭為表2中I型規(guī)格.

圖4 飽和重塑土比貫入阻力與不排水抗剪強度統(tǒng)計關(guān)系Fig.4 Statistical relationship between specific penetration resistance and undrained shear strength for saturate remoulded clay

仍采用前述風(fēng)干粉質(zhì)黏土，在尺寸為60cm×40 cm×50cm（長×寬×高）模型箱中制備成飽和重塑土地基，再在其表面施加8kPa左右均布荷載進行重塑土地基的固結(jié).固結(jié)后的重塑土地基物理力學(xué)性質(zhì)指標如表3所示.

表3 重塑土地基物理力學(xué)性質(zhì)Tab.3 Physico－mechanical properties of foundation soil

將小型靜力觸探探頭和生產(chǎn)用靜力觸探探頭分別以1.2m·min－1的速率貫入重塑地基土中進行對比試驗.圖5為重塑土地基靜力觸探對比試驗圖.

圖5 重塑土地基靜力觸探對比試驗圖Fig.5 Comparative penetration tests in remoulded foundation

圖6 為小型靜力觸探和生產(chǎn)用靜力觸探兩者比貫入阻力對比曲線，圖中也列出了兩者的差值曲線.由圖可見，小型靜力觸探比貫入阻力略小于生產(chǎn)用靜力觸探值，兩者差值平均約為20kPa.將該差值代入公式（2），可以看到其引起的不排水抗剪強度的變化值僅0.5kPa左右，影響很小.另外還可以從圖6中看到，小型靜力觸探比貫入阻力變化多成折線狀，而生產(chǎn)用比貫入阻力變化成階梯狀，顯示前者的靈敏度高于后者.

圖6 比貫入阻力對比曲線Fig.6 Comparison of specific penetration resistances measured by the miniature and standard cone penetrometers

2.4 與現(xiàn)有經(jīng)驗公式比較

圖7 為本文得出的公式（2）與表2中現(xiàn)有經(jīng)驗公式的比較曲線.由圖可見，當比貫入阻力ps＞200 kPa時，本文經(jīng)驗公式小于現(xiàn)有經(jīng)驗公式，但與交通部一航局的經(jīng)驗公式很接近.交通部一航局經(jīng)驗公式是對位于天津塘沽新港地區(qū)的軟土進行靜力觸探獲得的.天津塘沽的軟土靈敏度高，強度低［11－12］，這與本文淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土制備的重塑土有一定的相似性，故兩者較接近.當比貫入阻力ps＜200kPa時，本文經(jīng)驗公式與表2中③，④，⑤經(jīng)驗公式都較接近.

圖7 各經(jīng)驗公式比較曲線Fig.7 Comparison of empirical relationships between specific penetration resistance and undrained shear strength

將圖6中小型靜力觸探所測得的比貫入阻力值分別代入表2中③，④，⑤經(jīng)驗公式和本文公式，獲得如圖8所示的不排水抗剪強度對比曲線.由圖8可見，本文公式與現(xiàn)有3種經(jīng)驗公式接近，其中與交通部一航局經(jīng)驗公式基本吻合.

圖8 不排水抗剪強度對比曲線Fig.8 Comparison of undrained shear strengths values from various empirical relationships

3 結(jié)論

本文對一種小型化單橋靜力觸探探頭進行了量測系統(tǒng)的標定、比貫入阻力與飽和重塑軟黏土不排水抗剪強度統(tǒng)計關(guān)系研究，以及與生產(chǎn)用靜力觸探測試結(jié)果和現(xiàn)有經(jīng)驗公式作了對比分析，得出如下結(jié)論：

（1）通過對27個飽和重塑土試樣比貫入阻力與不排水抗剪強度測試，采用最小二乘法擬合得到兩者之間的統(tǒng)計關(guān)系為cu＝0.027 2ps＋4.927 2，相關(guān)性很好.

（2）通過小型靜力觸探探頭與生產(chǎn)用靜力觸探探頭對同一飽和重塑土地基進行連續(xù)貫入對比試驗，顯示小型靜力觸探與生產(chǎn)用靜力觸探測得的比貫入阻力值接近，且前者的靈敏度高于后者.

（3）本文經(jīng)驗公式與交通部一航局的經(jīng)驗公式很接近.這與兩者試驗土樣高靈敏度、低強度特性有一定關(guān)系.

（4）該小型單橋靜力觸探探頭可用于實驗室飽和重塑軟黏土力學(xué)性質(zhì)的比較及不排水抗剪強度值的測試.今后將采用本探頭對其他土性的測試及其適用性作進一步研究.

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