基于孔压静力触探的软土最大剪切模量研究.pdf

262023年5月试验与研究江西建材基于孔压静力触探的软土最大剪切模量研究李广林，曹程程1.济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，山东济南250003;2.通用技术集团工程设计有限公司，山东济南250031摘要：文中基于理论分析，结合现场试验，对静力触探状态参数方法求解公式进行优化，得出孔压静力触探与最大剪切模量的关系，以此研究经验公式预测的准确精度。结果表明，随着土层深度的增加，孔隙水压力逐渐加大，土层深度与剪切波速成正比，可以反映土体特质；状态参数可反映土体结构类别，其对应公式可以增加对软土最大剪切模量预测的精度，反映土体动力特性；有状态参数的经验公式拟合程度更高，准确性更强，预测性更加精准，对孔压静力触探的软土最大剪切模量研究更加全面。关键词：软土；剪切波速；孔压静力触探；最大剪切模量中图分类号：TU473文献标识码：A文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 5-0 0 2 6-0 3Study on the Maximum Shear Modulus of Soft Soil Based on HolePressure Static ProbeLi Guanglin,Cao Chengcheng1.Jinan Municipal Engineering Design&researchinstitute(group)Co.Ltd.,Jinan,Shandong 250003;2.Generaltechnology Group Engineering Design Co.Ltd.,Jinan,Shandong 250031Abstract:Based on theoretical analysis and combined with field tests,the solution formula of static touch state parameter method isoptimized to obtain the relationship between pore static touch and the maximum shear modulus,so as to study the accurate accuracy ofempirical formula prediction.The results show that with the increase of soil depth,the pore water pressure gradually increases,and the depthof soil layer is proportional to the shear wave,which can reflect the characteristics of the unearthed body,and the corresponding formula canincrease the accuracy of the maximum shear modulus of soft soil,and the empirical formula of state parameters is better and more accurate,and the research of the maximum shear modulus of hole pressure is more comprehensive.Key words:Soft soil,;Shear wave velocity;Hole pressure static force touch probe;Maximum shear modulus0引言我国幅员辽阔，地形多样，尤其是南方地区，由于雨水较为充足，多软土地层，且很多地区软土各异，给建筑施工带来了巨大挑战与困难，许多学者对此展开了研究。刘东明等1 基于理论分析、现场测试以及数值模拟等，对桩基承载特性进行阐述，综合比较分析不同试验条件下的桩基承载力情况。何健灵2】结合现场试验，研究各种软土层的固结特性，并由此建立经验公式。耿功巧等3 基于数值模拟对软土层的弹性模量进行建模，并由此在软土层中计算超前滞后深度。钱飞等4 提出一种基于模拟海底环境下孔隙水压力的预测方法，通过数值模拟和公式校正探究是否开展静力触探仪孔隙水压力研究的必要性。王虎刚等5 通过室内基础试验研究分析孔压静力触探下海洋环境的孔隙水压力等参数，并结合经验算法进行应用实践。赵俊明等6 通过室内基础试验研究分析软土土层固结系数差异产生的原因，并结合二维固结理论分析该现象产生的变化规律。本文基于理论分析，结合试验，对静力触探状态参数方法求解公式进一步优化分析，得出孔压静力触探与最大剪切模量作者简介：李广林（19 8 8-），男，山东济南人，本科，工程师，主要研究方向为岩土工程勘察设计与施工。的关系，并与实际测量值进行对比分析，研究经验公式预测的准确精度，为后续研究提供参考。1理论分析临界状态土力学理论可以表征土样的各方面性能，例如土样的初始状态与胀缩区的边界，当达到临界状态时，其他应力及体积均为常数，由此说明状态参数与围压应力及孔隙比存在一定关系。状态参数通过孔隙比与临界状态孔隙比的差值进行定义，当达到一定围压时，状态参数可以及时考虑孔隙比与围压应力的作用，由此可以作为一个指标，该指标也是砂土液化的主要参数，并得出状态参数与最大剪切模量的相关关系，静力触探状态参数方法求解公式如式（1）所示：Inlo,(1-B,)ik(1)4=m式中，为状态参数；Q,为锥尖阻力（kN）；B.为孔压参数比；和k为压缩性函数。2试验准备2.1场地基础以某工地施工段为研究对象，地层主要为软土地基，该地区处于地震活跃地带，抗震设防烈度为8 度，施工场地地表以普通填土为表层，上、下方为粉土、粉砂等软土地层，地下平均272023年5月试验与研究江西建材水位超过3.5m，施工场地由此测得土层的基本物理指标，具体情况如表1所示，基本指标符合相关规范。表1施工场地基本物理指标土层普通填土粉土粉砂砂土深度/m156一液限1%31.529.328.427.6含水率1%11.326.129.527.7标贯击数/N1058232.2试验准备为进行孔压静力触探试验，本文采用进口车载孔压静力触探系统，并配备数字探头进行试验，孔压静力触探系统由钻探车、静力触探系统组成，具有孔压、倾斜等功能，符合行业标准。在地震波孔压静力触探贯入过程中，仪器探头有检测器，可检测土层剪切变化，同时可以测得土层剪切波速，通过波速传播情况对剪切波速进行测试，以此形成对比。2.3测试结果分析为进一步研究施工场地孔压静力触探试验对软土的剪切模量影响，根据试验场地测试结果，研究孔压修正后的孔隙水压力和剪切波速，如图1和图2 所示。2015砂土10粉砂5粉土0050100150200250300孔隙水压力/kPa图1修正后孔隙水压力随深度变化曲线2015砂土10粉砂5粉土厂0050100150200250300剪切波速/（ms)图2修正后剪切波速随深度变化曲线由图1可知，孔隙水在地下水位在3.5m处开始有水压力，说明孔压静力触探系统的测试结果较为准确，随着土层深度的增加，孔隙水压力逐渐加大，当土层达到15m左右时，孔隙水压力出现波动，表明土层在该深度出现一定的岩质硬层。由图2 可知，随着土层深度的增加，剪切波速不断变大，由于土层不同，剪切波速也出现不同变化，其中，普通填土层不存在剪切波速，而粉土、粉砂甚至砂土层，剪切波速可以较为清晰地反映出土体特质，土层交界处剪切波速变化较大，该现象主要由于土层在一定深度存在薄夹层，影响了土层间剪切波速的传播状态。3结果分析3.1孔压静力触探大剪切模量的关系探究孔压静力触探的软土最大剪切模量，最大剪切模量代表土体应力应变-强度曲线的最初状态。根据已有研究可以发现，最大剪切模量与锥尖阻力存在一定问题，主要集中表现在特定关系式的适用范围较窄，仪器探头贯人过程中，会对周围土体产生剪切破坏，最大剪切模量适用于较小的应变范围内，因此，建立精度更高的公式，可以进一步提高最大剪切模量的预测精度。公式的孔隙比确定难度较大，试验成本较高，耗时较长，很难获取较为准确的试验数据。为了更好地拟合孔压静力触探的软土最大剪切模量，采用f（B。）进行相关试验研究，B。为孔压静力触探孔压参数，拟合公式如式（2）所示。Gmax=agh(B,)=ag;(1+B,)G(2)式中，Gmax为软土最大剪切模量（kPa）；n 为经验指数；a为探头有效面积比;（B。）为孔压静力触探孔压参数函数；q为锥尖阻力（kN）。由此可知，从钻孔试验可以看出，锥尖阻力、孔隙比、孔压参数等因素多被考虑，但更多是单独考虑孔隙比对孔压静力触探的软土最大剪切模量的影响，对于软土地基情况，需要将孔隙比与围压应力同时考虑到试验中去，这极其重要。其中，状态参数可更好地反映试验对孔隙比与围压应力的影响，一方面由于试验现场的孔隙比侧面情况较难准确测出，另一方面由于状态参数反映功能较多，可以将孔隙比与围压应力两者同时进行考虑，由此建立关系公式模型，如式（3）所示。G=aqif()=aq.wm(3)max式中：m为相关指数，并以软土地基为基础。试验场地孔压静力触探的软土最大剪切模量的关系公式中，相关系数为0.65，其拟合公式如下所示，曲线如图3 所示。Gmax=25q(+B,).59（4)G=25q(1+B(4)max1000100101234567891011锥尖阻力/MPa图3关于公式（4）的拟合曲线28试验与研究2023年5月江西建材根据公式（1）可知，基于孔压静力触探状态参数的计算公式，可以较为准确地计算出状态参数的剪切模量，并以此进行回归曲线分析，软土最大剪切模量与状态参数的相应拟合公式如下所示，得出公式的拟合曲线，如图4所示。mx=30.2g0:82(1+w).54.59（5)Gmax1000r100101234567891011锥尖阻力/MPa图4关于公式（5）的拟合曲线由公式（5）和曲线图4可知，该公式的相关系数为0.8 5，拟合切合率较高，由此说明该研究的试验数据得到了较大的改善，相较公式（4）和图3 所示的关系曲线，该模型公式的离散性较小。出现该现象主要是由于状态参数本身可以反映土体的结构类别，通过状态参数应用于最大剪切模量预测，可以提高对软土最大剪切模量的预测精度，还可反映土体的动力特性。3.2结果对比分析对比3.1孔压静力触探与最大剪切模量的关系，将经验公式预测值与实际测量值进行对比分析，对比结果如图5所示。20测量值一公式（4）预测值公式（5）预测值151050050100150最大剪切模量/MPa图5经验公式预测值与实际测量值对比曲线图从图5可以看出，实际测量值与经验公式（5）所得的数值很接近，而相较于经验公式（4）可知，经验公式（5）的拟合程度更高，准确性更强，预测性更加精准，说明本文所得经验公式准确性较高，并且由于引人状态参数概念，可以将围压和孔隙比等因素进行考虑，对孔压静力触探的软土最大剪切模量研究更加全面。4结论本文基于理论分析，结合现场试验，通过对静力触探状态参数方法求解公式进一步优化分析，得出孔压静力触探与最大剪切模量的关系，并在此基础上与实际测量值进行对比分析，研究经验公式预测的准确精度，得到以下结论：（1）随着土层深度的增加，孔隙水压力逐渐加大，剪切波速不断变大并较为清晰地反映土体特质，由于土层在一定深度存在的薄夹层，对土层交界处的剪切波速变化影响较大。（2）状态参数可更好地反映该试验对孔隙比与围压应力的影响，并反映土体的结构类别，通过状态参数应用于最大剪切模量预测，可以增加对软土最大剪切模量预测的精度，还可反映土体的动力特性。（3）有状态参数的经验公式拟合程度更高，预测更加精准，且可以考虑到围压和孔隙比等因素，对孔压静力触探的软土最大剪切模量研究更加全面。参考文献1刘东明，蔡国军，荣琦，等.基于CPTU测试的桩基承载抗拔特性评价及数值模拟研究J中外公路，2 0 2 0，40（S2）：16 5-169.2 1何健灵.孔压静力触探在近海沉积软土中的应用研究J甘肃水利水电技术，2 0 2 0，56（10）：3 1-3 5，6 1.3 耿功巧，蔡国军，陈妍，等，基于CPTU贯入深度超前滞后效应的数值模拟研究J.地下空间与工程学报，2 0 2 0，16（5）：1538-1545.4钱飞，晏天，王志超，等。模拟海洋环境静力触探仪孔压校准方法J.中国测试，2 0 2 0，46（8）：2 8-3 2.5王虎刚，贾巍.孔压静力触探在确定砂土内摩擦角中的应用【J】.海岸工程，2 0 2 0，3 9（2）：12 4-12 9.6 赵俊明，陈琦，刘垚，等。室内与现场反演固结系数差异特征与原因分析J】.公路与汽运，2 0 2 0（2）：9 1-9 4.