花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)原位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反算試驗(yàn)研究
——以原位測(cè)斜及原位土壓力為例

沈秋華 黃宇輝 趙 燕

（1.廣東有色工程勘察設(shè)計(jì)院，廣東 廣州 510080；2.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510335）

0 引言

花崗巖殘積土是在廣州地區(qū)廣泛分布的一種特殊性土，類(lèi)型多樣，分類(lèi)復(fù)雜。具有抗剪強(qiáng)度低、黏粒含量小，受水浸土體易潰散、崩塌的特性，在挖孔樁施工、基坑開(kāi)挖施工和隧道礦山法施工時(shí)容易出現(xiàn)流沙、崩塌。只有準(zhǔn)確測(cè)定花崗巖風(fēng)化殘積土的物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，尤其是抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，才能使工程建設(shè)既安全又經(jīng)濟(jì)。而目前勘察報(bào)告中巖土參數(shù)建議值的取值是在室內(nèi)試驗(yàn)和原位測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)

上，根據(jù)其統(tǒng)計(jì)值，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)取值的。這個(gè)過(guò)程中在樣品的采集方法規(guī)范性、室內(nèi)試驗(yàn)的方法、試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)與分析、工程經(jīng)驗(yàn)等方面都存在差異性，從而造成不同的勘

察單位提供的參數(shù)建議值也存在一定的差異。為了得到花崗巖殘積土準(zhǔn)確的抗剪強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)，對(duì)所遇到的花崗巖風(fēng)化層和殘積土開(kāi)展了大量的專(zhuān)題研究，主要通過(guò)系列室內(nèi)外試驗(yàn)、理論研究和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試數(shù)據(jù)的反分析等。而該文通過(guò)原位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反分析，并結(jié)合試驗(yàn)對(duì)比的研究結(jié)果，探索獲取抗剪強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)新方法。

1 土樣及試驗(yàn)

根據(jù)研究計(jì)劃，在某地鐵車(chē)輛段施工工地開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了室內(nèi)反分析抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的研究。主要進(jìn)行基坑測(cè)斜監(jiān)測(cè)及土壓力監(jiān)測(cè)（場(chǎng)地布置及監(jiān)測(cè)設(shè)備埋設(shè)如圖1所示）。場(chǎng)地內(nèi)花崗巖殘積土覆蓋厚度約30m，該監(jiān)測(cè)試驗(yàn)在該覆蓋層上部5m~6m處的殘積土層進(jìn)行。土壓力盒及測(cè)斜管共布置6組并編號(hào)為A~F，每組間距1m，測(cè)斜管與土壓力盒間距為0.5m。每組應(yīng)力盒自距地表0.5m處向下每隔0.5m豎直安放一個(gè)，每組6個(gè)；測(cè)斜管有效測(cè)量深度3m；試驗(yàn)基坑開(kāi)挖成8m×5m×4m（長(zhǎng)×寬×深）的長(zhǎng)方體。基坑開(kāi)挖前記錄土壓力盒及測(cè)斜管數(shù)據(jù)作為初始值，開(kāi)挖結(jié)束后每隔3h測(cè)量一次，連續(xù)測(cè)量7d。

圖1 原位監(jiān)測(cè)場(chǎng)地布置及監(jiān)測(cè)設(shè)備埋設(shè)

2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)反算理論

2.1 位移反推土壓力理論

在主動(dòng)土壓力的作用下，懸臂測(cè)斜管每點(diǎn)的撓度如圖2所示。

圖2 測(cè)斜管撓度變形示意圖

紅色加粗線表示測(cè)斜管初始位置；紅線表示在主動(dòng)土壓力作用下測(cè)斜管的位置。懸臂測(cè)斜管撓度如公式（1）所示。

式中：為監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離基坑底部深度，為基坑深度，為測(cè)斜管彈性模量，為測(cè)斜管橫截面慣性矩。截面慣性矩I如公式（2）所示。

花崗巖殘積土含有較多黏粒，其主動(dòng)土壓力應(yīng)該利用黏性土土壓力公式計(jì)算，因此，利用朗肯主動(dòng)土壓力如公式（3）所示。

根據(jù)公式（1）及實(shí)際測(cè)斜數(shù)據(jù)，可求得沿測(cè)斜管豎直向下不同深度的主動(dòng)土壓力E，然后通過(guò)公式（3）求得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

2.2 原位土壓力反算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)理論

振弦式土壓力盒的測(cè)量用振弦頻率讀數(shù)儀完成。測(cè)量完成后，記錄傳感器的頻率值（或頻率模數(shù)值）、溫度值、儀器編號(hào)、設(shè)計(jì)編號(hào)和測(cè)量時(shí)間。

振弦式土壓力如公式（4）所示。

式中：—被測(cè)土壓力值，MPa；—儀器標(biāo)定系數(shù)，MPa/F；f—土壓計(jì)的實(shí)時(shí)頻率測(cè)量值，Hz；—土壓計(jì)的頻率基準(zhǔn)值（初始頻率值），Hz。

由于花崗巖殘積土是典型的黏性土，因此該原位試驗(yàn)采用庫(kù)倫土壓力計(jì)算公式來(lái)進(jìn)行抗剪強(qiáng)度指標(biāo)反算，如公式（5）所示。

3 結(jié)果與規(guī)律分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)斜數(shù)據(jù)結(jié)果及反推抗剪強(qiáng)度結(jié)果

測(cè)斜管埋設(shè)完成，基坑開(kāi)挖前記錄測(cè)斜管的初始值，待基坑挖掘完成后，對(duì)測(cè)斜管每間隔3h進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)一次，連續(xù)監(jiān)測(cè)7d。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算可得到測(cè)斜管7d內(nèi)不同深度處的最終位移累積量即不同深度處的斜管撓度。6組測(cè)斜管累積位移圖3所示。

圖3 測(cè)斜管位移累積監(jiān)測(cè)值

因花崗巖殘積土是典型的黏性巖土材料，根據(jù)主動(dòng)土壓力公式（3）可知。自地表豎直向下一定深度內(nèi)土壓力為0，測(cè)斜管靠近地表的位移是因測(cè)斜管下部因主動(dòng)土壓力而產(chǎn)生的位移帶動(dòng)上部測(cè)斜管產(chǎn)生的，因此測(cè)斜管上部的位移量不代表該位置土體的真實(shí)位移，因此不能應(yīng)用上部測(cè)斜管的擾度計(jì)算該位置的主動(dòng)土壓力。該研究將采用測(cè)斜管下部位置，即深2.5m及2.9m位置的撓度計(jì)算這2個(gè)位置的主動(dòng)土壓力，計(jì)算獲得每組測(cè)斜管所在剖面的主動(dòng)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)平均值。

測(cè)斜管所用材料為硬質(zhì)pvc管，其彈性模量為3.9GPa，測(cè)斜管外徑為=0.07m，內(nèi)徑=0.06m，測(cè)斜管不同深度的重度為所在位置的實(shí)測(cè)重度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算獲得A~F測(cè)斜剖面的平均抗剪強(qiáng)度值。見(jiàn)表1。

表1 A~F測(cè)斜剖面測(cè)斜數(shù)據(jù)反推抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

由表1、圖4和圖5可知，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力與內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖4 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)黏聚力C

相關(guān)性系數(shù)為-0.99。由此可見(jiàn)，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與兩個(gè)指標(biāo)相互干擾，同一個(gè)監(jiān)測(cè)場(chǎng)地反算的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)一個(gè)偏大必然會(huì)造成另一個(gè)指標(biāo)偏小。但是，從表1也可以看出，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的黏聚力反算值A(chǔ)~F各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相差不大，而內(nèi)摩擦角相差較大。

3.2 土壓力原位監(jiān)測(cè)結(jié)果及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)反算結(jié)果

圖5為現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)土壓力值，從圖中可以看出，自地表至深3m處土壓力逐漸增加，而深0.5m~1m處的土壓力為0，這是因?yàn)榛◢弾r殘積土為典型的黏性土，根據(jù)朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算公式（3），自地表至一定深度主動(dòng)土壓力為0。

圖5 監(jiān)測(cè)剖面 A-E 土壓力原位監(jiān)測(cè)值監(jiān)測(cè)剖面與內(nèi)摩擦角φ相關(guān)性散點(diǎn)圖

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，該研究擬采用每個(gè)監(jiān)測(cè)剖面的深1.5m~2.0m，2.5m~3.0m兩個(gè)層段的土壓力監(jiān)測(cè)值計(jì)算兩個(gè)層段的花崗巖殘積土平均抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，并與原位直剪試驗(yàn)獲得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。應(yīng)用于抗剪強(qiáng)度指標(biāo)反算的監(jiān)測(cè)剖面A~F不同位置處的態(tài)花崗巖殘積土的天然重度見(jiàn)表2。

表2 監(jiān)測(cè)剖面A~F1.5m~3m不同深度處的花崗巖殘積土天然重度（單位：kN/m3）

將現(xiàn)場(chǎng)原位土壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及室內(nèi)測(cè)得的不同位置處的花崗巖殘積土天然重度帶入朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算公式（3），計(jì)算得到深1.5m~2.0m，2.5m~3.0m各個(gè)層段的平均抗剪強(qiáng)度指，見(jiàn)表3。

4 對(duì)比及應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)斜反推抗剪強(qiáng)度結(jié)果與原位直剪數(shù)據(jù)的對(duì)比

根據(jù)該項(xiàng)目的研究思路，將各種方式獲得的花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與原位直剪獲得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，最終確定合理的花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定的方法用于實(shí)際工程指導(dǎo)。該文根據(jù)花崗巖殘積土的原位測(cè)斜試驗(yàn)進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度指標(biāo)反算，將原位直剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與其進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

由圖6可知，位移反算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中的黏聚力均小于原位直剪試驗(yàn)的黏聚力結(jié)果，而內(nèi)摩擦角均大于原位直剪試驗(yàn)指標(biāo)。原位測(cè)斜反算結(jié)果與原位直剪試驗(yàn)結(jié)果存在較大誤差，但是通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律。

如圖7所示，隨著測(cè)斜管位移的增加，通過(guò)位移反算的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力隨之增大，而內(nèi)摩擦角則隨之變小。將圖6與圖7對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)斜管位移越大，通過(guò)測(cè)斜數(shù)據(jù)反算的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)越接近原位直剪試驗(yàn)獲得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。這個(gè)規(guī)律說(shuō)明測(cè)斜反算獲得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與原位直剪試驗(yàn)獲得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)直剪存在的差異可能是由于測(cè)斜管還未達(dá)到最終穩(wěn)定變形狀態(tài)。因該試驗(yàn)只進(jìn)行了為7天的連續(xù)位移監(jiān)測(cè)，基坑側(cè)壁的變形并未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這是測(cè)斜數(shù)據(jù)反算獲得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與原位直剪試驗(yàn)獲得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)存在差異（誤差）的主要原因。

圖6 原位直剪試實(shí)驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與原位監(jiān)測(cè)反算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比散點(diǎn)圖

圖7 原位測(cè)斜A-E監(jiān)測(cè)剖面深2.5m處位移與位移反算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)散點(diǎn)圖

4.2 原位土壓力反算抗剪強(qiáng)度結(jié)果與原位直剪數(shù)據(jù)的對(duì)比

由表3及圖8可以看出，通過(guò)原位土壓力反算獲得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力值明顯小于原位直剪獲得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，而內(nèi)摩擦角除幾個(gè)異常值外則大部分值與原位直剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)接近。由圖8可知，原位土壓力反算獲得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：黏聚力與內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以得出如下結(jié)論：通過(guò)原位土壓力反算獲得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與原位直剪試驗(yàn)獲得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)之間存在較大的誤差，特別是黏聚力值，內(nèi)摩擦角雖然大部分與原位直剪獲得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相近，但是也存在較多過(guò)高或過(guò)低的異常值。

圖8 原位土壓力反算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與原位直剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比散點(diǎn)圖

表3 原位土壓力監(jiān)測(cè)值反算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)結(jié)果

5 結(jié)論

通過(guò)測(cè)斜管擾度反算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)這種方法在理論與實(shí)踐上都是可行的，但通常來(lái)說(shuō)，測(cè)斜管達(dá)到最終的穩(wěn)定狀態(tài)需要的時(shí)間是較為漫長(zhǎng)的（時(shí)間可能持續(xù)幾個(gè)月），實(shí)際試驗(yàn)獲得的測(cè)斜管擾度要小于其最終穩(wěn)定狀態(tài)的，導(dǎo)致最終反算的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與真實(shí)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)存在一定的誤差。

根據(jù)該試驗(yàn)研究得到的數(shù)據(jù)可知，測(cè)斜管的擾度越大（越接近最終穩(wěn)定狀態(tài)）反算獲得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)越接近原位直剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。通常來(lái)說(shuō)，測(cè)斜反算獲得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力較真實(shí)值偏小，而內(nèi)摩擦角較真實(shí)值偏大。如果用該方法獲得花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，需要足夠的監(jiān)測(cè)時(shí)間待基坑側(cè)壁變形穩(wěn)定，用穩(wěn)定時(shí)的擾度反算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是可行的。

通過(guò)原位土壓力反算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)出現(xiàn)的異?？辜魪?qiáng)度指標(biāo)可能是土壓力盒不能夠測(cè)量真實(shí)的原位土壓力導(dǎo)致的。因基坑開(kāi)挖后，基坑側(cè)壁會(huì)發(fā)生變形，導(dǎo)致豎直埋放的應(yīng)力盒發(fā)生一定角度的傾斜，同時(shí)應(yīng)力盒也會(huì)跟著基坑側(cè)壁的變形而移動(dòng)，其測(cè)量的應(yīng)力數(shù)據(jù)并非該位置的真實(shí)側(cè)向水平應(yīng)力值，與實(shí)際應(yīng)力值存在較大誤差，所以該原位數(shù)據(jù)反算獲得的花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與原位直剪數(shù)據(jù)獲得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)存在較大誤差。如果要獲得真實(shí)的花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，該文建議采用原位測(cè)斜數(shù)據(jù)反算獲得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。