标贯试验N值与土体物理力学参数的相关性分析.pdf

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1、第1 9 卷2 0 12 年第4 期7 月安全与环境工程S a f e t ya n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n gV 0 1 1 9N O 4J u l 2 0 12标贯试验N 值与土体物理力学参数的相关性分析郭淋h 2，王春艳1，张飞1 2，李书轮3(1 中国地质大学工程学院，武汉4 3 0 0 7 4；2 中国地质大学岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉4 3 0 0 7 4；3 中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉4 3 0 0 7 1)摘要：以武汉某地铁工程为例，通过标贯试验和室内土工试验，对地基土标贯试验指标N

2、值与土体部分物理力学参数的相关关系进行了研究，并给出了线性拟合关系式及其相关系数。结果表明：一般性黏土和老黏土的压缩模量、内聚力及内摩擦角，砂土的变形模量、承载力、内摩擦角、剪切波速及动弹模量都与标贯击数N 值成正比关系；对于不同的地层类型，其拟合精度也有所区别，而对于该工程地基土，砂土的预测精度普遍高于黏土的预测精度。关键词：标贯试验；原位测试；标贯击数(N 值)；土体物理力学参数；相关性分析中图分类号：X 9 4 7；T U 4 5文献标识码：A文章编号：1 6 7 1-1 5 5 6(2 0 1 2)0 4 0 1 4 8 0 5C o r r e l a t i o nA n a l

3、y s i so fS P TN-v a l u ea n dG e o t e c h n i c a lP h y s i c a lM e c h a n i cP a r a m e t e r sG U OL i n l“，W A N GC h u n y a h l，Z H A N GF e i l”，L IS h u l u n 3(1 F a c u l t yo f E n g i n e e r i n g，C h i n aU n i v e r s i t yo f G e o s c i e n c e s，W u h a n4 3 0 0 7 4，C h i n a

4、；2 E n g i n e e r i n g R e s e a r c hC e n t e ro fR o c k-s o i lD r i l l i n ga n dE x c a v a t i o na n dP r o t e c t i o n，M i n i s t r yo fE d u c a t i o n，C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s，W u h a n4 3 0 0 7 4，C h i n a；3 C C C CS e c o n dH a r b o rC o n s u l t a

5、n t sC o，L t d，W u h a n4 3 0 0 7 1，C h i n a)A b s t r a c t：T a k i n gas u b w a yp r o j e c ti nW u h a nf o ri n s t a n c e，t h i sp a p e rm a k e st h er e s e a r c ho nt h ec o r r e l a t i o no fS P Ts o i lt e s td a t aa n ds o m ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e

6、 r st h r o u g ht h eS P Tt e s ta n ds o i ll a b o r a t o r yt e s t，a n dg i v e st h el i n e a rf i t t i n gr e l a t i o n s h i pa n dc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t s T h er e s u l t ss h o wt h a t，f o rg e n e r a lc l a ya n do l dc l a y，t h ec o m p r e s s i o nm o d u l

7、 u s，i n t e r n a lf r i c t i o na n g l ea n dc o h e s i o na r ep r o p o r t i o n a lt Ot h eS P Tb l o wc o u n tf o rs a n d ys o i l，t h ed e f o r m a t i o nm o d u l u s，b e a r i n gc a p a c i t y，i n t e r n a lf r i c t i o na n g l e，s h e a rw a v ev e l o c i t ya n dd y n a m i

8、cm o d u l u sa r ep r o p o r t i o n a lt Ot h eS P Tb l o wc o u n t；a n dt h e nt h ef i t t i n ga c c u r a c yo fd i f f e r e n ts t r a t ai sa l s od i f f e r e n t F o rf o u n d a t i o ns o i li nt h i sp r o je c t，p r e d i c t i o na c c u r a c yo fs a n d ys o i li sg e n e r a l

9、l yh i g h e rt h a nt h a to fc l a ys o i l K e yw o r d s：S P Tt e s t；s i t ut e s t i n g；S P Tb l o wc o u n t；p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fs o i l；c o r r e l a t i o na n a l y s i s0引言标准贯入试验(S P T，简称标贯试验)指标N 值(标准贯入击数，简称标贯击数)在岩土工程勘察领域的应用十分广泛，主要包括对地基土的液化判别、划分残积

10、土和风化岩的界限、估算单桩承载力、估算土层的剪切波速、判别砂土的密实程度和相对密实度、确定砂土的内摩擦角、确定地基土的承载力及模量、确定黏性土状态和无侧限抗压强度等口。本文尝试将武汉某地铁工程中的大量标贯试验数据与岩土体物理力学参数测试数据进行相关性分析，找出它们之间的内在联系，并建立相应的关系式。这些关系式由于没有复杂的公式推导和运算，因此使用方便，很容易被广大地质和岩土工程设计人员所接受 2 ，可对武汉地铁轨道线后续工程及周边地区的岩土体参数研究提供借鉴。收稿日期：2 0 1 1 0 9 0 7修回日期：2 0 1 1 1 1-2 6作者简介：郭淋(1 9 8 9 一)，男，硕士研究生，主

11、要研究方向为岩土稳定性分析。E m a i l：c o l i l 9 8 9 1 6 3 c o r n万方数据第4 期郭淋等：标贯试验N 值与土体物理力学参数的相关性分析1 4 9标贯试验数据分析与处理1 1 研究对象本研究选择武汉市某地铁工程穿越汉江段及汉口段，该段为典型的武汉地区长江、汉江两岸一级阶地水文地质条件区段，据区域地质资料及本工程前期勘察资料，并结合本次勘察成果进行综合分析，勘察区岩土体按沉积年代先后及工程性质分层，以及根据标贯击数及岩土性质可分为一般性黏土、老黏土、砂土3 类。1 2 试验数据分析与处理标贯试验所得到的结果往往是客观的，但对结果的统计和分析往往带有主观因素，

12、而且目前尚无统一的方法，因此对试验结果的统计和分析方法正确与否，将直接影响其准确性。本研究通过取样试验、现场原位测试、物探等多种手段获得了研究区岩土层各项物理力学性质指标，并按地层划分单元进行了分层统计，其统计结果见表1。分层统计主要是按指标样本的相关性及离散程度分别按1 6 4 5 a、2 a、士3 a(为标准差)对异常指标予以剔除后统计的结果，并给出各项指标的统计样本频数(该土层出现的次数)、算术平均值、最大值、最小值、标准差、变异系数(标准差与平均值的比值)、标准值。本文根据相关规范对标贯击数采用标准值，而对压缩性指标、物性指标和判别土的状态时所使用的物理量均采用平均值，对承载力采用特征

13、值。标贯击数的标准值X。可按下式计算：X 一驴p(1)式中：妒为统计修正系数；卢为标贯击数的平均值(击)。上式中统计修正系数I J 可按下式计算：驴一1 土f 半+半1 艿(2)咒，式中：”为标贯击数的数据数量(个)，钾应不少于6 个(组)；艿为变异系数，当艿值较大时，应分析原因，如分层是否合理、试验有无差错，并应同时增加测试数量。表1 黏土和砂土的标贯击数【N 值)分层统计结果T a b l e1L a y e r e ds t a t i s t i c a lr e s u l t so nS P Tb l o wc o u n tf o rc l a ya n ds a n d ys

14、o i l土层名称频数丽d 赫标准差变警数鬻于雌的警舭(3 1)黏土(3-2)粉质黏土(3-3)淤泥质土一般性黏土(3 4)粉质黏土(3 5)粉质黏土夹砂(4 2 a)粉质黏土(6-1)粉质黏土(1 0-1)粉质黏土老黏土搿：法质粉质黏土(1 2 a)粉质黏土(1 1-1)含黏性土细砂(4-1)粉细砂(4-2)粉细砂砂土撼鬻(1 1-2)中粗砂(1 1 2 a)中粗砂夹卵石(5)中粗砂夹卵石1 21 92 12 52 51 32 23 13 43 95 2 5 04O 90 1 641 10 1 720 50 1 941 10 2 141 7O 2 171 60 1 74O 70 1 272

15、50 293 20 1 71 5Z 50 1 297 70 31 63 60 1 472 10 1 61 63 40 1 51 84 10 1 3Z 46 10 1 82 28 10 2 15 0 5 0注：表中土层编号是按沉积年代先后及工程性质依次进行的分层编号。另外，统计修正系数驴也可以按岩土工程的类型和重要性、参数的变异性和统计数据的个数，根据当地经验选用，但不应小于0 7 5。2N 值与土体物理力学参数的相关性分析2 1N 值与压缩模量、变形模量的相关关系根据标贯试验指标标贯击数N 值，可对砂土、粉土、黏土的物理状态、强度、变形参数、地基承载力、单桩承载力等做出评价 3 6 。用N 值

16、评价某一参数的前提是建立该参数与N 值的经验关系式或相关关系式。这些关系式的建立对相关地区岩土工程中岩土体参数的研究和设计有重要作用。因此，在各地区加强岩土体N 值与其他物理力学参数的相关性研究是非常必要的，这对积累资料，提高用N 值预测岩土体其他物理力学参数的精确度有着重要的意义 7 。万方数据1 5 0安全与环境工程第1 9 卷土的压缩模量E 是土在完全侧限的条件下，竖向正应力与相应变形稳定时两者的比值。一般情况下，土的压缩模量越小，土的压缩性越高。研究区黏土压缩模量E，和砂土变形模量E，与标贯击数N值的关系曲线见图1 和图2。2 01 5邑1 0寸5051 01 52 02 5N 值，击

17、图1 黏土压缩模量E 与标贯击数N 值的关系曲线F i g 1C u r v eo fc o m p r e s s i v em o d u l u sV SN-v a l u e图2 砂土变形模量E 与标贯击数N 值的关系曲线F i g 2C u r v eo fd e f o r m a t i o nm o d u l u sV sN-v a l u ef o rs a n d ys o i l由图1 和图2 可以看出：在所统计的修正后的黏土标贯击数(2 N 2 0)范围内，黏土的压缩模量与其标贯击数成正比关系，线性相关系数约为0 8 5；同样，在所统计的修正后的砂土标贯击数(1 2

18、N 5 0)范围内，砂土的变形模量与其标贯击数成正比关系，线性相关系数约为0 8 9。2 2N 值与地基承载力的相关关系所谓的地基承载力指地基所能承受荷载的能力。地基承载力特征值()可由载荷试验或其他原位测试，并结合工程实践经验等综合确定。研究区黏土、砂土的地基承载力特征值 与标贯击数N值的关系曲线见图3 和图4。4 0 03 0 02 0 01 0 0O图3 黏土地基承载力特征值 与标贯击数N 值的关系曲线F i g 3C u r v eo fb e a r i n gc a p a c i t yV SN v a l u ef o rc l a y由图3 和图4 可以看出：在所统计的修正后

19、的黏土标贯击数(2 N 1 7)范围内和砂土标贯击数(1 2 N 5 0)范围内，黏土和砂土的地基承载力特5 0 04 0 03 0 02 0 01 0 00图4 砂土地基承载力特征值 与标贯击数N 值的关系曲线F i g 4C u r v eo fb e a r i n gc a p a c i t yV SN-v a l u ef o rs a n d ys o i l征值与其标贯击数都成正比关系，其中砂土的线性相关系数较高，约为0 9 0。2 3N 值与内聚力、内摩擦角的相关关系内聚力主要是由于土颗粒间水膜受到相邻土颗粒之间的电分子引力而形成的，当土被压密时，土颗粒间的距离减小，内聚力随

20、之增大。研究区黏土内聚力C 与标贯击数N 值的关系曲线见图5。图5 黏土内聚力C 与标贯击数N 值的关系曲线F i g 5C u r v eo fc o h e s i v es t r e n g t hV SN-v a l u ef o rc l a y由图5 可以看出：在所统计修正后的黏土标贯击数(2 N 2 0)范围内，黏土内聚力与其标贯击数成正比关系，线性相关系数约为0 8 6。土的内摩擦角反映了土的摩擦特性，一般分为土颗粒的表面摩擦力、颗粒问的嵌入和联锁作用产生的咬合力。砂土的内摩擦角是指无黏性土(砂土)试样分别在几个不同垂直压力作用下，得出相应的抗剪强度，以抗剪强度为纵坐标、垂直

21、压力为横坐标，绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线，直线的倾角为内摩擦角。一般可从砂土密实度的角度考虑建立标贯试验N值与内摩擦角之间的关系。研究区黏土、砂土内摩擦角5 与标贯击数N 值的关系曲线见图6 和图7。由图6 和图7 可以看出：在所统计的修正后的黏土标贯击数(2 N 1 7)范围内和砂土标贯击数(1 2 N 5 0)范围内，黏土和砂土的内摩擦角与其标贯击数成正比关系，其中砂土的线性相关系数较高，约为0 9 5，而黏土的线性相关系数约为0 8 6。2 4N 值与剪切波速、动弹性模量的相关关系土的剪切波速(弘)是指震动横波在土内的传播速度。剪切波速是抗震区确定场地土类别的主要依据。土的剪切波速的

22、大小反映了土层的埋深、密实度，因此万方数据第4 期郭淋等：标贯试验N 值与土体物理力学参数的相关性分析1 5 13 02 5f2 01 5奄1 050图6 黏土内摩擦角与标贯击数N 值的关系曲线F i g 6C u r v eo fi n t e r n a lf r i c t i o n a la n g l eV SN v a l u ef o rc l a y5 04 0e3 0京2 01 001 02 03 04 05 06 0N 谯f 击图7 砂土内摩擦角与标贯击数N 值的关系曲线F i g 7C u r v eo fi n t e r n a lf r i c t i o n a

23、 la n g l eV SN-v a l u ef o rs a n d ys o i l也与标贯击数有关。研究区黏土和砂土剪切波速弘与标贯击数N 值的关系曲线见图8 和图9。3215l O1 52 02 5N 值f 盎图8 黏土剪切波速饥与标贯击数N 值的关系曲线F i g 8C u r v eo fs h e a rw a v ev e l o c i t yV SN v a l u ef o rc l a y4 0 03 0 02 0 01 0 0O1 02 03 04 05 06 0N 值f 击图9 砂土剪切波速饥与标贯击数N 值的关系曲线F i g 9C u r v eo fs h

24、 e a rw a v ev e l o c i t yV SN-v a l u ef o rs a n d ys o i l土的动弹性模量E 是用动力法即根据弹性波在岩体中的传播速度测得的弹性模量，是表征土的动力变形特性的重要参数。影响土的动弹性模量的因素很多，其中以剪应变振幅、有效平均主应力、孔隙比与土体组构(试样制备方法)对动弹性模量影响最为显著。研究区黏土、砂土动弹性模量E a 与标贯击数N 值的关系曲线见图1 0 和图1 1。由图8 至图1 1 可以看出：在所统计的修正后的黏土标贯击数(2 N 2 0)和砂土标贯击数(1 2 N5 0言4 0堇i：01 05l Ol52 02 5N

25、值f 盎图1 0 黏土动弹性模量E 一与标贯击数N 值的关系曲线F i g 1 0C u r v eo fd y n a m i ce l a s t i cm o d u l u sv sN v a l u ef o rc l a y8 0 0善6 0 0邑4 0 0o2 0 0O1 02 03 04 05 06 0N 值，志图1 1 砂土动弹性模量玩与标贯击数N 值的关系曲线F i g 11C u r v eo fd y n a m i ce l a s t i cm o d u l u sv sN-v a l u ef o rs a n d ys o i l5 0)范围内，黏土和砂土的剪

26、切波速、动弹性模量均与标贯击数成正比关系，线性相关系数非常高。其中，对于剪切波速，黏土和砂土的线性相关系数都约为0 9 6；对于动弹性模量，黏土的线性相关系数约为0 9 0，砂土的线性相关系数约为0 9 1。3回归方程的误差统计分析把所统计的地基土样参数值代入以上各参数的回归方程，就可得到由经验公式计算得到的土样参数估计值，然后与试验得到的参数值进行比较，其结果见表2、表3 和表4。表2 一般性黏土各参数误差统计结果1、a b l e2E r r o rs t a t i s t i c so ft h ep a r a m e t e r so fg e n e r a lc l a y表3

27、 老黏土各参数误差统计结果T a b l e3E r r o rs t a t i s t i c so ft h ep a r a m e t e r so fo l dc l a y万方数据安全与环境工程第i 9 卷表4 砂土各参数误差统计结果 j b l e4E r r o rs t a t i s t i c so ft h ep a r a m e t e r so fs a n d ys o i l注：上述表中统计个数是以亚层的个数计数的，而各亚层的数据又是依据相关规程运用统计学方法对所有的钻i L 数据进行处理后得到的，因此具有一定的代表性；表中平均值为所有统计个数的误差算术平均

28、值。由表2、表3 和表4 可以看出：计算一般性黏土和老黏土各个参数时，其计算值与试验值的误差大部分都在1 6 以内，故黏土的压缩模量、内聚力、内摩擦角、剪切波速、动弹性模量等物理力学参数均可用标贯击数N 值建立关系式来进行相应的估算和预测；计算砂土各个参数时，由于其计算值与试验值的误差大部分都在1 1 以内，故也可用标贯击数N 值来估算和预测砂土的变形模量、地基承载力、内摩擦角、剪切波速、动弹性模量等物理力学参数。但从中也可看出有一定的误差，误差产生的原因分析如下：(1)由于试验时边界条件及各种人为因素的影响，N 值测量精度不够。例如地层划分种类较多，而其中某些地层的区分容易混淆，这样会导致N

29、 值测量产生一定的误差。(2)标贯试验所得到的结果往往是客观的，但对结果的统计和分析带有主观因素，本研究对N 值的处理采用的是统计修正法，但统计修正系数的计算没有考虑工程类型及重要性等的影响。(3)同一标贯击数对应不同粒径土样的参数值会有所不同，本研究未考虑粒径的影响。(4)所统计的土样取自1 0 5 个不同的钻孔及其不同的深度，有一定的离散性，相同的土层试验所得到的参数也会有一定的误差。(5)在取样及运输过程中可能会对原状土样有一定的扰动，可使得土工试验值与实际值产生一定的偏差，例如黏土的压缩模量和砂土的变形模量受扰动影响较大，可以看出两者的拟合相关系数相对较低，这同样会给由此总结的经验公式

30、带来误差。(6)由于本研究采用的是线性相关性的分析方法，建立的回归方程均为直线方程，未采用拟合更为精确的曲线拟合方式，也会产生一定的误差1。4结论(1)实际工程勘察中，标贯试验大多是作为检测地基土承载力和分析地层的方法 9 1 2 ，在本文涉及的武汉地铁勘察中也不例外。实际上，标贯试验数据可以间接地预测岩土体的很多物理力学参数，也可以作为其他原位测试数据的补充说明。(2)本工程实例地基土有许多物理力学参数与标贯试验指标N 值呈相关性很高的线性关系，其中一般性黏土和老黏土的压缩模量、内聚力、剪切波速、动弹性模量可用N 值建立关系式进行预测，而砂土中的变形模量、地基承载力、内摩擦角、剪切波速、动弹

31、性模量也可用N 值建立关系式进行预测。但不同的地区，通过标贯试验指标预测岩土体物理力学参数的精确度是不同的，并且不同的地层其预测精确度也有差异，如针对本工程地基土，砂土的预测精度普遍高于黏土的预测精度。(3)本研究所采用的标贯试验数据与岩土体物理力学参数的拟合主要为线性拟合，这种拟合方式尽管简捷实用，但其拟合精度不高，并且本文对于造成这些误差的原因也解释不够详尽。实际工程中，这些物理力学参数值仍需以室内试验为主，该关系式可作为评价这些参数的依据和相关地区岩土体参数研究的资料积累，对提高标贯试验预测岩土体物理力学参数的精确度有着重要意义。参考文献：E 1 郭桂仁标准贯入原位测试方法的分析与讨论E

32、 J 华北石油设计，2 0 0 5，(2)：3 0 3 2 2 徐光大，徐光黎，李俊杰日本标准贯人试验方法及其N 值在岩土工程中的应用 J 安全与环境工程，2 0 1 1，1 8(4)：3 3 3 8 3 尹永川新近沉积黏性土的压缩模量与标准贯人试验锤击数的关系口 水文地质工程地质，2 0 0 2，(1)：6 8 6 9 4 刘俊龙用标贯击数估算单桩极限承载力 刀岩土工程技术，2 0 0 2，(2)：8 8 9 1 5 孙法德阶地漫滩区地基承载力与标准贯入试验关系分析 J 黑龙江水专学报，2 0 0 5，3 2(1)：3 2 3 3 6 王士杰，何满潮，张吉占用归一化标准贯人N 值估算砂土的相

33、对密度E J 岩土工程学报，2 0 0 5，2 7(6)：6 8 2 6 8 5 7 蒋建平，李晓昭，罗国煜南京地铁地基土标贯与物理及力学参数关系试验研究口 铁道学报，2 0 1 0，(2)：1 2 3 1 2 7 8 马良荣，赵亮，王燕昌，等标准贯入试验击数与砂土参数问的统计关系 J 电力勘测设计，2 0 0 9，(3)：5 8 9 王钟琦，孙广忠，刘双光，等岩土工程测试技术 M 北京：中国建筑工业出版社，1 9 8 6 1 0 李智毅，杨裕云工程地质学基础 M 武汉：中国地质大学出版社，1 9 8 3 1 1 孟高头土体原位测试机理方法及其工程应用 M 北京：地质出版社，1 9 9 7 1

34、 2 常士骠，张苏民，王笃礼，等工程地质手册E M 北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 7 通讯作者：王春艳(1 9 7 3 一)，女，博士，副教授，主要从事岩土工程勘察与研究。E m a i l：1 2 3 9 9 0 1 6 0 2 q q c o r n万方数据标贯试验N值与土体物理力学参数的相关性分析标贯试验N值与土体物理力学参数的相关性分析作者：郭淋，王春艳，张飞，李书轮，GUO Lin，WANG Chun-yan，ZHANG Fei，LI Shu-lun作者单位：郭淋,张飞,GUO Lin,ZHANG Fei(中国地质大学工程学院,武汉430074;中国地质大学岩土钻掘与防护教育

35、部工程研究中心,武汉430074)，王春艳,WANG Chun-yan(中国地质大学工程学院,武汉,430074)，李书轮,LI Shu-lun(中交第二航务工程勘察设计院有限公司,武汉,430071)刊名：安全与环境工程英文刊名：Safety and Environmental Engineering年，卷(期)：2012,19(4)参考文献(12条)参考文献(12条)1.郭桂仁 标准贯入原位测试方法的分析与讨论 2005(02)2.徐光大.徐光黎.李俊杰 日本标准贯入试验方法及其N值在岩土工程中的应用期刊论文-安全与环境工程 2011(04)3.尹永川 新近沉积黏性土的压缩模量与标准贯入试

36、验锤击数的关系 2002(01)4.刘俊龙 用标贯击数估算单桩极限承载力 2002(02)5.孙法德 阶地漫滩区地基承载力与标准贯入试验关系分析期刊论文-黑龙江水专学报 2005(01)6.王士杰.何满潮.张吉占 用归一化标准贯入N值估算砂土的相对密度期刊论文-岩土工程学报 2005(06)7.蒋建平.李晓昭.罗国煜 南京地铁地基土标贯与物理及力学参数关系试验研究 2010(02)8.马良荣.赵亮.王燕昌 标准贯入试验击数与砂土参数间的统计关系期刊论文-电力勘测设计 2009(03)9.王钟琦.孙广忠.刘双光 岩土工程测试技术 198610.李智毅.杨裕云 工程地质学基础 198311.孟高头 土体原位测试机理方法及其工程应用 199712.常士骠.张苏民.王笃礼 工程地质手册 2007 本文链接：http:/