涂啟柱

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

扁板側(cè)脹試驗(yàn)(簡稱DMT試驗(yàn))，是由意大利Silvano Marchetti于1980年創(chuàng)立［1］，最早在北美和歐洲使用，隨后迅速推廣，并先后列入ASTM(1986)推薦方法和歐洲Eurocode 7(1997)規(guī)范，我國在20世紀(jì)90年代開始引進(jìn)和使用這項(xiàng)技術(shù)。目前DMT試驗(yàn)方法及其應(yīng)用已經(jīng)得到了多國的認(rèn)可，被認(rèn)為是一種操作簡單、重復(fù)性好、人為影響小、且較經(jīng)濟(jì)的原位測試方法［2］，已列入我國國家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》［3］，并已納入我國鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》［4］。

不排水抗剪強(qiáng)度是軟黏土重要的力學(xué)特性參數(shù)，對土體的強(qiáng)度特性分析和穩(wěn)定性評價具有重要影響。最近30年，國外學(xué)者對利用扁板側(cè)脹試驗(yàn)獲取軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)有了一定的試驗(yàn)研究，國內(nèi)學(xué)者主要針對上海地區(qū)進(jìn)行了一些研究，但由于土體沉積時的環(huán)境、氣候、物質(zhì)等的差異，各地的土性不盡相同，而且國內(nèi)外試驗(yàn)儀器性能、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，因此在利用扁板側(cè)脹試驗(yàn)確定土性指標(biāo)時，必須重視各地的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)［3］。

針對溫州海相沉積軟黏土進(jìn)行了多種原位測試試驗(yàn)，并利用多元回歸分析方法，探求溫州軟黏土地區(qū)扁板側(cè)脹試驗(yàn)參數(shù)與不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。

1 扁板側(cè)脹試驗(yàn)獲取不排水抗剪強(qiáng)度研究現(xiàn)狀

扁板側(cè)脹試驗(yàn)是利用外力將一扁平狀測頭壓入地基土達(dá)某一深度后加氣壓使測頭一面的膜片向外膨脹，測得在特定位置時膜片所受的相應(yīng)氣壓值A(chǔ)、B和C，從而獲得土體受力與變形關(guān)系的一種原位測試方法［1］。

根據(jù)試驗(yàn)前率定獲得的膜片約束力A、B及試驗(yàn)時測得的氣壓值A(chǔ)、B、C利用土體彈性性質(zhì)可得出膜片在不同位置時的土壓力［4］。

式中，Zm為未調(diào)零時壓力表初讀數(shù)，kPa;P0為膜片向土中膨脹之前作用在膜片上的接觸壓力，kPa;P1為膜片膨脹1.10 mm時膨脹壓力，kPa;P2為膜片回到0.05 mm時受到的終止壓力，kPa。

根據(jù)以上土壓力值和各試驗(yàn)點(diǎn)靜止水壓力u0及上覆有效土壓力值可以獲得以下參數(shù)。

劃分地基土層的材料指數(shù)為

反映地基土固結(jié)歷史的水平應(yīng)力指數(shù)為

反映地基土力學(xué)性質(zhì)的側(cè)脹模量為

反映地基土孔壓特性的孔壓指數(shù)為

Marchetti(1980)［1］最早提出利用扁板側(cè)脹試驗(yàn)計(jì)算地基土的不排水抗剪強(qiáng)度Cu

之后國外其他學(xué)者，Mayne(1987)、Lacasse和Lunne(1988)、Roque(1988)以及 Iwasaki和 Kamei(1995)等［5］根據(jù)各自不同地區(qū)的試驗(yàn)資料對式(8)作出了修正(表1)。

國內(nèi)在這方面的研究主要集中在上海地區(qū)，陳國民(1999)［6］針對上海淺層黏土，根據(jù)土性指數(shù)ID的不同，對式(8)進(jìn)行了修正，當(dāng)ID≤0.35時，可根據(jù)式(8)計(jì)算，當(dāng)ID＞0.35時，根據(jù)下式計(jì)算

孫莉等(2002)［7］針對于上海地區(qū)的軟土層，建立了扁板模量ED與不排水抗剪強(qiáng)度cu具有線性相關(guān)性，其關(guān)系式為

國內(nèi)外學(xué)者利用扁板側(cè)賬試驗(yàn)獲取黏土不排水抗剪強(qiáng)度的研究成果匯總?cè)绫?所示。

表1 用DMT計(jì)算不排水抗剪強(qiáng)度公式匯總

2 多元回歸分析方法

由于巖土工程中室內(nèi)、室外試驗(yàn)機(jī)理及邊界條件的復(fù)雜性，直接從理論上推導(dǎo)出兩種試驗(yàn)各參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系往往是比較困難的。因此，為研究兩種試驗(yàn)的關(guān)系，可借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，建立試驗(yàn)參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系，這在工程中是可行的。為提高回歸分析的精度，一般可采用多元回歸分析的方法。

2.1 選元分析

在多元回歸分析中，自變量的選擇是很重要的。如果遺漏了重要的變量，回歸分析的效果一定不會好;如果變量過多，將會把對應(yīng)變量y影響不顯著的變量也選入回歸方程，這樣就影響了回歸方程的穩(wěn)定性，效果也好不了。因此在研究因變量與自變量之間回歸關(guān)系時，需要從眾多自變量中篩選出比較重要的若干個自變量來建立回歸方程，這個過程即為選元分析［9］。通過選元分析可以減輕回歸分析中的計(jì)算工作量，更重要的是能增加回歸方程的使用價值。選元分析一般可分為:前進(jìn)法、后退法、最優(yōu)子集法、逐步回歸法。其中逐步回歸法結(jié)合了前進(jìn)法與后退法的優(yōu)點(diǎn)，該法考慮了在向前挑選自變量過程的同時還提出新發(fā)現(xiàn)的次要變量。

2.2 回歸分析

3 扁板側(cè)脹試驗(yàn)確定不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)場地概述

溫州市域鐵路擬建工程經(jīng)過區(qū)域多屬于沖海積平原區(qū)，為一套自中更新統(tǒng)到全新統(tǒng)的海相、陸相及海陸過渡相的松散層。沿鐵路線選擇4個試驗(yàn)場地各布置1個鉆探孔、1個扁板側(cè)脹試驗(yàn)孔、2個靜力觸探試驗(yàn)孔(分為單橋與雙橋靜力觸探試驗(yàn))與1個十字板剪切試驗(yàn)孔。試驗(yàn)場地地層分為①耕植土;②-1淤泥，②-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土;③細(xì)砂;④-1粉質(zhì)黏土，④-2黏土等(圖1、圖2)。由現(xiàn)場試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)可以探明試驗(yàn)場地普遍存在淤泥、淤泥質(zhì)黏性土等軟土，呈厚層狀大面積分布，含水量高、壓縮性大、強(qiáng)度低、天然孔隙比大等特征(表2)。

3.2 選元分析

P0、P1與P2是扁板側(cè)脹試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)修正后直接得到的參數(shù)，最能直接反應(yīng)土的物理力學(xué)特性。通過對 Marchetti(1980)［1］等國外學(xué)者及陳國民(1999)［5］等國內(nèi)學(xué)者的研究成果分析可以得出不排水抗剪強(qiáng)度Cu與(P0-u0)有密切的關(guān)系，國內(nèi)學(xué)者孫莉等(2002)［6］的研究成果也說明不排水抗剪強(qiáng)度Cu與P1有一定的關(guān)系，為了兼顧分析的全面性與提高分析的精度，將P0-u0、P1-u0及P2-u0作為自變量納入回歸分析。

圖1 溫州市域鐵路試驗(yàn)場地靜力觸探曲線

圖2 溫州市域鐵路試驗(yàn)場地DMT側(cè)脹試驗(yàn)曲線

表2 溫州市域鐵路試驗(yàn)場地軟黏土的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3.3 回歸分析

目前測試黏性土不排水抗剪強(qiáng)度的最直接的方法是十字板剪切試驗(yàn)(VST)。因此，回歸分析的應(yīng)變量取十字板剪切試驗(yàn)得出的不排水抗剪強(qiáng)度。取顯著性水平α=0.05，按逐步回歸分析法對其作回歸分析。變量的檢驗(yàn)結(jié)果見表3與表4。

表3 各變量的檢驗(yàn)結(jié)果

表4 方差分析

從表3可以看出P0-u0與P2-u0兩個變量的概率值均小于0.05，即兩變量通過檢驗(yàn)，而P1-u0變量的概率值大于0.05，即該變量沒通過檢驗(yàn)，說明P0-u0與P2-u0兩個變量對不排水抗剪強(qiáng)度的影響是顯著的，而P1-u0變量對不排水抗剪強(qiáng)度的影響不顯著。經(jīng)多元回歸分析后，得

式中各參數(shù)的單位均為kPa。式(11)的相關(guān)系數(shù)R2=82.6，統(tǒng)計(jì)量 F 值:F=148.61＞F0.05(2，66)=3.14，說明線性回歸作用是顯著的，回歸Cu值與實(shí)測值的關(guān)系見圖3。

圖3 C u實(shí)測值與回歸值之間的關(guān)系

4 結(jié)語

扁板側(cè)脹試驗(yàn)操作簡單、重復(fù)性好、人為影響小，扁板側(cè)脹試驗(yàn)得到的參數(shù)與土體不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)具有較好的相關(guān)性，但這種相關(guān)性對不同地區(qū)、不同成因的土體存在一定的差異性。

多元回歸分析方法是一種有效的數(shù)理統(tǒng)計(jì)手段，通過多元回歸與選元分析，可將諸多因素中影響權(quán)重較大的因素選出無關(guān)因素刪除，使得到的回歸方程更為合理。本文利用多元回歸分析方法，對溫州地區(qū)多個試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立了扁板側(cè)脹試驗(yàn)參數(shù)與十字板試驗(yàn)不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

本文所建立的經(jīng)驗(yàn)公式適用于溫州海相沉積軟黏土地區(qū)地基土埋深小于30 m的土性條件，在其他地區(qū)使用還有待驗(yàn)證。

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