水域CPTU与DMT在土体强度特性评价中的应用

张国超; 余颂; 张军杰; 张荣; 王勇

doi:10.11779/CJGE2023S10017

水域CPTU与DMT在土体强度特性评价中的应用 English Version

1.
中铁大桥勘测设计院集团有限公司, 湖北武汉 430000
2.
中国科学院武汉岩土力学研究所, 湖北武汉 430000

基金项目:

水域多功能CPTU平台研发及工程应用 2022D16

国家自然科学基金项目 51979269

国家重大科研仪器研制项目 52127815

详细信息

作者简介:
张国超(1986—)，男，硕士，高级工程师，主要从事岩土工程勘察工作。E-mail：928975960@qq.com

中图分类号: TU43
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2023-07-06
- 网络出版日期: 2023-11-23
- 刊出日期: 2023-10-31

Evaluation of strength characteristics of soils based on piezocone penetration tests and flat dilatometer tests in water areas

1.
China Railway Major Bridge Reconnaissance and Design Institute Group Co., Ltd., Wuhan 430000, China
2.
Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430000, China

摘要

摘要: 基于多元原位测试数据融合的研究方法在岩土工程勘察中已成为趋势，在提高预测参数精度和评价土体强度特性中具有明显优势。为解决水域工程勘察中取样困难、岩土参数空间变异性大、土体力学特性存在区域性和结构性的难题，以江苏省海太过江通道工程为研究对象，基于水域孔压静力触探试验CPTU、水域扁铲侧胀试验DMT和室内土工试验，研究了场区软黏土的不排水剪切强度、砂性土的内摩擦角以及不同土性指标土层的侧限模量。结果表明：CPTU和DMT均可提供丰富的土体物理力学参数，对土体的强度特征参数响应灵敏，联合2种试验的参数表征土体强度特性具有可行性；基于CPTU锥尖阻力、净锥尖阻力得到砂性土有效内摩擦角偏大，而基于DMT侧胀水平应力指数K_D得到的有效内摩擦角略小；DMT侧限模量与CPTU锥尖阻力之间具有良好的相关关系，通过拟合关系式可将刚度与强度联系起来，该关系式还考虑了土性指标的影响，可作为一种新方法来预测土体侧限模量。
- 孔压静力触探试验 /
- 扁铲侧胀试验 /
- 黏性土 /
- 砂性土 /
- 不排水抗剪强度 /
- 侧限模量 /
- 内摩擦角
Abstract: In geotechnical engineering investigation, the multivariate in-situ test data fusion method has become the research trend, and it has obvious advantages in improving the accuracy of parameters and the evaluation of strength characteristics of soils. In order to solve the problems of sampling difficulty, spatial variability of geotechnical parameters, and regional and structural mechanical properties of soils in geotechnical engineering investigation in water areas, the Haimen-Taicang Changjiang River crossing project in Jiangsu Province is taken as the research object. Based on the piezocone penetration tests (CPTU), flat dilatometer tests (DMT) and laboratory tests, the undrained shear strength of soft clay, internal friction angle of sandy soil and constrained modulus of layers with different material indices are studied. The results show that both the CPTU and the DMT can provide abundant soil parameters, which are sensitive to the strength characteristics of soils, and it is feasible to characterize the strength of soils using the parameters from the two experiments. The calculated results based on the CPTU tip resistance and the net tip resistance overestimate the effective internal friction angle of sandy soil, while that approximated by K_D is slightly smaller. There is a good correlation between the DMT constrained modulus and the CPTU tip resistance. The stiffness and strength can be linked by fitting their relationship, which also considers the influences of the material indices, and this relationship can be used as a new method to estimate the constrained modulus.
- piezocone penetration test /
- flat dilatometer test /
- cohesive soil /
- non-cohesive soil /
- undrained shear strength /
- constrained modulus /
- internal friction angle

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图 1 海太过江隧道地质剖面图

Figure 1. Geological profile of Haimen-Taicang Changhiang River crossing project

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图 2 孔压静力触探试验多重套管技术（D为外径）

Figure 2. Multiple casing for CPTU (D is outer diameter)

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图 3 DZ-G3-310孔不排水抗剪强度计算

Figure 3. Calculation of S_u in hole No. DZ-G3-310

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图 4 基于孔压静力触探试验的不排水抗剪强度计算方法

Figure 4. Method for calculating S_u based on CPTU

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图 5 软黏土不排水抗剪强度实测值与预测值比较

Figure 5. Comparison between measured and predicted values of S_u of soft clay

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图 6 土体侧限模量与锥尖阻力拟合关系

Fitting relationship between M and ${q_{\text{c}}}$

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表 1 基于扁铲侧胀试验的土体不排水抗剪强度计算方法

Table 1 Methods for calculating undrained shear strength of soils based on flat dilatometer tests

序号	提出时间	公式提出者	测试地区	适用土体	计算方法	使用条件
1	1980年	Marchetti	意大利	黏性土	S_u=0.22 $\cdot {\sigma '_{{\text{v0}}}} \cdot$ (0.5K_D)^1.25	I_D＜1.2
2	1987年	Mayne	美国旧金山	软黏土	S_u=(p₀-u₀)/NC	NC=3~9
3	1988年	Lacasse & Lunne	—	软黏土	S_u=a $\cdot {\sigma '_{{\text{v0}}}} \cdot$ (0.5K_D)^1.25	a=0.17~0.21
4	1995年	Kamei & Iwasaki	日本东京	正常固结的海相黏土	S_u=0.35 $\cdot {\sigma '_{{\text{v0}}}} \cdot$ (0.47K_D)^1.14	I_D＜1.2
5	1999年	陈国民	中国上海	黏土	S_u=0.22 $\cdot {\sigma '_{{\text{v0}}}} \cdot$ (0.5K_D)^1.25+60(I_D-0.35)	I_D＜0.35
6	2002年	孙莉	中国上海	饱和软黏土	S_u=0.052×E_D+17.11	—
7	2002年	FHWA-IF-02-034	美国	黏性土	S_u=(p₀-u₀)/10	—
8	2004年	李雄威等	中国南京	粉砂土	S_u=0.22 $\cdot {\sigma '_{{\text{v0}}}} \cdot$ (0.5K_D)^1.25+15(I_D-1.8)	I_D＞1.8
9	2004年	唐世栋等	中国上海	软黏土	S_u=(-0.06I_D²+0.42I_D+0.19) $\cdot {\sigma '_{{\text{v0}}}} \cdot$ (0.47K_D)^1.14	I_D＜1.2
10	2011年	卢力强等	中国天津	海相饱和软土	S_u=0.17 $\cdot {\sigma '_{{\text{v0}}}} \cdot$ (0.5K_D)^1.25	I_D≤0.35
11	2011年	吕俊青等	中国昆明	湖相软黏土	S_u= $- {\sigma '_{{\text{v0}}}} \cdot$ K_D^-0.5+0.8(I_D+21) S_u= $- {\sigma '_{{\text{v0}}}} \cdot$ K_D^-0.5+0.3(E_D+56)	—
12	2014年	涂启柱	中国温州	软黏土	S_u=(16.7p₀+9p₂-7.7u₀)×10^-2+5.205	—
13	2016年	赵东	中国宁波	饱和软黏土	S_u=0.324(p₁-p₀)+10.398	—

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表 2 基于CPTU和DMT的砂性土有效内摩擦角预测结果

Predicted results of $\varphi '$ based on CPTU and DMT

计算方法	试验方法	实际拟合结果
计算方法	试验方法	${\varphi '_i}$ / ${\varphi '_1}$ （i=2, 3, 4）	R²	平均值	标准差
孔压规程	CPTU	1.6458	0.9945	1.6606	0.13
水运规程	CPTU	1.1965	0.9907	1.2052	0.12
式（4）	DMT	0.9313	0.9893	0.9394	0.10

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参考文献(9)

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施引文献(2)

期刊类型引用(2)

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2.	秦磊，张静，张贺，刘军达，王华. 基于室内实验的深基坑工程设计参数分析及位移预测. 粉煤灰综合利用. 2024(06): 84-88 . 百度学术