沙土密实度的分析

第２２卷２００８年

第６期１２月

岩土工程技术

ＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅ

Ｖ０１．２２Ｎｏ．６

Ｄｅｃ，２００８

文章编号：１００７—２９９３（２００８）０６—０２８９—０３

砂土密实度的成因分析及其评价方法的探讨

孔祥国

（长江大学城市建设学院，湖北荆州４３４０２３）

【摘要】砂土的密实程度足影响其工程性质的重要因素，评价砂土密实度的方法很多，但所得结果可能有差异，通常认为这是试验方法不同引起的试验误差。实际上砂土的成因及埋藏条件、地下水也是影响砂土密实度的重要因素。承压水的承压力会改变土中有效自重应力的分布。致使砂土密实度出现反常现象。工程中应注重砂土密实度的成因分析，运用理论知识，分辨各种评价方法的适用条件及其优缺点。

【关键词】密实度；相对密实度；标准贯人；承压水；液化【中图分类号】Ｐ

６４２．１１；ＴＵ４１１

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ＦｏｒｍａｔｉｏｎＲｅａｓｏｎｓｆｏｒＳａｎｄＤｅｎｓｉｔｙａｎｄＳｔｕｄｙｏｆＥｖａｌｕａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｓ

ＫｏｎｇＸｉａｎｇｇｕｏ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＵｒｂａｎＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ＹａｎｇｔｚｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＪｉｎｚｈｏｕＨｕｂｅｉ４３４０２３Ｃｈｉｎａ）

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言

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１砂土密实度评价方法的比较

砂土的物理性质主要决定于密实度状态。砂砂土的密实度在一定程度上可根据天然孔隙比ｅ的大小来评定，但对于级配相差较大的砂土，则天然孔隙比ｅ难以有效判定其相对高低。工程中为了准确判定砂土的密实度，通常用相对密实度Ｄ，来

评价其密实度，其表达式［１］

土呈密实状态时，强度较大，是良好的天然地基；呈稍密、松散状态时则是一种软弱地基，尤其是饱和的粉、细砂，稳定性很差，在振动荷载作用下将

发生液化现象。砂土的密实程度是影响其工程性

质的重要因素，判断砂土密实度的方法主要有三种：即以孔隙比ｅ为标准、以相对密实度Ｄ，为标准、以标贯试验Ｎ值为标准等方法。此外，根据静力触探等原位测试结果也可以确定砂土的密实度。这些评价方法在实际工程中已得到了广泛的运用，但采用多种方法对某一砂土进行评价时，其结果往往存在较大分歧，究其原因，通常认为这是试验方法、试验条件不同引起的试验误差。那么除此以外，还有没有其它原因呢？下面笔者将从试验、土的成因及埋藏条件、地下水的影响等几方面讨论砂土的密实度。

‘ＰＭ—Ｐ幽

Ｄ，值变化在０到１之间，当Ｄ，＝０为最松状态，Ｄ，一１为最密实状态。根据Ｄｒ值可把砂土的密

实状态划分为如下三种

１≥ｐ，＞Ｏ．６７０．６７≥Ｄ，＞Ｏ．３３０．３３≥Ｄ，＞Ｏ

密实中密松散

Ｄ，一ｊｄ

由于砂土的孔隙比ｅ和相对密实度Ｄｒ值的确定均需采取原状砂样测定天然孔隙比，且最大。最

４ｑＬ隙比也难以测定，因此这两种方法均易受到取

作者简介：孔祥国，１９６６年生，男，汉族，湖北京山人。长江大学城市建设学院教师，硕士，副教授，主要从事岩土工程方向的

教学与研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｎｍｋｘｇ＠１６３．ｃｏｍ

万方数据

２９０

岩土工程技术２００８年第６期

样等人为因素影响而失真。在砂垫层等填方工程中，一般根据最大干密度乘以０．８５＂－一０．９８的折减系

数作为施工质量控制指标。对于重要填方工程要求

达到密实状态，可根据Ｄ，一０．６７计算出最小填筑

干密度作为填方施工质量控制标准；如果仅要求达到中密状态，则根据Ｄ，＝０．３３计算填筑干密度。由于相对密实度是根据天然孔隙比ｅ与最松状态测

值Ｐ一和最密实状态测值Ｐ曲比较得出，且测值‰

和‰在一定程度上反映了砂土的级配状况及压实

性，故以相对密实度控制砂土填方工程的压实密度

比仅根据最大干密度乘以某一折减系数其密实状态

明确，因而较为合理Ｌ２Ｊ。

标贯试验是一种原位测试手段，它是将探头打

入土中一定深度所需击数Ｎ值来评价砂土密实度

的方法，该方法克服了前两种方法存在的缺陷。标贯试验Ｎ值为一种原位测试结果，比较直接、真实地反映了砂土的密实度。但各种钻探方法对砂层原始状态的影响不一，获得的标贯Ｎ值也有一定差异。冲击钻对粉细砂层原始状态的影响较大，获得

的标贯Ｎ值与实际相差较大，而回转钻对粉细砂层原始状态的影响较小，获得的标贯Ｎ值与实际比较接近口］。因此试验中要控制好垂直度、锤击速率，并

根据建立的统计关系进行修正。通常根据砂土的标准贯入击数Ｎ值将其分为密实、中密、稍密和松散

四种状态［４－５］。可见在工程地质勘察中获得准确的标贯试验．Ｎ值，对工程具有极其重要的意义。

确定了砂土的密实度，就可以确定其承载力和

压缩模量等指标，为工程设计提供依据。由于每一种测定方法都有其适用性，使得测定结果往往有比

较大的差异，显然这种差异与实验（试验）方法、手段

和实验（试验）条件有关，有关这方面的研究已有一些成果，在此不作细述。那么，砂土的成因以及埋藏条件、地下水等因素对砂土的密实度又有何影响呢？

下面将着重讨论。

２砂土的成因及埋藏条件对砂土密实度的影响

埋藏于地层中的砂土形成都有一段时间，在漫长

的地质年代中，成土时间对土的固结程度、密度和结

构特性都有很大影响，同一时代的土特性相近，不同时代的土一般有较大差别。天然状态的砂土大多是流水作用的沉积物，具有透水性强、压密快和内摩擦

角较大的特点。因砂土系单粒结构，在长期的有效自

重应力作用下，砂土被逐渐压密。一般沉积时间早、埋深大的，所受土的自重应力就大，则砂土强度高，密实度好；反之则低。故浅层砂土的密实度以松散一稍

万方数据

密居多，由浅至深，砂土的密实度从松散过渡为中密，最后到密实状态。当其处于地下水位之下和埋深小

于１５ｍ时，可能因强震或机械震动而引起砂土液化。

３振动荷载对砂土密实度的影响

众所周知，振动可以使砂土变得密实，使砂土的

密实度提高。那么在漫长的地质年代中，各种动荷载包括人为振动和地震都可能对砂土的密实度造成影

响。其中历史地震作用对砂土密实度的影响更显著，

它使砂土密实度提高，粒间结构变得更加稳定，美国

学者在振动台上的模拟试验证实了这一点［６］。当然，

强震或机械震动也会引起砂土液化，降低其密实度。

所谓砂土的液化是指在地震循环剪切作用下，土中孑Ｌ

隙水压力（“）逐渐升高，直至盯一“时，且当砂土ｆ值为０时，则ｒ＝０，此时砂土即发生“液化”。我国抗震

规范中所说的“砂土液化”是指地震时地面出现喷砂、冒水现象才定为“液化”［７］。因为只有喷砂、冒水（地下发生水土流失）才会使地基失效。规范中各种判别标准的数据来源其实都是“喷砂、冒水场地”或“未喷砂冒水场地”取得的。由此才有“上覆非液化土层厚

度”和“地下水位深度”对液化（喷砂冒水）的抑制作

用。近年来，有学者提出了以地貌单元（成因类型），地层年代、地震烈度这三大要素组合进行判别的“砂土液化的工程地质判别法”［６］。但应注意以下几个

问题。

１）“液化点”问题

很多勘察报告都出现过“液化点”之说，往往因所谓“液化点”存在而将本不液化的砂层判为“轻微液化”，这样一判，就可能增加设计麻烦，使工程造价增加。其实所谓“液化点”就是标贯击数Ｎ的低值异常点。这种点往往是因砂土中有粘性土夹层（团块）或粉土夹层，或因试验操作不当造成的，应当删除。要注意：砂土液化判别本来是对“层”的判别，而非“点”的判别，是统计概念，不是由个别点而决定的。

２）薄层粉土、粉质粘土与砂层互层的判别问题二元结构冲积层往往在上部粘性土与下部砂砾石层之间存在过渡层，即粉、细砂层与粉土或粉质粘土互层。在这种频繁变化的互层中进行标贯试验，很难取得纯砂层标贯击数Ｎ的准确数据，数值普遍偏小。如何对待这种问题呢？一是在每次标贯后认真辨别标贯器中的土是否纯砂土，不是砂土的Ｎ值应该剔除。二是应测定粉、细砂层中的粘粒含量。多数情况下，这种互层土中的砂土或粉土都不液化，因为其中的粘性土夹层对砂土液化有抑制作用（即对砂土的流动具有阻隔作用）。实验证明：

孔祥国：砂土密实度的成因分析及其评价方法的探讨

２９１

粉细砂土中粘粒的含量是影响其液化的重要因素。当粉土中粘粒含量为９％左右时其抗液化强度最低；粘粒含量小于９％，土中粘粒主要起润滑作用；粘粒含量大于９％，粉粒被大量的粘粒层包围，这些粘粒不但胶结粉粒，而且自身也在固结，随着粘粒含量增加，粘粒对粉粒的胶结和自身结构的调整作用不断增强，主要起稳定、镶嵌作用陪９｜。也就是说，随着牯粒含量的增加，所含粘粒的作用由起润滑作用变为起密实、镶嵌作用，其抗液化能力随粘粒含量的增加而提高。

４地下水对砂土密实度的影响

地下水的影响会使标贯实测值偏小，关于这一

点早已为人们所接受［１０｜。其原因很简单，主要是地下水的“润滑”作用减小了标贯器与砂土之间的摩擦，从而使得标贯击数减小了。在饱和砂土中，标贯击数应考虑杆长和地下水的影响，但我国目前尚未见有成熟的地下水校正方法。通常情况下，随着砂土厚度的增加，埋深加大，形成时间增长，砂土的标贯实测Ｎ值将变大，砂土密实度则由松散、稍密逐渐过度到中密，最后达到密实状态。究其原因，是因为随着深度的增加，土中有效自重应力增大；时间加长，土固结更充分，从而使砂土越来越密实，密实度提高。但也有一些反常情况，需要引起重视。例如，在长江流域荆江河段两岸的阶地上，表层厚度不一的隔水层下埋藏着厚度较大的砂土层，该砂土层中的承压水主要接受远源大气降水的侧向迳流补给和长江水的侧向补给，迳流条件下部优于上部，并以地下迳流和人工开采为主要排泄方式。在该区域，经

常会见到形成时间较久且埋藏厚度较大（达２０多

米）的砂土仍处于中密状态，这又是何故呢？经过分析发现，这与承压水的分布及压力大小有关。该区域承压水位不高且较稳定，一般在场地地表附近，与长江水位有较大关联。由于埋藏在地下的砂土长期处在承压水的作用之下，砂土上覆隔水层的土压力与承压水压力相互抵消或部分抵消，致使向下传递的有效自重应力比潜水作用（假定）情况下减小了很多，减小幅度与承压水的承压力有关，见图１和图２。图中第①层土为隔水层，主要是粘性土，厚度一般为３－＂－－８ｍ，现以ｙ。、＾。表示该层土的天然重度和厚度；第②层土为含水层，主要是砂土，该层土很厚，一般在２０ｍ以上，分布其间的承压水水头在地表附

近，图中分别以ｙ’ｚ、＾、Ｊｌｌ。表示该层土的有效重度、

厚度及承压水水头高度。

从图中可以看出：

万方数据

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图ｌ地下水为潜水时土中有效自重应力分布

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图２地下水为承压水时土中有效自重应力分布

地下水为潜水时，第②层土底部的有效自重应力为ｙｌ＾ｌ－Ｉ－；Ｖ’２＾２；

地下水为承压水时，第②层土底部的有效自重应力为ｙ１Ｊｌｌｌ－Ｉ－），７２＾２一ｙｗ＾。。

比较两种情况下土中有效自重应力的分布情

况，不难看出：在不考虑其它荷载作用的情况下，地

下水为承压水时作用于砂土上的有效自重应力比潜水状态下始终小ｙｗＪＩｌ。，即承压水的承压力。因此，砂土虽然形成时间较长，埋藏深度大，但由于作用在

其上的有效自重应力并不大，致使固结度不高，密实

度自然就没有想象的好了。显然，如果承压水的压力足够大，隔水层及其上覆的土压力就不能有效地向下传递，砂土密实度的反常现象就越明显，关于这

一点需引起大家的足够重视。５结论

通过对砂土密实度的评价方法和影响因素分

析，得出如下结论：

１）评价砂土密实度的方法虽然很多，但所得结果可能不一致，工程中要运用理论知识，分辨各种评价方法的适用条件以及其优缺点，得出合理的结论。

２）砂土的成因以及埋藏条件对砂土的密实度

（下转第３１１页）

罗会等：运用Ｅｘｃｅｌ和ＡｕｔｏＣＡＤ联合绘制土工试验曲线

３１１

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＝３２．２％

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图１示例

３结论

１）用Ｅｘｃｅｌ和ＡｕｔｏＣＡＤ联合绘制双对数函数

参考文献

［１３王成春，萧雅云．Ｅｘｃｅｌ函数应用秘笈［Ｍ］．北京：中

国铁道出版社，２００４．

［２］ＪＴＧＥ４０一２００７公路土工试验规程［ｓ］．

［３］邱章云．应用Ｅｘｃｅｌ编制ＡｕｔｏＣＡＤ脚本文件实现批

量展点绘图口］．矿山测量，２００５（３）：５２—５４．

图形，使人们从手工绘图中解放出来，同时既能充分

发挥Ｅｘｃｅｌ数据处理准确性的优势，又能体现Ａｕ－

ｔｏＣＡＤ绘制图形规范性、美观性的特长，因此是一

种非常方便、实用的方法。

２）由于Ｑｍ在绘图上的优势，且自动生成脚本

文件，可以通过Ｅｘｃｅｌ或其它的软件制作ＣＡＤ的脚

步文件，在ＣＡＤ下运行，能收到事半功倍的效果。

（上接第２９１页）

有很大影响。一般沉积时间早、埋深大的，所受土的自重应力就大，则砂土强度高，密实度好。

［

３］

收稿日期：２００８－０８－１１

［Ｊ］．福建建筑高等专科学校学报，２０００，２（２）：２５－２６．徐小明，张喜平．钻探方法对粉细砂标贯试验值的影响口］．港工技术：５８—５９．

［４］

王奎华．岩土工程勘察［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００５：１０６－１１３．

５

ＧＢ

３）地震作用对砂土密实度的影响非常显著，它使

砂土密实度提高。但强震或机械震动会引起砂土液化。

工程中要正确理解规范关于“砂土液化”的定义，建议采用“砂土液化的工程地质判别法”，注意“液化点”问题和薄层粉土、粉质粘土与砂层互层的判别问题。

４）地下水的影响会使标贯实测值偏小。在工

程中要注意不同类型的地下水对砂土密实度的影响

［［

６］］

５００２１－－２００１岩土工程勘察规范［Ｓ］．

范士凯，粟怡然．砂土液化的工程地质判别法口］．资源环境与工程，２００６，２０（Ｂ１１）：５９５—６００．

７ＧＢ

５００１１－－２００１建筑抗震设计规范［ｓ］．

［［８］］李立云，崔杰，等．饱和粉土振动液化分析ＥＪ］．岩土力学，２００５，ｉ０（１０）：１６６３－１６６６．

是不同的，问题的实质是要看它们对有效自重应力

的影响。承压水的承压力会改变土中有效自重应力的分布，导致砂土密实度异常，应引起重视。

参考文献

［１］张克恭，刘松玉，等．土力学［Ｍ］．北京：中国建筑工业

出版社，２００５：４１－８２．

［２］黄常艳．影响砂土最大、最ｄｑＬ隙比测值的因素探讨

［Ｋ］［

９］

朱建群．含细粒砂土的强度特征与稳态性状研究［Ｄ］．武汉：中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所），２００７：２４－４６．

卢进林．饱和砂土中地下水对标贯击数影响的校正方法ＦＪ］．广西地质，１９９９，１２（１）：３７—４０．

收稿日期：２００８－０８—２５

万方数据

砂土密实度的成因分析及其评价方法的探讨

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

孔祥国， Kong Xiangguo

长江大学城市建设学院,湖北荆州,434023岩土工程技术

GEOTECHNICAL ENGINEERING TECHNIQUE2008，22(6)0次

参考文献(10条)

1.张克恭.刘松玉 土力学 2005

2.黄常艳 影响砂土最大、最小孔隙比测值的因素探讨 2000(02)3.徐小明.张喜平 钻探方法对粉细砂标贯试验值的影响4.王奎华 岩土工程勘察 20055.GB 50021-2001.岩土工程勘察规范

6.范士凯.粟怡然 砂土液化的工程地质判别法[期刊论文]-资源环境与工程 2006(B11)7.GB 50011-2001.建筑抗震设计规范

8.李立云.崔杰 饱和粉土振动液化分析[期刊论文]-岩土力学 2005(10)9.朱建群 含细粒砂土的强度特征与稳态性状研究 2007

10.卢进林 饱和砂土中地下水对标贯击数影响的校正方法[期刊论文]-广西地质 1999(01)

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研究发现排水条件不影响稳态线的形状和位置，而初始相对密实度则影响e-1gσ′3平面内稳态线的位置，初始相对密实度越高则稳态线的位置越低。均匀程度相近的粉煤灰，其平均粒径对稳态线也有明显影响，平均粒径越小稳态线位置越低。本文还发现，对于CU试验来讲，如果试样轴向应变发展到某一水平后，孔隙水压力就不再发生变化，那么同时有效围压将保持常量，于是无论是否能在试验中观察到稳态变形，都可以绘制出e-lgσ′3平面内唯一的稳态线。对于粉煤灰试样CD试验则通常都出现了较明显的稳态变形状态。

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6.学位论文 丁佩明 砂土中静压式模型桩沉桩试验及考虑挤密效应的桩土共同作用分析 1998

该文首先回顾了打入式桩沉桩效应的理论、计算和试验方法的研究现状,确定该课题的研究重点是沉桩对土体的挤密效应,挤密造成土体性质的改变以及这些因素对桩基轴向工作性状的影响.其次,根据所观测的砂土中静压模型桩贯入试验引起的土体位移规律,得到桩周土的挤密范围和相对密实度的改变;做变相对密实度的砂土CD试验,求出土体计算参数的变化情况.最后,进行桩土共同作用有限元分析,包括考虑挤密效应(即采用土体加密后改变的计算参数)及不考虑挤密效应(即采用初始状态的参数);并与模型桩静载结果比较,得到了合理的结论.

7.期刊论文 马扬前.吕建兵.刘仰韶.Ma Yangqian.Lu Jianbing.Liu Yangshao 静力触探检测桥涵台背回填中粗砂的应用研究 -路基工程2006,""(4)

在模型试验及相似分析的基础上,建立能将模型试验结果运用于现场的静力触探的锥端阻力与中粗砂的相对密实度之间的修正关系式,提出了用静力触探检测公路桥涵台背回填中粗砂相对密实度的试验方法,该方法可为今后类似的工程处理借鉴.

8.期刊论文 田卿燕.吕建兵.刘仰韶.TIAN Qing-yan.LV Jian-bing.LIU Yang-shao 静力触探检测公路桥涵台背回填中粗砾砂的试验研究 -铁道科学与工程学报2005,2(3)

在模型试验的基础上,建立了静力触探的锥尖阻力与公路桥涵台背回填中粗砾砂的相对密实度的经验公式.通过现场试验,结合分析前人的研究成果,论证了用静力触探的锥尖阻力Qc来评价台背回填砂的相对密实度是可行的.

9.期刊论文 王新志.汪稔.孟庆山.刘晓鹏.WANG Xin-zhi.WANG Ren.MENG Qin-shan.LIU Xiao-peng 钙质砂室内载荷试验研究 -岩土力学2009,30(1)

为保护和开发海洋资源,在珊瑚礁上进行工程建设时必须要查明岛礁上钙质砂地基的承载力和变形特性.室内载荷试验的结果表明,相同密实度的钙质砂具有比石英砂大得多的承载力和变形模量,变形量则小得多;钙质砂的承载力随着相对密实度的增大而增大,破坏时的变形量显著减小;相同密实度下饱和钙质砂比干燥钙质砂的承载力和变形模量低很多.钙质砂地基中土压力随深度急剧衰减,荷载的有效影响深度为2～3倍基础宽度;随着荷载的增大,土压力从表层逐渐传递到更深的土层.

10.学位论文 周云东 地震液化引起的地面大变形试验研究 2003

饱水砂土地震液化引起的地面大变形会对液化区的各种结构产生灾难性的破坏,在过去的几次大地震中均发现有因地面大变形而导致的破坏现象,但目前对该问题的研究较为欠缺,有关饱水砂土液化问题现有的研究基本都局限在初始液化之前,在饱水砂土地震液化的影响因素、产生的机理及条件、液化势的判别等方面积累了大量的研究成果,而液化后问题的研究才处于起步阶段.该文结合国家自然科学基金"地震液化引起的地面大位移研究

"(No.59809004)对饱水砂土液化后的相关问题进行了研究.主要工作内容如下:参与研制了振动扭剪全自动多功能三轴仪,并利用其独特试验功能设计了一套饱水砂土液化后特性的试验方法,试验过程中模拟地震作用的动加载过程及模拟大变形发生的静加载过程均采用应力控制的方式进行,试验方法路现场条件更为接近并用该试验方法对相对密实度、固结压力、液化度等对液化后变形特性的影响进行了研究.采用常规动三轴试验对饱水砂土动加载后的再固结体变特性及其相对密实度、动荷载波形等影响因素进行了试验研究,重点对初始有效固结压力对再固结体变的影响进行了研究,研究发现动荷载波形及频率不会对土体的再固结体变特性构成影响,在动荷载使得土体达到初始液化之前固结压力对再固结体变的影响也较小,而当土体达到初始液化之后,固结压力对再固结体变的影响不可忽略,根据大量有关固结压力影响的试验结果提出了一个可考虑初始有效固结压力、相对密实度、液化度等影响的再固结体变计算公式.根据动加载液化后静扭剪时试样将在近乎为零的有效应力下发生大的应变,以及液化后再固结时体变的绝大部分都发生于有效应力近似为零的阶段的试验现象,对饱水砂土液化后大变形机理进行了分析,提出了大变形的机理,指出动加载使得饱水砂土颗粒趋于紧密,土体中的水体有被压缩的趋势以及液化后砂土的剪胀特性是造成液化后特殊应力应变关系的根本原因,其中动加载导致的土体体变势反映了水体的压缩程度,可由再固结规律来描述,砂土液化后的剪胀特性对于一定颗粒特征及相对密实度的土体而言可以认为是维持不变的.

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