靜力觸探在廣西花崗巖地區(qū)溝谷相軟土的試驗研究與應(yīng)用

劉先林，米德才

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，廣西 南寧 530029)

靜力觸探在廣西花崗巖地區(qū)溝谷相軟土的試驗研究與應(yīng)用

劉先林，米德才

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，廣西 南寧 530029)

文章以廣西貴港至合浦高速公路項目為依托，開展了花崗巖溝谷相軟土的靜力觸探試驗工作，重點研究了靜力觸探在劃分土層類別、估算地基承載力、不排水抗剪強度、土層變形指標(biāo)、天然重度和判定塑性狀態(tài)等方面的應(yīng)用，總結(jié)和篩選了適用于該高速公路軟基的觸探經(jīng)驗公式，并基于現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，得出花崗巖地區(qū)典型溝谷相軟土地層和水泥攪拌樁復(fù)合地基的承載力特征值，與現(xiàn)場荷載試驗結(jié)果較為一致，同時通過對試驗數(shù)據(jù)的線性回歸分析，歸納了該地區(qū)的靜力觸探經(jīng)驗公式，可為類似工程提供參考。

花崗巖溝谷相軟土；靜力觸探試驗；地基承載力；經(jīng)驗公式；軟基勘察；試驗研究

0 引言

靜力觸探兼?zhèn)淇碧胶蜏y試的雙重功能，與常規(guī)軟基勘察方法鉆探、取樣、室內(nèi)試驗相比，具有操作省力、數(shù)據(jù)連續(xù)、指標(biāo)可靠等優(yōu)點，特別是針對地層變化較大的復(fù)雜場地，以及不易采取原狀土樣的流塑～軟塑狀淤泥、淤泥質(zhì)粘土和飽和松散砂土地層的勘察，更具有獨特的優(yōu)勢，能在原位狀態(tài)下較好地反映軟土豎直剖面方向上的物理力學(xué)性質(zhì)及其變化規(guī)律，避免了軟土在取樣、運輸、制樣過程中的擾動和含水量減少[4][9]。

靜力觸探作為一種原位測試手段，在我國江蘇、浙江、上海、廣東等省份具有較為成熟的經(jīng)驗，但在廣西公路勘察中卻應(yīng)用極少。筆者利用從事貴港至合浦高速公路施工后期服務(wù)的機會，結(jié)合軟基施工中所遇到的問題和“廣西公路軟土處治技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究”課題，開展了典型軟土地基的靜力觸探補充試驗工作，較為深入地查明了沿線軟土的特性，為軟土施工動態(tài)優(yōu)化設(shè)計提供可靠依據(jù)，取得了良好的效果，值得廣西在后續(xù)高速公路軟土地基勘察、設(shè)計、施工和檢測中廣泛推廣應(yīng)用。

1 基本原理與方法

靜力觸探試驗的工作原理是用加壓裝置將觸探頭以一定的速率壓入土體中，由于土層具有阻力，使探頭受到一定的壓力，利用探頭中的阻力傳感器，將土層的阻力轉(zhuǎn)換為電信號，然后由儀表記錄下來，因貫入阻力的大小與土層的性質(zhì)有關(guān)，故通過貫入阻力即可了解土層的地質(zhì)特性[7]。該方法適用于軟土、粉土、砂土和含少量角礫或碎石的土層，按探頭類型可分為單橋、雙橋和帶孔壓的三種靜力觸探，主要相關(guān)設(shè)備包括加壓裝置(手搖式、齒輪機械式或液壓式)、反力裝置(地錨、堆重或車輛荷載)、記錄儀(電阻應(yīng)變儀、靜探微機或自動記錄儀)，以及與探頭連接的探桿和電纜線[5]。

貴港至合浦高速公路軟土補充勘察主要采用單橋和雙橋探頭，具體規(guī)格見表1。

靜力觸探用途廣泛，可根據(jù)觸探數(shù)據(jù)劃分土層類別，估算地基承載力、預(yù)制樁單樁承載力、軟土不排水抗剪強度、土層變形指標(biāo)、飽和粘性土天然重度、砂土內(nèi)摩擦角，判斷粘性土塑性狀態(tài)、砂土密實程度和砂土液化等方面。

表1 試驗探頭規(guī)格表

2 工程概況

貴港至合浦高速公路為廣西“四縱六橫三支線”高速公路網(wǎng)中“縱三”線三江至北海公路的主要構(gòu)成路段，是黔、湘、桂重要的出海通道。路線全長約143.182 km，為雙向四車道高速，設(shè)計速度120 km/h，路基寬度為28 m。線路主要途經(jīng)花崗巖區(qū)域，沿線發(fā)育十分典型的花崗巖溝谷相軟土，具有軟土范圍廣、厚度大、物理力學(xué)性質(zhì)差等特點，主要分布于山間溝谷或沖溝等負(fù)地形，由于地勢低洼，地下水豐富，致使土質(zhì)因長期受水浸泡而軟化，并伴隨著有機物的淤積而形成。該項目軟基前期勘察以鉆探、麻花鉆、輕型觸探、標(biāo)貫等手段為主，每一溝槽均有控制點，其中K0+000～K92+642段軟基勘察工作量詳見表2[1]。

表2 軟基前期勘察工作量表

沿線軟土類型以飽和淤泥、淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)砂土等，一般呈流塑～軟塑狀，厚度為2～6 m，局部達(dá)8 m。軟土地基處治方案為清淤換填和水泥攪拌樁復(fù)合地基，其中清淤換填路段長約45.8 km，攪拌樁路段長約7.6 km，樁數(shù)約287 055根，樁長1 607 682 m，平均樁長約5.6 m。利用前期勘察與室內(nèi)試驗資料，對照《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T D31-02-2013)表3.1.5整理出貴合高速軟土的軟土鑒別指標(biāo)如表3所示[6]。

表3 軟土鑒別(特性)指標(biāo)表

從表2可知，軟土前期勘察做了大量的工作，但軟土取樣數(shù)量偏少，這說明軟土取樣條件差，大部分軟土取不了原狀土樣；表3反映出場地軟土各項指標(biāo)變形范圍較大，試驗結(jié)果具有一定的離散性；同時，在不具備取樣條件的位置，雖進(jìn)行了大量的標(biāo)貫試驗，但標(biāo)貫擊數(shù)多在1～5之間，不足夠以精確地判斷軟土的特性，這也反映出常規(guī)軟土勘察方法存在的弊端。

3 靜力觸探成果應(yīng)用與分析

3.1 靜力觸探與相關(guān)工作情況

為深入研究分析軟土的特性和力學(xué)指標(biāo)，確保貴合路軟土處治質(zhì)量，課題組選擇了14段重點典型軟土補充了靜力觸探和十字板剪切試驗，科研路段還增加了鉆探取樣工作，靜探進(jìn)尺約420 m，十字板剪切約42組。實踐證明，靜力觸探配合十字板剪切、鉆探、標(biāo)貫、取樣使用的方法效果良好，相對于常規(guī)鉆探勘察提供了更為準(zhǔn)確的設(shè)計參數(shù)，使軟土設(shè)計更加精細(xì)化和標(biāo)準(zhǔn)化。

3.2 靜力觸探劃分土類

靜力觸探貫入阻力是土層的綜合力學(xué)指標(biāo)，可利用單橋比貫入阻力或雙橋錐尖阻力隨深度變化對土層進(jìn)行力學(xué)分層和確定黏性土種類，具體詳見表4和圖1，分層時，應(yīng)考慮靜探曲線的形態(tài)變化，并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗和鉆探情況綜合劃分[2]。

表4 按貫入阻力分層或確定黏性土種類表

圖1 雙橋觸探參數(shù)劃分土類圖

通過對貴港至合浦高速公路沿線軟土靜力觸探曲線與前期勘察資料及施工揭示地質(zhì)情況的對比分析，發(fā)現(xiàn)不同軟土地層的靜探曲線形態(tài)具有如表5所示的特征和規(guī)律性，單橋比貫入阻力ps與雙橋錐尖阻力qc一般為1.0～1.5倍關(guān)系，粘性土的雙橋側(cè)壁阻力fs一般在錐尖阻力qc右側(cè)，砂性土的側(cè)壁阻力fs一般位于錐尖阻力qc左側(cè)，但土質(zhì)不均的復(fù)雜地層兩者多具有相互交錯現(xiàn)象。

表5 貴合路典型軟土層靜探曲線特征表

3.3 靜力觸探確定地基承載力

靜力觸探能較為客觀地反映地基土的承載力，是一種較好的確定地基承載力方法[7]。國內(nèi)外通常是根據(jù)靜探試驗與荷載試驗、室內(nèi)試驗、標(biāo)貫等對比分析試驗結(jié)果提出特定區(qū)域的經(jīng)驗公式，再利用經(jīng)驗公式確定地基承載力[4][5]，表6是經(jīng)過筆者篩選后基本適宜貴港至合浦高速公路軟土的經(jīng)驗公式。

表6 靜力觸探承載力經(jīng)驗公式表

3.3.1 靜力觸探確定典型軟弱土層承載力

利用表6中經(jīng)驗公式對貴合路沿線軟土的靜力觸探數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納、整理與分析，即可得到典型軟弱土層的靜探參數(shù)和承載力范圍，總體表現(xiàn)為淤泥①和粘性土②規(guī)律性較好，而砂土層③和④由于分布不均勻，數(shù)據(jù)離散性相對較大，詳見表7所示。

3.3.2 靜力觸探估算復(fù)合地基承載力

(1)靜探試驗條件

K71+520～K71+660段為水田，據(jù)鉆探揭示，上層為灰、暗灰色軟塑狀沖積淤泥質(zhì)粘土或淤泥質(zhì)砂土，厚0.8～3.8m，其下為松散砂層，成分不均，局部夾薄層淤泥，軟土平均厚約5.6m，以下為可～硬塑狀砂質(zhì)粘土或全～強風(fēng)化花崗巖。

(2)估算樁間土承載力

該段軟基處治方案為水泥攪拌樁，樁長6.5m，樁徑50cm，樁間距1.3m，為研究復(fù)合地基的加固效果，分別進(jìn)行了樁間土水泥攪拌樁加固前后的靜力觸探試驗，雙橋觸探曲線見下頁圖2，利用表6經(jīng)驗公式估算樁間土承載力如下頁表8所示。

表7 貴港至合浦高速公路軟土層靜探參數(shù)與承載力表

圖2 復(fù)合地基樁間土加固前后靜力觸探曲線圖

序號土層深度天然承載力(kPa)K71+580加固后承載力(kPa)K71+570K71+620100～10909589210～20577665320～30578590430～40789280540～50115142151

從表8可知，0～1.0m由于水泥攪拌樁施工鋪設(shè)了填土墊層，具有一定承載力，1.0～4.0m為主要軟土層，水泥攪拌樁施工后，樁間土承載力提高1.1～1.6倍，砂質(zhì)含量較高的地方承載力最明顯，可能為水泥漿沿含砂地層滲透所致。將表8的承載力試驗數(shù)據(jù)加權(quán)平均，即可得出樁間土天然承載力為79.4kPa，加固后承載力為96.5kPa，平均提高1.2倍。

(3)確定復(fù)合地基承載力

水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力一般通過現(xiàn)場單樁復(fù)合地基載荷試驗確定，根據(jù)設(shè)計文件，該段復(fù)合地基承載力設(shè)計值為150kPa，對應(yīng)極限荷載為300kPa。荷載試驗參照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2012)執(zhí)行，荷載點頻率為總樁數(shù)的0.2%，其中，K71+620處單樁復(fù)合地基荷載試驗Q-S曲線如圖3所示，取沉降板的沉降量S與直徑d的比值等于0.01所對應(yīng)的壓力為承載力特征值，實測復(fù)合地基承載力特征值≥150kPa。

圖3 K71+620復(fù)合地基荷載試驗Q-S曲線圖

同時，根據(jù)上述樁間土靜探試驗結(jié)果，復(fù)合地基的承載力特征值還可按公式(1)和(2)計算[10]：

(1)

Ra=ηfcuAp

(2)

式中，fspk——復(fù)合地基承載力特征值；m——面積轉(zhuǎn)換率；Ra——單樁豎向承載力特征值；Ap——樁的截面積；β——樁間土折減系數(shù)(取值0.9)；fsk——樁間土承載力特征值；fcu——水泥土試塊抗壓強度平均值；η——樁身強度折減系數(shù)(取值0.3)。

根據(jù)設(shè)計參數(shù)：樁直徑50cm，中間間距1.3m，即可計算得面積轉(zhuǎn)換率為13.5%，樁身混凝土抗壓強度fcu取2.0MPa(利用水泥攪拌現(xiàn)場抽芯和室內(nèi)抗壓強度結(jié)果)，由公式(2)得單樁承載力特征值為118kN，利用靜探試驗確定的表8數(shù)據(jù)加權(quán)平均可得加固后的樁間土承載力為96.5kPa，由公式(1)得復(fù)合地基承載力特征值為156.3kPa。

由此可見，只要樁身抗壓強度(現(xiàn)場抽芯試驗)、樁間土折減系數(shù)、樁身強度折減系數(shù)取值合理，單獨利用靜力觸探也可較為準(zhǔn)確地確定水泥攪拌樁的復(fù)合地基承載力特征值，而這些系數(shù)可以通過現(xiàn)場大量的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析出來。

3.4 靜力觸探確定不排水抗剪強度cu值

利用靜力觸探求飽和軟粘土的不排水綜合抗剪強度cu，目前主要是通過靜力觸探成果與十字板剪切成果對比，建立兩者間相互關(guān)系，以求得cu值，常用相關(guān)公式詳見表9[4]。

表9 軟土cu與ps、qc經(jīng)驗公式表

通過對貴港至合浦高速公路軟土靜力觸探和十字板剪切補勘數(shù)據(jù)分析，由于花崗巖溝谷相軟土成分復(fù)雜，不均勻，淤泥、淤泥質(zhì)粘土及細(xì)～中粗砂交錯出現(xiàn)，故大多軟土路段的十字板剪切強度較高，靜力觸探與十字板剪切數(shù)據(jù)相關(guān)性不明顯，僅局部土質(zhì)均勻的流～軟塑淤泥質(zhì)粘土兩者具有一定的相關(guān)性。

將土質(zhì)相對較均勻的軟土場地中篩選15組靜力觸探ps值與對應(yīng)深度的十字板剪切強度cu值進(jìn)行一元線性回歸分析，可得出關(guān)系圖見圖4。

圖4 cu與ps散點及關(guān)系曲線圖

通過圖4的線性回歸分析，利用最小二乘法原理，可得到貴港至合浦高速公路在均勻軟粘土的不排水抗剪強度與靜力觸探關(guān)系經(jīng)驗公式：

cu=93ps-3

(3)

式中，50kPa≤ps≤400kPa，統(tǒng)計分析的相關(guān)系數(shù)為0.86，當(dāng)cu≤10～15kPa時，公式(3)與表9中的經(jīng)驗公式計算結(jié)果較為一致，說明表9中的公式主要是根據(jù)極軟粘土試驗而得來。

3.5 靜力觸探確定土層變形指標(biāo)

根據(jù)靜力觸探成果數(shù)據(jù)，可利用表10中的經(jīng)驗公式確定土層的壓縮模量和變形模量等變形指標(biāo)參數(shù)，結(jié)合貴合高速軟土取樣室內(nèi)試驗結(jié)果，主要軟土層一般為1.67≤Es≤4.22[2-5]。

表10 土層Es、E0與ps經(jīng)驗公式表

注：Es為壓縮模量，E0為變形模量。

3.6 靜力觸探判定粘性土的塑性狀態(tài)

根據(jù)靜力觸探數(shù)據(jù)，結(jié)合軟土室內(nèi)試驗的液性指數(shù)參數(shù)，可利用表11中的經(jīng)驗公式劃分粘性土的塑性狀態(tài)[2-5]。

表11 比貫入阻力與粘性土塑性狀態(tài)關(guān)系表

注：Ps單位為MPa，IL為液性指數(shù)

從表11中可判斷貴合路軟土多呈流塑～軟塑狀，這與前期勘察成果資料一致。

3.7 靜力觸探估算飽和粘性土的天然重度

利用靜力觸探Ps值，結(jié)合貴合路的土質(zhì)情況，可初步估算飽和粘性土的天然重度，詳見表12[2-5]。

表12 比貫入阻力與飽和粘性土的天然重度關(guān)系表

4 結(jié)語

通過以上靜力觸探在貴合高速軟基中的試驗研究與應(yīng)用分析，可以得出以下幾點結(jié)論：

(1)靜力觸探是一種操作省力、試驗指標(biāo)可靠的原位測試方法，特別適用于軟土、粉土和砂土等地層，值得廣西公路勘察領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

(2)在前期軟土勘察基礎(chǔ)上，施工期間補充了大量的靜力觸探試驗工作，獲取了淤泥及含砂淤泥質(zhì)粘土的原位測試參數(shù)，解決了常規(guī)勘察方法取樣困難、擾動、試驗結(jié)果離散性大的問題，提供了更為準(zhǔn)確的設(shè)計參數(shù)。

(3)結(jié)合貴港至合浦高速公路軟基的實際情況，重點研究了靜力觸探在劃分土類、地基承載力、不排水抗剪強度、土層變形指標(biāo)、粘性土塑性狀態(tài)、天然重度等方面的應(yīng)用，為軟基施工動態(tài)優(yōu)化設(shè)計提供了直接依據(jù)，確保了工程建設(shè)質(zhì)量。

(4)總結(jié)和篩選了適用的靜力觸探相關(guān)經(jīng)驗公式，并基于現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，通過線性回歸分析，得出了貴港至合浦高速公路特有的靜力觸探關(guān)系式，可為后續(xù)類似工程提供參考。

(5)各經(jīng)驗公式均有一定的適用條件，故在工程應(yīng)用中，建議優(yōu)先采用適用當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗公式和經(jīng)驗表格，并結(jié)合鉆探、土層室內(nèi)試驗物理力學(xué)參數(shù)、十字板剪切、標(biāo)貫等指標(biāo)綜合考慮。同時，為進(jìn)一步完善靜力觸探地區(qū)經(jīng)驗公式，還應(yīng)繼續(xù)開展不同類型軟土的靜力觸探相關(guān)研究工作。

[1]廣西交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院.廣西貴港至合浦高速公路勘察設(shè)計文件[Z].2014.

[2]鐵道部第四勘察設(shè)計院，鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程[S].

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[5]林宗元.巖土工程試驗監(jiān)測手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

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[11]雷創(chuàng)鋒，趙 穎.單橋靜力觸探的常見問題處理[J].施工技術(shù)，2009(S1)：487-489.

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Experimental Research and Application of Static Sounding in Ditch-Valley Phase Soft Soil of Guangxi Granite Region

LIU Xian-lin，MI De-cai

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Based on Guangxi Guigang-Hepu Expressway project，this article carried out the static cone pene-tration test work for granite ditch-valley phase soft soils，focusing on the application of static sounding in soil type dividing，foundation bearing capacity estimate，undrained anti-shear strength，soil layer deformation index，natural density，plastic state determination and other aspects，it summarized and screened the empirical sounding formula applicable to the soft foundation of this expressway，and based on field test data，it ob-tained the bearing capacity eigenvalue of typical ditch-valley phase soft soil layer and cement mixing pile composite foundation in granite region，which are almost consistent with the field load test results，moreover，through linear regression analysis of test data，it summed up the static sounding empirical formula of this area，which can provide a reference for similar projects.

Granite Ditch-valley phase soft soil；Static sounding test；Foundation bearing capacity；Empirical formula；Soft foundation survey；Experimental study

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.002

1673-4874(2015)04-0005-06

2015-03-06

劉先林，工程師，主要從事公路勘察設(shè)計工作。

交通科技項目“廣西公路軟土地基處治技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究”(201402 03)