靜力觸探在上海地區(qū)的工程應用研究*

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

1 靜力觸探試驗簡介

巖土工程原位測試技術在工程建設中有著不可替代的作用，在探測地層分布、測定巖土特性、確定地基承載力等方面有著突出的優(yōu)點。其中，靜力觸探試驗（Cone Penetration Test，簡稱CPT）具有速度快、勞動強度低、清潔經(jīng)濟等優(yōu)點，而且可以連續(xù)獲得地層的強度和其他方面的信息，不受取樣擾動等人為因素的影響，是使用最廣泛和最成熟的原位土體測試技術之一[1]。

2 CPT在上海地區(qū)的工程應用

工程應用中確定土的工程性質(zhì)主要包括土體的強度、變形和滲流固結(jié)特性。CPT成果在工程中得到廣泛的應用，如對土層進行土類判別和力學分層，評定土體力學特性，確定地基土的承載力、土體液化判別等，都取得了滿意的結(jié)果。近年來靜力觸探技術在上海地區(qū)利用地區(qū)工程應用取得了顯著的成果，特別是在利用地區(qū)經(jīng)驗估算土的強度參數(shù)、判定飽和砂土和粉土的地震液化勢以及施工實時監(jiān)測評價等方面。

2.1 土體強度參數(shù)估算

上海地區(qū)埋深50 m以淺砂土、粉土主要有第④3層砂質(zhì)粉土、?2砂、粉性土層和⑧層粉砂，由于上海地下水位埋藏較淺，在基坑開挖和隧道施工過程中極易產(chǎn)生流砂、管涌、突涌等現(xiàn)象。因此，對于飽和軟土中深基坑及隧道施工土體強度的測定，特別是黏土、粉質(zhì)黏土和粉砂的抗剪強度測定，具有很強的工程實際指導價值。然而，由于施工過程中難以直接測定飽和黏土的孔隙水壓力，常常需要借助室內(nèi)試驗或原位測試技術來測定土體的強度。

CPT技術在技術層面上有以下優(yōu)點[2]：

1）試驗數(shù)據(jù)自動采集，精度高、穩(wěn)定性好、連續(xù)性強，能夠劃分出夾層或薄層；

2）試驗重現(xiàn)性好，具客觀性；

3）測試指標（比貫入阻力、錐頭阻力、側(cè)壁阻力等）直接與土的工程性質(zhì)相關聯(lián)，且不受取樣擾動等人為因素的影響。

正是由于CPT原位測試具有以上優(yōu)點，馬海鵬等[3]結(jié)合上海地區(qū)19 個工程共201 組數(shù)據(jù)，根據(jù)上海地層的空間分布，通過統(tǒng)計CPT比貫入阻力ps、不同土類室內(nèi)固結(jié)快剪試驗黏聚力cu和摩擦角φu、孔隙比e和塑性指數(shù)Ip沿土層深度的變化，得出上海地區(qū)不同土類，ps與土體抗剪強度Su相關關系不同，這主要是由土體的物理力學性質(zhì)及應力狀態(tài)決定的，在工程初步勘查階段，建議采用相關關系（單位均為MPa）：黏土為Su=0.065ps，粉質(zhì)黏土為Su=0.060ps，粉砂為Su=0.023ps。

2.2 飽和砂土、粉土的地震液化判別

在地震作用下飽和砂土或砂質(zhì)粉土往往會產(chǎn)生液化現(xiàn)象，造成重大地質(zhì)災害，危及建筑物安全。上海地區(qū)埋深20 m 以淺的砂土、粉土主要受地震液化影響的土層為④3層砂質(zhì)粉土。因此，上海市工程建設規(guī)范《巖土工程勘察規(guī)范》（以下簡稱規(guī)范）中強制條文規(guī)定：抗震設防烈度為Ⅶ度的建筑場地，當?shù)孛嬉韵?0 m深度范圍內(nèi)存在飽和砂土或砂質(zhì)粉土時，應判定該土層地震液化的可能性，并確定整個地基的液化等級。

規(guī)范中采用單橋CPT的比貫入阻力ps與小于臨界比貫入阻力pscr或雙橋CPT的實測錐尖阻力qc與小于臨界錐尖阻力qccr的關系進行判別，pscr與qccr采用以下兩式計算：

式中：ps0、qc0——分別為液化臨界比貫入阻力基準值和臨界錐尖阻力基準值（MPa），可分別取2.60 MPa和2.35 MPa；

ds—— 靜力觸探試驗點深度（m）；

dw——地下水位埋深（m）；

a、b—— 系數(shù)，分別取1.0和0.75；

ρc——黏粒含量百分率，小于3時取3。

當ps＜pscr或qc＜qccr時，判定土體液化。

文獻[4]通過對上海地區(qū)300余項工程的CPT試驗總結(jié)分析認為：砂質(zhì)粉土和黏質(zhì)粉土很難通過ps值區(qū)分，因為ps值不僅反映了土的密實度，還反映了土的結(jié)構性，不同類型的土可能有相同的ps值，反之相同的ps值，也可以代表著不同的土類；ps≤3.0 MPa時可判斷土層液化的概率很高；黏粒含量與ps值的關系有待進一步的研究。

文獻[5]中采用雙橋靜力觸探研究了上海地區(qū)薄層黏性土（或黏質(zhì)粉土）夾層對液化判別的影響。由于在夾層處錐尖阻力減小，摩阻比明顯增大，因而摩阻比的變化能較好地反映砂質(zhì)粉土或粉砂層中黏性土及黏質(zhì)粉土夾層分布。采用下式判別不液化土層：

式中：Rf——雙橋靜力觸探試驗摩阻比（%）。

同時，土層Rf與黏粒含量也具有較好的相關性。

2.3 施工實時監(jiān)測評價

上海地區(qū)土體具有含水量高、孔隙比大、強度低、壓縮性高、滲透性低以及觸變性等典型的軟土地區(qū)不良工程性質(zhì)。因而，在工程建設中發(fā)生砂、粉性土的流砂、軟土地基變形、基坑突涌水等的施工風險增大，同時也面臨因施工引起的變形、穩(wěn)定等環(huán)境擾動問題。因此，在工程建設過程中必須采取合理有效的監(jiān)測評價措施，動態(tài)評價工程活動自身安全性及其對環(huán)境擾動程度，從而保障工程建設順利安全進行，減輕以致避免擾動對環(huán)境產(chǎn)生危害。

室內(nèi)試驗和工程實踐表明：當土體受到擾動后，土體應力狀態(tài)和內(nèi)部結(jié)構將發(fā)生變化[6]。由于靜力觸探的貫入阻力不僅能夠反映土體的工程力學特性的變化，而且也反映了土體結(jié)構性的變化。因而，靜力觸探是一種有效的原位檢測技術。朱忠隆等[7]利用CPT監(jiān)測盾構推進動態(tài)施工過程中地層的變化，通過實測的P-s曲線換算成各層土體的壓縮模量，并作為評價指標，分析地層在施工過程中的變化規(guī)律，結(jié)果表明盾構推進引起一定范圍內(nèi)土體的結(jié)構性破壞，使得土體的變形評價指標（壓縮模量）發(fā)生變化，同時土體的強度指標c、φ值也相應地發(fā)生變化，由于試驗是隨著盾構推進施工動態(tài)地進行的，試驗包含了一種時間和空間的變化，能夠真實反映實際土層受擾動的動態(tài)變化，實現(xiàn)了對盾構推進過程中的實時監(jiān)測評價。此外，靜力觸探還成功應用于盾構推進過程中和沉樁瞬時孔隙水壓力監(jiān)測、測管幕箱涵頂進過程中迎土面的端阻力監(jiān)測以及機場跑道的固結(jié)系數(shù)監(jiān)測。

3 CPT技術未來發(fā)展的趨勢

1）CPT作為一種已經(jīng)成熟的應用技術，其實際價值應在于實際工程應用，CPT的發(fā)展在于地區(qū)實用經(jīng)驗的總結(jié)，也標志著CPT地區(qū)應用的成熟程度。

2）CPT不僅是一種測試技術，更應是一種與施工過程緊密結(jié)合的實時監(jiān)測評價手段，不應只局限于對土層的靜態(tài)研究，或土層初始與終了狀態(tài)的靜態(tài)對比，而應與施工過程緊密結(jié)合，通過CPT研究施工動態(tài)過程對土層的影響。

3）CPT的貫入機理較為復雜，貫入過程中土體既有壓縮，又有剪切，既有擠密，又有剪脹，既有固結(jié)，又有塑滑，任何單一的力學模型都無法描述這種過程。CPT的評價指標是多種力學作用的組合，其應用是經(jīng)驗關系的總結(jié)，而經(jīng)驗關系的總結(jié)依賴于海量數(shù)據(jù)的積累，因此要建立CPT海量數(shù)據(jù)庫和編制基于海量數(shù)據(jù)分析的高性能數(shù)據(jù)處理評價系統(tǒng)。