靜力觸探工作原理及其在上海軟土地區(qū)工程勘察中的應(yīng)用

王慶磊

［上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092］

0 引 言

靜力觸探作為一種輕便、高效、快速的原位測(cè)試手段，在巖土工程勘察、施工檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。靜力觸探是通過壓力裝置將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的金屬探頭均勻壓入土層中，并結(jié)合探頭傳感器，將土層阻力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再由儀表測(cè)量出來，具有測(cè)量精確度高、方便快捷、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)普遍采用的靜力觸探儀探頭有3 種：?jiǎn)螛蛱筋^、雙橋探頭和孔壓觸探頭。

在巖土工程勘察中，靜力觸探主要適用于軟土、黏性土、粉土、砂類土及少量碎石的土層，常用來劃分土層、地基設(shè)計(jì)、粉土及砂土的液化判別等[2]。

1 靜力觸探測(cè)試技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展

1.1 國(guó)外靜力觸探研究發(fā)展現(xiàn)狀

靜力觸探測(cè)試技術(shù)在國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀見表1。

表1 靜力觸探測(cè)試技術(shù)在國(guó)外發(fā)展情況[3]

1.2 國(guó)內(nèi)靜力觸探研究發(fā)展現(xiàn)狀

靜力觸探測(cè)試技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀見表2。

表2 靜力觸探測(cè)試技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展情況[4]

2 上海地區(qū)工程地質(zhì)情況

靜力觸探成果在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，如對(duì)土層進(jìn)行土類判別和力學(xué)分層，評(píng)定土體力學(xué)特性，確定地基土的承載力、土體液化判別等，且都取得了滿意的結(jié)果。近年來靜力觸探技術(shù)在上海地區(qū)的工程應(yīng)用中取得了顯著成果，特別是在利用地區(qū)經(jīng)驗(yàn)估算土的強(qiáng)度參數(shù)、判定飽和砂土和粉土的地震液化趨勢(shì)以及施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)等方面。

上海地區(qū)埋深50 m 以內(nèi)的淺砂土、粉土以砂質(zhì)粉土、粉砂為主。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(duì)于飽和軟土中深基坑及隧道施工土體強(qiáng)度的測(cè)定，特別是黏土、粉質(zhì)黏土和粉砂的抗剪強(qiáng)度測(cè)定，具有很強(qiáng)的工程實(shí)際指導(dǎo)價(jià)值。然而，由于施工過程中難以直接測(cè)定飽和黏土的孔隙水壓力，常常需要借助室內(nèi)試驗(yàn)或原位測(cè)試技術(shù)來測(cè)定土體的強(qiáng)度。

上海市《巖土工程勘察規(guī)范》（DG J08-37—2012）按照地貌形態(tài)、時(shí)代成因、沉積環(huán)境和組成物質(zhì)等方面的差異，將境內(nèi)地貌分為：湖沼平原，濱海平原，河口（砂嘴、砂島），潮坪地帶，剝蝕殘丘五大類型。總體而言，上海地區(qū)地基土主要以軟土地層為主。

3 靜力觸探測(cè)試技術(shù)在上海地區(qū)的應(yīng)用

3.1 土層及土類的劃分

單橋靜力觸探數(shù)據(jù)成果只能應(yīng)用于力學(xué)土層的劃分，若要進(jìn)行常規(guī)巖土工程分層常結(jié)合鉆探孔取樣進(jìn)行；雙橋靜力觸探的測(cè)試成果可直接用于劃分土層及土的類別。

3.2 確定地基承載力

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)規(guī)定地基承載力特征值可由荷載試驗(yàn)或其他原位測(cè)試、公式計(jì)算并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等方法進(jìn)行綜合確定。

3.3 確定單樁極限承載力

依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）規(guī)定，當(dāng)根據(jù)單橋探頭靜力觸探資料確定混凝土預(yù)制樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，如無當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，可按下列公式計(jì)算：

式中：Quk為單樁豎向承載力特征值，kN；Qsk為單樁總極限側(cè)阻力，kN；Qpk為總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；u 為樁身周長(zhǎng)，m；qsik為用靜力觸探比貫入阻力值估算的樁周第i 層土的極限側(cè)阻力，kPa；li為樁身長(zhǎng)度，m；psk為樁端附近的靜力觸探比貫入阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；Ap為樁端面積，m2。

qsk-ps曲線如圖1 所示。圖1 中：直線（線段gh）適用于地表下6 m 范圍內(nèi)的土層；折線（線段oabc）適用于粉土及沙土土層以上（或無粉土及沙土土層地區(qū)）的黏性土；折線（線段odef）適用于粉土及沙土土層以下的黏性土；折線（線段oef）適用于粉土、粉沙、細(xì)沙及中砂。

當(dāng)根據(jù)雙橋探頭靜力觸探資料確定混凝土預(yù)制樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，對(duì)于黏性土、粉土和砂土，如無當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時(shí)可按下式計(jì)算：

圖1 qs k-ps 曲線

式中：fsi為第i 層土的探頭平均側(cè)阻力，kPa；qc為樁端平面上、下探頭阻力，kPa。

3.4 判斷地基土液化可能性

上海市《巖土工程勘察規(guī)范》（DG J08-37—2012）規(guī)定，抗震設(shè)防烈度為7 度的建筑場(chǎng)地，當(dāng)?shù)孛嬉韵?0 m 深度范圍內(nèi)存在飽和砂土或砂質(zhì)粉土?xí)r，應(yīng)判定該土層地震液化的可能性，并確定整個(gè)地基的液化等級(jí)，用于液化判別的靜力觸探試驗(yàn)孔，每個(gè)場(chǎng)地不應(yīng)少于3 個(gè)。

當(dāng)單橋探頭實(shí)測(cè)比貫入阻力ps小于臨界比貫入阻力pscr或雙橋探頭實(shí)測(cè)錐尖阻力qc小于臨界錐尖阻力qccr時(shí)，應(yīng)判為可液化土[5-6]。

式中：ps0、qc0分別為液化臨界比貫入阻力基準(zhǔn)值和臨界錐尖阻力基準(zhǔn)值，MPa，可分別取2.6 MPa 和2.35 MPa；ds為靜力觸探試驗(yàn)點(diǎn)深度，m；a、b 為系數(shù)，分別取1.0 和0.75。

3.5 測(cè)定地基土的物理力學(xué)參數(shù)

依據(jù)上海市《靜力觸探技術(shù)規(guī)程》（DG/T J08-2189—2015），對(duì)地基土的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。

3.5.1 黏性土常用物理性指標(biāo)

當(dāng)缺乏鉆探取樣試驗(yàn)指標(biāo)時(shí)[7]，可采用靜力觸探試驗(yàn)成果對(duì)黏性土的物理性指標(biāo)進(jìn)行估算，結(jié)果見表3。

3.5.2 軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度cu

cu的計(jì)算式為：

式中：Nk為錐頭承載力系數(shù)，由經(jīng)驗(yàn)取得，一般Nk=15～25，對(duì)于大多數(shù)軟黏性土，可取Nk=20。

3.5.3 砂土密實(shí)度及基床系數(shù)[8]

通過單橋靜力觸探試驗(yàn)得到的砂土密實(shí)度、砂土和黏性土的基床系數(shù)k 及其比例系數(shù)m 見表4、表5。

表3 采用靜力觸探試驗(yàn)成果估算的黏性土常用物理性指標(biāo)

表4 通過單橋靜力觸探試驗(yàn)確定砂土密實(shí)度、基床系數(shù)及比例系數(shù)

表5 通過單橋靜力觸探試驗(yàn)確定黏性土基床系數(shù)及比例系數(shù)

4 結(jié) 語

（1）靜力觸探作為一種輕便、快速、高效的原位測(cè)試手段，可以劃分土層界面、土類定名、確定地基承載力和單樁極限承載力、判定地基土液化可能性及測(cè)定地基土的物理力學(xué)參數(shù)等，在上海軟土地區(qū)工程勘察中應(yīng)適當(dāng)予以考慮。

（2）進(jìn)行巖土工程勘察時(shí)，應(yīng)用靜力觸探技術(shù)時(shí)應(yīng)注意與其他測(cè)試手段綜合運(yùn)用，注意經(jīng)驗(yàn)的獲取和積累，從而提高靜力觸探的測(cè)試精度。

（3)由于不同地區(qū)土層在成因類型、沉積條件、年代等方面的差異性, 決定了不同地區(qū)土的力學(xué)性質(zhì)的獨(dú)特性。故在靜力觸探成果的應(yīng)用方面, 不同地區(qū)應(yīng)綜合各種勘察手段建立適合本地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)公式, 使靜力觸探在巖土工程勘察中發(fā)揮更大的作用。