靜力觸探與扁鏟側脹試驗在工程勘察中的綜合應用

皇富強

（江蘇中煤地質工程研究院有限公司，江蘇 常州213000）

扁鏟側脹試驗與靜力觸探試驗作為巖土工程測試領域中重要的兩種原位測試方法， 在巖土工程勘察中得到廣泛的應用［1-3］。 扁鏟側脹試驗能夠提供土體橫向力學性能測試參數， 而靜力觸探試驗則可以提供土體垂向的力學性能測試參數， 綜合兩種測試手段應用于巖土工程勘察， 可以大幅度地提高所提供參數的可靠度， 降低單一方法所帶來的原理和設備產生的誤差， 同時把兩種測試方法所得的測試參數進行對比， 綜合考慮各種測試方法的局限性和優勢互補， 進而可為巖土參數的綜合分析提供更加合理的解決方案［4-5］。 另一方面，扁鏟側脹試驗和靜力觸探試驗都是對土層擾動較小的原位測試方法，能夠在原地較完整地保持土體的天然結構狀態、 天然含水率等原始特性， 降低了由于現場取樣和室內制樣產生的擾動對室內試驗結果的影響［5-6］，因此，可以利用兩者測試方法的優勢， 觀測分析兩種測試參數之間的相互變化規律， 為工程實際計算和參數的選取提供可靠依據。

本文結合武漢市軌道交通12號線工程勘察項目，綜合應用扁鏟測試和靜力觸探測試方法，獲取了大量的原位測試數據， 在綜合分析個參數的變化規律基礎上，分別對黏性土、粉土和砂土的剛度計算參數壓縮模量、強度計算參數不排水剪強度進行研究，研究成果可為類似工程提供基礎資料和參考借鑒。

1 測試方法和設備

扁鏟側脹試驗是利用貫入設備將鏟形探頭貫入預定深度的土體中，對鏟形探頭側壁安裝的60mm鋼薄膜進行施加氣壓，讀取鋼薄膜分別膨脹至0.05mm，1.10mm和恢復至0.05mm位置時的氣壓，進而利用理論和經驗公式計算相關物理力學參數。 測試設備采用意大利MARCHETTI FLAT DILATOMETER設備，如圖1。

圖1 扁鏟側脹試驗儀器

單橋靜力觸探（CPT）是我國特有的一種靜力觸探方法， 測試時靜力觸探探頭以一定的速率壓入土中，利用探頭內的力傳感器，通過電子量測器將探頭受到的貫入阻力記錄下來。 由于貫入阻力的大小與土層的性質有關，因此通過貫入阻力的變化情況，可以達到了解土層工程性質的目的。 測試設備采用WSY-B雙缸液壓靜力觸探機， 探頭直徑為10cm，貫入速度：0.9～1.2m/min，如圖2。

圖2 靜力觸探試驗設備

2 工程概況及地質條件

2.1 工程概況

武漢市軌道交通12號線為武漢市軌道交通中唯一的環線，聯通武漢三鎮；經由武昌火車站和漢口火車站并與十多條地鐵線路實現換乘。 12號線全線長度約為60.7km （地下線長約54.6km， 過渡段長約0.7km，高架線長約5.4km），共設車站36座，平均站間距約為1.69km。 本線兩次穿越長江，一次穿越漢江、沙湖和墨水湖。

本次勘察工作線路起點接后湖大道石橋站 （不含），沿后湖大道向東至中一路站后折向東南，穿國際百納小區、黃孝河、紫竹園小區、后湖華庭小區進入興業路，沿興業路向東布設，經后湖四路站、興業路站、百步亭站后折向南，穿方舟花園、貨場、新湖路一村后至終點丹水池站（不含），即解放大道；共4站5區間。 該區間右線起點里程為右AK2+685.847，終點里程為右AK10+26.909，長度約7.34km。

2.2 場區地質條件

根據本次勘探成果， 擬建場地覆蓋層由近代人工填土層（Qml）、第四系全新統湖積（）、沖積（）、沖洪積（）淤泥、一般黏性土、淤泥質土、互層土、砂土及碎石類土組成；下伏基巖主要為白堊-下第三系東湖群（K-Edn）砂礫巖、粉砂質泥巖，少數鉆孔揭露灰巖。根據本次勘探成果，結合室內土工試驗成果報告， 場區內經扁鏟側脹與靜力觸探試驗測試的主要地層由新至老分述如下：

①-1雜填土（Qml）：雜色，濕～飽和，主要由黏性土、砂土夾磚塊、碎石、塊石、爐渣等建筑組成，局部夾少量生活垃圾，該層地表普遍有厚度15～50cm厚的混凝土地坪。 該層土結構不均、土質松散，場地內普遍分布。 鉆孔揭露層厚0.50～7.10m。

③-1黏土（）：黃褐色、灰褐色、飽和，呈可塑狀，含少量鐵錳質氧化物，局部含大量螺殼，切面較光滑，屬中等壓縮性土。 該層場地均有分布，鉆孔揭露厚度0.50～7.40m，層頂埋深0.50～7.10m，層頂標高13.90～20.80m。

③-4淤泥質黏土（）：灰褐色，飽和，軟～流塑狀態，富含有機質，具流變性，有腐臭味，屬于高壓縮性土。 該層土全線普遍分布， 鉆孔揭露層厚0.70～19.80m，層頂埋深1.60～9.80m，層頂標高10.62～19.40m。

③-5粉質黏土、粉土、粉砂互層（）：褐灰色、灰色，飽和；粉質黏土主要呈軟～流塑狀，局部可塑狀，粉土呈中密狀，粉砂呈松散～稍密狀，屬高壓縮性土。 粉土、粉砂單層厚度0.10～2.30m，粉質黏土、粉土、粉砂總厚度所占比例分別為75%～85%、5%、10%～20%。 此層全線普遍分布，層厚變化較大。 鉆孔揭露層厚1.10～27.80m， 層頂埋深3.60～24.50m， 層頂標高-4.08～18.20m。

④-1粉砂（）：褐黃色、青灰色、飽和、呈稍密狀態，礦物成分主要為石英、長石，少量云母片，局部混少量黏性土，屬中等壓縮性土。 鉆孔揭露層厚0.90～21.60m， 層頂埋深5.60～30.40m， 層頂標高-9.98～14.66m。

④-2粉細砂（）：青灰色，飽和，呈中密狀態，砂質較均勻，礦物成分主要為石英、長石，少量云母片，局部含木屑，屬于中等偏低壓縮性土。全場分布，鉆孔揭露層厚1.60～19.00m，層頂埋深14.20～36.20m，層頂標高-15.51～6.47m。

3 綜合測試成果分析

3.1 參數測試成果

圖3為場區典型單橋靜力觸探數據曲線，并根據鉆探揭示各土層厚度將曲線劃分為各段， 從圖中可以看出，比貫入阻力與土層的力學性質有關，各段的曲線能夠較好地反映土層的力學性質，在①-1雜填土層，由于土層成份不均，含有磚塊、碎石等硬質顆粒組成，因此其數據曲線起伏變化較大，而③-1黏土、③-4淤泥質黏土為第四系新近沉積土， 土質均勻，因此比貫入阻力曲線起伏變化不明顯，且逐漸增加，而③-5粉質黏土、粉土、粉砂互層、④-1粉砂、④-2粉細砂層，由于土質不均，含有夾層或互層等因素，造成比貫入阻力曲線起伏劇烈，但總體上來說，對各層的比貫入阻力進行標準值統計，可以看出，比貫入阻力逐漸增加，如表1。

圖3 典型靜力觸探比貫入阻力實測曲線與鉆探分層對比

表1 靜力觸探試驗各層土比貫入阻力統計

圖4為場區扁鏟側脹試驗實測曲線，從圖中可以看出，A值、B值、C值隨著深度的增加而逐漸增加，而B值與A值的差值與土性有關， 黏性土差值較小，而砂土的差值較大，且隨著深度的增加差值逐漸加大。

圖4 典型靜力觸探比貫入阻力實測曲線與鉆探分層對比

圖5為扁鏟側脹試驗各指標參數曲線，從圖中可以看出， 扁鏟側脹試驗只需要測試A值、B值、C值，即可以通過理論或經驗公式計算出土體的土類指標、水平應力指數、靜止側壓力系數、不排水剪切強度、側脹模量、壓縮模量及側向反力基床系數，獲取的物理力學參數遠遠大于靜力觸探試驗。 從圖中可以看出，根據土類指數能夠準確劃分土層，在12m深度處的黏性土與砂土的分界面處， 曲線變化明顯，而水平應力指數曲線與靜止側壓力系數曲線變化趨勢相似，且可以看出水平應力指數是靜止側壓力系數在一定程度上的放大，這是由于扁鏟側脹試驗的鏟形結構特征引起的結果。 不排水剪切強度、側脹模量、壓縮模量以及側向反力基床系數隨著深度的增加而增加。

圖5 扁鏟側脹試驗各參數指標曲線

3.2 參數相關關系分析

圖6為各類土的比貫入阻力與壓縮模量關系曲線，從圖中可以看出，對于黏性土、粉土、砂土的壓縮模量皆可以用比貫入阻力的冪指數關系進行表達，如方程（1）～（3）：

圖6 壓縮模量與比貫入阻力關系曲線

圖7為扁鏟側脹試驗與靜力觸探試驗壓縮模量與土類指數的關系對比，從圖中可以看出，對于黏性土（土類指數ID≤0.6），扁鏟側脹試驗與靜力觸探試驗壓縮模量值較為集中， 且數值相近， 而對于粉土（0.6＜土類指數ID≤1.8），隨著土類指數的增加，扁鏟側脹試驗獲取的壓縮模量逐漸偏離靜力觸探試驗獲取的壓縮模量范圍界限（圖中實線），且數值偏大，而對于砂土（1.8＜土類指數ID），扁鏟側脹試驗與靜力觸探試驗獲取的壓縮模量離散型較大。

圖7 扁鏟側脹與靜力觸探試驗壓縮模量對比

圖8為土類指數小于0.6時的不排水剪切抗剪強度對比， 從圖中可以看出靜力觸探獲取的土體不排水抗剪強度普遍比扁鏟側脹試驗大， 而對于土類指數大于0.6的土體，規律不明顯，此處不再贅述。 因此，對于黏性土的抗剪強度值選取和分析過程中，應特別注意區分不同測試方法造成參數的不同。

圖8 扁鏟側脹與靜力觸探試驗不排水剪強度對比

4 結語

（1）扁鏟側脹試驗僅需測試3個參數，即可通過經驗公式計算土體的土類指標、水平應力指數、靜止側壓力系數、不排水剪切強度、側脹模量、壓縮模量以及側向反力基床系數， 可以獲取較多的土體側向物理力學參數。

（2）不同性質土層壓縮模量皆可用比貫入阻力的冪指數關系進行表達，具體如公式方程（1）～（3）所示。

（3）對于不同性質的土層，扁鏟側脹試驗與靜力觸探試驗獲取的壓縮模量之間的差異明顯， 隨著土類指數ID的增加，兩者的數值由相近變為逐漸偏離，最后變為無明顯規律。

（4）對于黏性土，靜力觸探試驗獲取的不排水抗剪強度普遍比扁鏟側脹試驗大， 而對于土類指數大于0.6的土體，規律不明顯。