中國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中利用靜力觸探劃分土層土類綜述

何風(fēng)雨,馬淑芝

(1.中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430050; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

0 引 言

靜力觸探作為一種重要的土體原位測試技術(shù),在工程勘察工作中扮演著重要的角色[1-3]。靜力觸探適用于軟土、黏性土、粉土、砂類土及含少量碎石的土層,可劃分土層界面、土類定名、確定地基承載力和單樁極限荷載、判定地基土液化可能性及測定地基土的物理力學(xué)參數(shù)等[1,2,4-6]。近年來,隨著勘察工作精準(zhǔn)性要求的提高,靜力觸探愈加受到工程界關(guān)注,各行業(yè)和地區(qū)發(fā)布實(shí)施了涉及靜力觸探測試技術(shù)的各類標(biāo)準(zhǔn),主要有:鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(TB 10018-2018《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》[5],以下簡稱《鐵路規(guī)程》)、水運(yùn)工程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JTST 242-2020《水運(yùn)工程靜力觸探技術(shù)規(guī)程》[6],以下簡稱《水運(yùn)規(guī)程》)、土木學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)(T/CCES 1-2017《孔壓靜力觸探測試技術(shù)規(guī)程》[7],以下簡稱《土木規(guī)程》)、冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(GBT 50480-2008《冶金工業(yè)巖土勘察原位測試規(guī)范》[8],以下簡稱《冶金規(guī)范》)、有色金屬工業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)(YS/T 5223-2019《靜力觸探試驗(yàn)規(guī)程》[9],以下簡稱《有色規(guī)程》)、安徽省地方標(biāo)準(zhǔn)(DB34/T 3944-2021《靜力觸探應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[10],以下簡稱《安徽地標(biāo)》)、上海市地方標(biāo)準(zhǔn)(DG/TJ 08-2189-2015《靜力觸探應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[11],以下簡稱《上海地標(biāo)》)、江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)(DB32T 2977-2016《孔壓靜力觸探技術(shù)規(guī)程》[12],以下簡稱《江蘇地標(biāo)》)等。

根據(jù)探頭功能劃分,中國工程勘察中使用的靜力觸探有單橋、雙橋和孔壓3種類型[1,3,5]。單橋靜力觸探只能測試一個(gè)參數(shù)比貫入阻力Ps,雙橋靜力觸探能夠測試錐尖阻力qc和側(cè)壁摩阻力fs兩個(gè)參數(shù),三橋孔壓觸探可以測試qc、fs和孔隙水壓力u三個(gè)參數(shù)。靜力觸探測試表明:土類及其成因、時(shí)代、密實(shí)度不同,其錐尖阻力或比貫入阻力、孔隙水壓力通常也有明顯不同;此外,不同土類(如砂土和老黏土)由于某種原因,可能有相同的qc(或Ps),而fs和u大不相同[2]。因此,在土層土類劃分方面,單橋靜力觸探比較粗糙,雙橋靜力觸探精度比單橋靜力觸探高很多。三橋孔壓觸探在用于土層土類劃分時(shí)精度最高,在求取土體固結(jié)系數(shù)、評價(jià)土的應(yīng)力歷史、估算土的滲透系數(shù)和變形參數(shù)、確定樁基承載力等方面具有無可比擬的優(yōu)勢[13-15]。國際上,孔壓靜力觸探(CPTU)的應(yīng)用較成熟[15]。中國的孔壓觸探在土分類方法方面取得了顯著的成果,劉松玉、杜宇等通過引入新的應(yīng)力修正方法和修正土分類邊界線,建立了適合中國水運(yùn)工程的CPTU土分類方法[2,16]。

在靜力觸探測試技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用中,一般先綜合靜力觸探測試結(jié)果及其他資料進(jìn)行土層劃分,然后進(jìn)行每個(gè)土層中的觸探參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析,最后根據(jù)工程項(xiàng)目要求采用的相應(yīng)技術(shù)規(guī)程中的分類圖確定土的工程類別。本文從“土層界面確定”和“土類定名”兩大方面綜述中國現(xiàn)行各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的條款及說明。

1 土層界面確定

在利用靜力觸探確定土層分界面時(shí),需結(jié)合鉆探和地域經(jīng)驗(yàn),并需要注意靜力觸探的界面效應(yīng)問題,根據(jù)靜力觸探的曲線形態(tài)和觸探參數(shù)數(shù)值大小等特征進(jìn)行土層界面的確定。

1.1 結(jié)合鉆探與地域經(jīng)驗(yàn)

單獨(dú)根據(jù)貫入阻力曲線或參數(shù)所實(shí)現(xiàn)的分層為力學(xué)分層,結(jié)合鉆探取樣資料或當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)則進(jìn)一步將力學(xué)分層變?yōu)楣こ痰刭|(zhì)分層[2]。不同地區(qū)的土層在成因類型、沉積條件、年代等方面的差異,決定了不同地區(qū)土質(zhì)的獨(dú)特性,因此靜力觸探分層應(yīng)考慮地域差異。由于靜力觸探是一種間接勘探手段,不能揭露土層,缺乏經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的地區(qū)僅根據(jù)靜力觸探成果劃分土層可能不夠準(zhǔn)確,甚至?xí)霈F(xiàn)錯(cuò)漏,需要結(jié)合鉆探、室內(nèi)試驗(yàn)和其他原位測試等成果綜合考慮,確定工程地質(zhì)分層[6,10-11]。在與靜力觸探測試技術(shù)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中大都提到這一原則[5-12,17],如《水運(yùn)規(guī)程》建議:采用孔壓靜力觸探測試參數(shù)進(jìn)行土的分類與土層劃分時(shí),宜結(jié)合鉆孔資料和當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定,在區(qū)域地質(zhì)資料和工程經(jīng)驗(yàn)豐富的地區(qū)也可直接應(yīng)用。

1.2 界面效應(yīng)

靜力觸探探頭在成層土中貫入,至土層界面上下一定范圍時(shí),靜力觸探參數(shù)特別是端阻值會受界面對側(cè)方土體密度、狀態(tài)等工程性質(zhì)的影響,使其數(shù)值在土層界面上、下一定深(高)度內(nèi)提前變大或變小,即靜力觸探測試中存在的“界面效應(yīng)”[2,5-6]。下臥土層對上覆土層貫入阻力(qc或Ps)的影響高度稱為超前深度,上覆土層對下臥土層貫入阻力的影響深度稱為滯后深度[5-6]。

界面效應(yīng)的實(shí)質(zhì)與探頭對土的破壞機(jī)理有關(guān),貫入阻力(qc或Ps)是土強(qiáng)度及變形性質(zhì)的綜合反映,其測試結(jié)果對界面效應(yīng)的反映更明顯,而fs和u的測試結(jié)果則基本能即時(shí)反映測試位置處的土體性質(zhì)[2,6]。因此,在工程實(shí)踐中利用靜力觸探劃分土層時(shí),不同的觸探參數(shù)應(yīng)遵循不同的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)用孔壓靜力觸探的u或孔壓參數(shù)比Bq劃分土層時(shí),應(yīng)將貫入曲線的突變點(diǎn)位置定為土層界面[5-11];而當(dāng)采用單橋的比貫入阻力Ps、雙橋觸探或孔壓靜力觸探的qc(經(jīng)孔壓校正后的總錐尖阻力qt)劃分土層時(shí),應(yīng)考慮“界面效應(yīng)”,根據(jù)超前深度和滯后深度確定土層界面[5-8]。

不同標(biāo)準(zhǔn)對于土層劃分時(shí)考慮“界面效應(yīng)”的規(guī)定差別不大,見表1。

表1 采用貫入阻力曲線確定分層界面位置的規(guī)定

1.3 靜力觸探曲線形態(tài)

靜力觸探在不同土類中的貫入曲線特征有較明顯的不同。在利用靜力觸探貫入曲線做土層力學(xué)分層時(shí),不僅需要考慮觸探參數(shù)的數(shù)值大小,還需要考慮曲線形態(tài)上的差異?！栋不盏貥?biāo)》的附錄D和附錄E中分別給出了單橋靜力觸探貫入阻力與深度關(guān)系曲線形態(tài)和雙橋錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力與深度關(guān)系曲線形態(tài)。

桑煙圍著塔體高速地旋轉(zhuǎn)，光影變幻中，他隱約看到塔內(nèi)是一團(tuán)熒白的光芒。那團(tuán)白芒似乎是由白玉骸骨發(fā)出的，由內(nèi)而外，神圣不可侵犯。骸骨頭部的位置有節(jié)奏地緩動著，那種“嘎嘎咔咔”的聲音，就是隨著骸骨的動作傳出來的。

1.4 依據(jù)貫入阻力變化幅度

靜力觸探分層采用同一層具有相似的貫入曲線或參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,不同土層間曲線和參數(shù)不同。進(jìn)行單孔力學(xué)分層時(shí),每層中最大貫入阻力和最小貫入阻力之比應(yīng)在一定范圍值內(nèi),按貫入阻力變化幅度的力學(xué)分層標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 按貫入阻力變化幅度的力學(xué)分層標(biāo)準(zhǔn)

2 土類定名

利用靜力觸探測試結(jié)果進(jìn)行土類定名,一般先進(jìn)行靜力觸探參數(shù)的分層統(tǒng)計(jì),然后在考慮每層貫入曲線形態(tài)的基礎(chǔ)上,根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果按工程分類圖確定土類名稱。

2.1 觸探參數(shù)分層統(tǒng)計(jì)

在進(jìn)行各土層的靜力觸探參數(shù)統(tǒng)計(jì)前,需根據(jù)實(shí)際情況,剔除曲線中異常值(往往是由黏性土或粉土中的姜石、湖沼軟土中的貝殼、泥炭質(zhì)土中的朽木、混合土中個(gè)別大顆粒物質(zhì)等造成)[5,8],取舍土層界面效應(yīng)的影響段內(nèi)的數(shù)值(土層厚度h≥1 m且土質(zhì)比較均勻時(shí),統(tǒng)計(jì)平均值時(shí)應(yīng)扣除其上部滯后深度和下部超前深度范圍內(nèi)的靜力觸探參數(shù)值;對于土層厚度h<1 m的均質(zhì)土層,軟層應(yīng)取最小值、硬層應(yīng)取較大值)[5,8,12]。

在確定各土層的靜力觸探參數(shù)統(tǒng)計(jì)值時(shí),根據(jù)土層性質(zhì)是否均勻、靜力觸探數(shù)據(jù)離散性大小,宜采用不同的統(tǒng)計(jì)方法。性質(zhì)均勻、靜力觸探數(shù)據(jù)離散性小的土層,可選用算術(shù)平均值或厚度加權(quán)平均值;性質(zhì)不均、靜力觸探數(shù)據(jù)離散性大的土層,宜選用最小平均值[10-11]。若土層由單層厚度在30 cm以內(nèi)的粉砂或粉土與黏性土交互沉積層組成,應(yīng)分別計(jì)算各靜力觸探參數(shù)的大值平均值和小值平均值[5,8]。

2.2 靜力觸探曲線形態(tài)

如1.3節(jié)所述,觸探參數(shù)的貫入曲線在不同土類中往往呈現(xiàn)不同的形態(tài)特征。靜力觸探曲線線形起伏小,可判為黏性土;靜力觸探曲線的線形起伏大,呈3個(gè)以上峰狀時(shí),可判斷為粉土、砂類土[9]。因此,在進(jìn)行土類定名時(shí),綜合考慮靜力觸探曲線形態(tài)特征,可以大大提高土類識別的準(zhǔn)確率?！栋不盏貥?biāo)》通過實(shí)際工程中的數(shù)據(jù)對比得到:僅采用規(guī)程中的分類圖判別土類的準(zhǔn)確率約60%,再結(jié)合曲線特征可提高準(zhǔn)確率至約70%。對于單橋靜力觸探,相同的比貫入阻力值,曲線形態(tài)不一樣,可能屬于不同土類,則更需要通過貫入曲線的形態(tài)去判斷。對于雙橋靜力觸探,除根據(jù)錐尖阻力及摩阻比的數(shù)值按分類圖分類外,還可“以錐尖阻力與深度關(guān)系曲線形態(tài)為主,以側(cè)壁摩阻力和摩阻比與深度關(guān)系曲線形態(tài)為輔”劃分土類[10]。

2.3 工程分類圖

2.3.1 雙橋靜力觸探的土工程分類圖

《鐵路規(guī)程》給出的基于雙橋靜力觸探參數(shù)錐尖阻力qc和摩阻比Rf判別土類的分類圖,如圖1所示。

圖1 《鐵路規(guī)程》雙橋靜力觸探土工程分類[4]

2.3.2 孔壓靜力觸探的土工程分類圖

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中孔壓靜力觸探的工程分類大致可以分為qt-Bq(總錐尖阻力-超孔壓比)分類法、Qtn-Fr(歸一化錐尖阻力-歸一化摩阻比)分類法和《水運(yùn)規(guī)程》分類法3類。

(1)qt-Bq分類法?！惰F路規(guī)程》給出了基于孔壓靜力觸探的工程分類圖(圖2),該分類圖包括作為主判別的q-Bq分類圖和作為輔助判別的t50-Bq(固結(jié)度達(dá)50%的孔壓消散歷時(shí)-超孔壓比)分類圖。根據(jù)孔壓探頭上孔隙水過濾器的不同位置,采用不同的主判別qt-Bq分類圖(圖2(a)和圖2(c))。當(dāng)實(shí)際工程中遇到“硬黏土被錯(cuò)判為粉質(zhì)黏土、硬塑的粉質(zhì)黏土被錯(cuò)判為粉土”時(shí),采用輔助判別的t50-Bq分類圖(圖2(b)),該分類圖既適用于過濾器在錐面處的孔壓靜力觸探,也適用于過濾器在錐肩處的孔壓靜力觸探[5]。

qt=qc+(1-a)u2=qc+β(1-a)u1

(1)

Bq=Δu/(qt-σvo)

(2)

式中:qt為總錐尖阻力(其他標(biāo)準(zhǔn)中也稱錐尖阻力修正值、經(jīng)孔壓修正后的錐尖阻力),kPa;qc為實(shí)測錐尖阻力,kPa;a為探頭有效面積比;u1、u2分別為過濾器位于錐面處和錐肩處測得的孔隙水壓力,kPa;β為孔壓換算系數(shù),即u2和u1的比值,與土質(zhì)狀態(tài)有關(guān),取值參見《鐵路規(guī)程》或《有色規(guī)程》有關(guān)規(guī)定;Bq為超孔壓比(其他文獻(xiàn)中也有稱孔壓參數(shù)比);Δu為探頭貫入時(shí)土的超孔隙水壓力,等于測得的孔隙水壓力(u2或u1)減去靜止孔隙水壓力(uw),kPa;σvo為土的總自重應(yīng)力,kPa。

圖2 《鐵路規(guī)程》孔壓靜力觸探土工程分類[5]

(2)Qtn-Fr分類方法(也稱Ic分類法)。劉松玉等提出了適用于中國《巖土工程勘察規(guī)范》中土分類方法和名稱的Qtn-Fr工程分類圖(見圖3)[2]。因分類圖中大部分土類界線都用土類指數(shù)Ic來表征,因此該分類法也稱為基于土類指數(shù)Ic的分類方法。

(3)

(4)

(5)

式中:Ic為土類指數(shù);Qtn為歸一化錐尖阻力;Fr為歸一化摩阻比,%;pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(參考壓力),取100 kPa;σ′vo為土的有效上覆壓力,kPa。

圖3 基于CPTU的中國國標(biāo)土分類[2]

《江蘇地標(biāo)》建議的分類圖和圖3一致?！锻聊疽?guī)程》給出的分類圖與圖3的差別是沒有細(xì)砂和粉砂的分界線。《鐵路規(guī)程》的條文說明中所給出的分類圖和《土木規(guī)程》相同。

(6)

(7)

(8)

圖4 《水運(yùn)規(guī)程》土的工程分類[6]

《水運(yùn)規(guī)程》分類在軟土的劃分上較為精細(xì),以qn值將軟土細(xì)分為流泥(qn≤0.08 MPa)、淤泥(0.08 MPa

3 工程實(shí)例

海太過江通道位于長江三角洲沖積及沖海積平原區(qū),靠近三角洲平原近前緣地帶,其地貌單元為長江河漫灘。場地內(nèi)覆蓋層主要為第四系淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、粉細(xì)砂、粗砂、含礫石中細(xì)砂、含礫中粗砂等,覆蓋層厚度大于300 m。海太過江通道在工程勘察階段,采用多功能孔壓靜探測試技術(shù)(CPTU)進(jìn)行地層的劃分和土類判別,研究了土的原位狀態(tài)和應(yīng)力歷史、變形、抗剪強(qiáng)度、水力傳導(dǎo)特性等方面,與鉆探成果進(jìn)行對比驗(yàn)證,對場區(qū)工程地質(zhì)條件作出定性定量評價(jià)。

由于貫入阻力是土強(qiáng)度及變形性質(zhì)的綜合反映,而端阻(錐尖阻力)又是最常用的一個(gè)參數(shù)。不同土層可能有相同的端阻,而孔壓值和側(cè)壁摩阻力可能大不相同。因而在劃分土層時(shí),在綜合考慮土層的界面效應(yīng)、曲線形態(tài)的基礎(chǔ)上,以端阻為主,結(jié)合孔隙水壓力、孔壓參數(shù)比及摩阻比等參數(shù)予以劃分,以同一分層內(nèi)的觸探參數(shù)基本相近為原則。

海太過江通道在使用CPTU劃分土層時(shí),以《土木規(guī)程》為主,參考其他行業(yè)規(guī)程和地方規(guī)程[5-12],總結(jié)出3點(diǎn)技術(shù)要求:① 優(yōu)先使用孔壓指標(biāo),以孔壓u2和孔壓參數(shù)比Bq值的突變點(diǎn)所在深度處為土層界面;② 使用土類指數(shù)Ic劃分土層,在上、下土層過渡區(qū)域Ic=1.87,2.10,2.32,、2.65,2.90和3.45的點(diǎn)所在深度處為土層界面;③ 孔壓變化不明顯,則使用錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力和摩阻比,根據(jù)超前深度、滯后深度劃分土層。

如表3及圖5所示,實(shí)踐結(jié)果表明孔壓靜探與鉆孔鑒定巖土類別具有良好的對應(yīng)關(guān)系,這對建立土層與原位數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系具有指導(dǎo)意義。

表3 CPTU基本數(shù)據(jù)

圖5 CPTU曲線

4 結(jié) 論

隨著中國靜力觸探測試技術(shù)的大力發(fā)展,巖土工程勘察類規(guī)范中的有關(guān)靜力觸探的條文規(guī)定更細(xì)致。為便于工程技術(shù)人員使用相關(guān)規(guī)范、突出需要注意的技術(shù)因素,綜合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)土層劃分與工程分類的內(nèi)容,得到以下結(jié)論。

(1) 基于靜力觸探確定土層界面時(shí),應(yīng)綜合考慮地域經(jīng)驗(yàn)、鉆探等勘探成果、觸探貫入曲線形態(tài)特征、觸探參數(shù)數(shù)值相對大小,并應(yīng)注意靜力觸探的土層界面效應(yīng)。

(2) 靜力觸探用于土層劃分與工程分類時(shí),需要結(jié)合靜力觸探貫入曲線的形態(tài),提高判識結(jié)果的準(zhǔn)確率。

(4) 各標(biāo)準(zhǔn)中對觸探參數(shù)數(shù)值相對大小、土層界面效應(yīng)處理、土工程分類圖等的具體規(guī)定有差異,在實(shí)際工程中優(yōu)先采用工程項(xiàng)目要求的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),并可參考其他標(biāo)準(zhǔn)。