關(guān)于工程勘察中地層分層的探討

徐筠波

（上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司， 上海 200063）

關(guān)于工程勘察中地層分層的探討

徐筠波

（上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司， 上海 200063）

通過分析巖土工程勘察中傳統(tǒng)的地基土“土性分層”的局限性，結(jié)合有關(guān)資料及上海地區(qū)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了在上海地區(qū)應(yīng)以靜探測(cè)試為基礎(chǔ)，在每個(gè)孔位處均應(yīng)進(jìn)行靜探測(cè)試，根據(jù)靜探曲線進(jìn)行地基土的“力學(xué)分層”和參數(shù)統(tǒng)計(jì)，提高地基土分層的合理性、準(zhǔn)確性及分層精度的新的勘察理念。以靜探為基礎(chǔ)的“力學(xué)分層”剖面，在巖土工程勘察及設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。

巖土工程勘察；勘察理念；地基土；土性分層；靜力觸探；剖面

0 引 言

地基與基礎(chǔ)是建筑物的根基。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界各國(guó)建筑工程事故中，地基基礎(chǔ)事故居首位，而且一旦發(fā)生地基基礎(chǔ)事故，因其位于建筑物的下方，屬于地下隱蔽工程，補(bǔ)救工作非常困難。為了確保建筑物的安全和使用良好，在地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中必須同時(shí)滿足以下兩個(gè)技術(shù)條件：一是地基的強(qiáng)度條件(即承載力)，要求建筑物地基保持穩(wěn)定性，不發(fā)生地基剪切或滑動(dòng)破壞；二是地基的變形條件(即沉降量)，要求建筑物地基的沉降量、沉降差、傾斜和局部?jī)A斜，都不能大于地基變形允許值。而巖土工程勘察是地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工的依據(jù)，勘察質(zhì)量將直接關(guān)系到建筑物的安危。

1 勘察理念與勘察手段

勘察手段多種多樣，且都有其適用性和局限性。巖土工程勘察中目前所用的勘察手段主要有：鉆探、靜力觸探、室內(nèi)試驗(yàn)以及其他原位測(cè)試方法(如標(biāo)貫試驗(yàn)、十字板試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、扁鏟試驗(yàn)等)。每種勘察手段都有其優(yōu)點(diǎn)，但也有其局限性。傳統(tǒng)的勘察理念都以鉆探和室內(nèi)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，根據(jù)鉆探和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行地基土的“土性分層”和參數(shù)統(tǒng)計(jì)，而把靜探等原位測(cè)試方法僅作為輔助方法。目前在上海地區(qū)常用的方式是鉆探孔與觸探孔間隔布置等。

2 傳統(tǒng)“土性分層”的局限性

“土性分層”容易產(chǎn)生漏層。如在上海地區(qū)，除西南部十余座零星剝蝕殘丘外，都為厚達(dá) 200 m～300 m 的第 4 紀(jì)沉積物，主要是黏性土或砂性土，基本成層分布。但有的層位以黏性土層為主夾薄層砂性土，或以砂性土層為主夾薄層黏性土，有時(shí)為砂性土與黏性土互層。在具體工程勘察資料整理中，當(dāng)遇到鉆探、室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果得到的地層分層與靜探得到的成果曲線不匹配，分層時(shí)就容易漏掉較薄的土層；或者是鉆探取到的土樣恰好是薄層部位，錯(cuò)當(dāng)成是主要的厚土層的土樣，分層時(shí)就容易漏掉較厚的土層。漏層會(huì)產(chǎn)生地基基礎(chǔ)事故，特別是持力層及下臥層內(nèi)漏掉軟弱層會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。如果在鉆探孔位置都進(jìn)行靜探測(cè)試，這種漏層問題就迎刃而解了。

3 以靜探測(cè)試為基礎(chǔ)進(jìn)行地層分層的新勘察理念

根據(jù)上海地區(qū)的土層特點(diǎn)及上海地區(qū)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為應(yīng)該轉(zhuǎn)變舊的勘察理念、樹立新的勘察理念。上海地區(qū)應(yīng)以靜探測(cè)試為基礎(chǔ)，在每個(gè)孔位處均應(yīng)進(jìn)行靜探測(cè)試，根據(jù)靜探曲線進(jìn)行地基土的“力學(xué)分層”和參數(shù)統(tǒng)計(jì)，然后有針對(duì)性地再布置少量鉆孔、取樣、室內(nèi)試驗(yàn)和其他原位測(cè)試。因此形成的地基土的分層既有對(duì)土層精確的力學(xué)分層，又有對(duì)土類的地質(zhì)分層；分層正確且易于檢查。當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、普及，還可按力學(xué)分層用逐點(diǎn)積分法來(lái)計(jì)算承載力和沉降量，可信度高。新勘察理念繼承了經(jīng)典勘察中被實(shí)踐證明有效的理論、概念、名詞和定義等，并吸納了現(xiàn)代土力學(xué)、室內(nèi)試驗(yàn)及野外試驗(yàn)的各種新成果。

3.1 靜力觸探方法的優(yōu)勢(shì)

靜力觸探在上海地區(qū)的巖土工程勘察中已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用，適用于黏性土、粉土和砂土，并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。靜力觸探能為巖土工程的勘察、試驗(yàn)和設(shè)計(jì)提供豐富的信息，是一種迅速、簡(jiǎn)便而又經(jīng)濟(jì)的勘探和原位測(cè)試手段。它提供的高精度的計(jì)算，為以靜探測(cè)試為基礎(chǔ)的新勘察理念的形成和發(fā)展提供了條件。靜力觸探有如下幾個(gè)明顯的特點(diǎn)。

3.1.1 靜探數(shù)據(jù)的連續(xù)性好

靜探是在現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試土對(duì)靜探探頭的阻力，隨貫入深度的增加，連續(xù)記錄阻力曲線(數(shù)據(jù))。這曲線是由電子儀器實(shí)時(shí)記錄的。靜探常用的標(biāo)準(zhǔn)是隨深度每增加 10 cm 記錄一個(gè)數(shù)據(jù)，但目前完全可以做到隨深度增加 1 cm～2 cm(甚至更小)就記錄一個(gè)數(shù)據(jù)。貫入阻力隨深度的變化曲線可視為連續(xù)的。靜探指標(biāo)是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法中信息量最大的，數(shù)據(jù)密度可以達(dá)厘米級(jí)甚至毫米級(jí)，為“力學(xué)分層”提供了可能，可克服鉆探“土性分層”的粗略性。

3.1.2 靜探指標(biāo)與土的力學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性好

數(shù)十年的研究成果表明，在一定條件下測(cè)得的土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)之間是相關(guān)的。如在上海有關(guān)勘察規(guī)范中，列出了一般黏性土及粉土的靜探指標(biāo)與地基承載力、壓縮模量等多種室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)的換算關(guān)系，說(shuō)明各種力學(xué)指標(biāo)之間可以互換。利用相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式，可以代替試驗(yàn)程序復(fù)雜的室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；在實(shí)際勘察中可以簡(jiǎn)化勘探試驗(yàn)流程，使巖土工程的勘探與試驗(yàn)迅速而準(zhǔn)確。

3.2 “力學(xué)分層”觀念下的地層分層

按有關(guān)勘察規(guī)范規(guī)定的勘探點(diǎn)間距，在每個(gè)點(diǎn)位處均應(yīng)進(jìn)行靜探測(cè)試，并根據(jù)貫入曲線探頭阻力 Ps 值的大小和線形特征進(jìn)行力學(xué)分層，將各孔間的同一層界面線連起來(lái)形成“力學(xué)分層”剖面。在此基礎(chǔ)上選擇有代表性的靜探曲線孔位、靜探曲線有異常的孔位以及對(duì)工程有重要意義的位置，在其近旁進(jìn)行鉆探。鉆探時(shí)應(yīng)根據(jù)靜探曲線選定有代表性的層位深度進(jìn)行取樣、室內(nèi)試驗(yàn)和其他原位試驗(yàn)，以查明每一力學(xué)層土的類型，取得有代表性的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)等資料，從而形成完整的工程地質(zhì)剖面圖。

3.2.1 “力學(xué)分層”易于檢查，避免產(chǎn)生漏層

剖面圖上每個(gè)孔位處均附有靜探測(cè)試曲線。由于曲線是連續(xù)的，故分層是否正確易于進(jìn)行檢查。無(wú)論是勘察人員還是設(shè)計(jì)人員，對(duì)不同土層在空間的分布、軟硬變化情況、均勻程度等均可一目了然。在每個(gè)孔位處，哪怕只有幾厘米厚的軟弱土層也不會(huì)遺漏掉。這對(duì)于象上海這樣的軟土地區(qū)顯得更加重要。

3.2.2 “力學(xué)分層”剖面比較合理和完善

用“力學(xué)分層”建立的剖面，既有對(duì)每層土的定量測(cè)定，又有針對(duì)性的土質(zhì)分類鑒別和試驗(yàn)，是比較合理和完善的。由于靜力觸探具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，可以使孔間距小一些，適當(dāng)多布置一些靜探孔。這樣可以使工程地質(zhì)剖面作得更精確，對(duì)場(chǎng)地的不均勻性查得更清楚。

3.3 “力學(xué)分層”觀念下的地層參數(shù)

靜力觸探能獲得整個(gè)孔深范圍內(nèi)的力學(xué)剖面，正好彌補(bǔ)了鉆探取樣和間斷進(jìn)行原位試驗(yàn)的不足。靜探的貫入阻力數(shù)據(jù)是一個(gè)反映土內(nèi)多種因素影響的綜合性力學(xué)指標(biāo)。由于這些因素也同時(shí)影響著地基土的強(qiáng)度和變形性質(zhì)，因此從工程應(yīng)用的觀點(diǎn)來(lái)看，它比室內(nèi)某些單一物性指標(biāo)如液性指數(shù)、孔隙比、含水量等更能綜合反映土的工程性質(zhì)，特別是結(jié)構(gòu)性的影響。因此，靜力觸探測(cè)試數(shù)據(jù)能夠較好地反映土的工程性質(zhì)。再加上新勘察理念是根據(jù)靜探曲線選定有代表性的層位深度進(jìn)行取樣、室內(nèi)試驗(yàn)和其他原位試驗(yàn)的，把它們作為靜探測(cè)試的輔助措施，使“力學(xué)分層”所提供的土層參數(shù)更具代表性、更符合地層的實(shí)際情況。

4 以靜探測(cè)試為基礎(chǔ)的“力學(xué)分層”剖面的發(fā)展前景

以靜探測(cè)試為基礎(chǔ)進(jìn)行“力學(xué)分層”這種新理念的勘察，為靜探數(shù)據(jù)曲線提供了豐富的信息。除了能準(zhǔn)確地劃分地基土層外，在評(píng)價(jià)地基土性質(zhì)、計(jì)算地基承載力參數(shù)、評(píng)價(jià)地基土的地震液化勢(shì)、合理選擇基礎(chǔ)形式、計(jì)算樁基承載力和判斷沉樁可能性等多方面得到應(yīng)用。若設(shè)計(jì)者從應(yīng)用原始靜探數(shù)據(jù)出發(fā)，結(jié)合擬建建筑物的特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)，可能是最合理的。故以靜探測(cè)試為基礎(chǔ)的“力學(xué)分層”剖面，在巖土工程勘察和設(shè)計(jì)領(lǐng)域中具有廣闊的發(fā)展前景。

4.1 “力學(xué)分層”剖面的靜探指標(biāo)可進(jìn)行沉降計(jì)算

沉降計(jì)算的傳統(tǒng)方法是依據(jù)地質(zhì)鉆探分層。一般幾米或十幾米一層，提供的代表性計(jì)算參數(shù)是粗略的；用分層總和法來(lái)計(jì)算地基的沉降量誤差大。靜力觸探可提供連續(xù)變化的阻力曲線，用實(shí)測(cè)的靜探曲線劃分厘米或毫米級(jí)的薄層，可按力學(xué)分層或積分法來(lái)計(jì)算沉降，計(jì)算精度可有較大提高。當(dāng)然，靜探沉降計(jì)算公式需由地區(qū)建筑沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)的反分析得到。上海地區(qū)已積累了一定的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。

4.2 “力學(xué)分層”剖面的靜探指標(biāo)可確定地基承載力

一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)由設(shè)計(jì)者考慮基礎(chǔ)尺寸和埋深，利用基底以下的靜力觸探指標(biāo)進(jìn)行土的力學(xué)計(jì)算，確定地基承載力，使基礎(chǔ)設(shè)計(jì)更加合理。上海地區(qū)已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，并得到了廣泛的應(yīng)用。

4.3 “力學(xué)分層”剖面的靜探曲線可確定樁基持力層和單樁承載力

靜力觸探能準(zhǔn)確地劃分地基土層。因此用靜探曲線可以方便地確定樁基的持力層；根據(jù)靜探力學(xué)剖面，選擇合理的樁端的入土深度。

目前國(guó)內(nèi)外有多種用靜探確定單樁承載力的公式。但是，用靜探指標(biāo)估算單樁承載力仍受鉆探分層的影響，特別是樁的摩阻力計(jì)算仍是分層總和；宜改用連續(xù)靜探指標(biāo)，逐點(diǎn)積分計(jì)算。

4.4 “力學(xué)分層”剖面在設(shè)計(jì)中可有效貫徹變形控制的原則

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)多是按地基承載力來(lái)確定基礎(chǔ)的大小，隱含了基礎(chǔ)沉降對(duì)建筑物的影響。但是，隨著超高層建筑、高速公路、軌道交通工程、地下工程的快速發(fā)展，許多工程不僅有承載力要求，而且對(duì)變形要求是厘米級(jí)甚至毫米級(jí)的精度要求，有必要采用按沉降來(lái)控制的原則。而靜探卻為此提供了條件。依據(jù)“力學(xué)分層”靜探曲線可以計(jì)算出較準(zhǔn)確的地基沉降量，在設(shè)計(jì)中可以根據(jù)沉降的大小來(lái)調(diào)整基礎(chǔ)尺寸及埋深，由此引申出用靜探曲線計(jì)算變形來(lái)確定基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的方法。

4.5 “力學(xué)分層”剖面用于軟土地基穩(wěn)定性驗(yàn)算

傳統(tǒng)勘察是分層提供了土層的強(qiáng)度指標(biāo)，而靜探法則利用貫入阻力與十字板抗剪強(qiáng)度 Cu 的相關(guān)公式，可用靜探曲線來(lái)導(dǎo)出 Cu 曲線。這樣，用圓弧法驗(yàn)算時(shí)，就可按變化的深度選用不同的 Cu 值，而不用分層平均值。計(jì)算更加精確、方便。

當(dāng)然，“力學(xué)分層”剖面的應(yīng)用，還需勘察人員不斷地積累經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，開發(fā)出更多應(yīng)用方法及應(yīng)用軟件，充分利用好“力學(xué)分層”剖面的豐富信息。

5 結(jié) 語(yǔ)

以靜探測(cè)試為基礎(chǔ)的“力學(xué)分層”與傳統(tǒng)的以鉆探為基礎(chǔ)的“土性分層”相比，不僅僅是靜探孔與鉆探孔數(shù)量多少的差異，而是反映了兩種不同的勘察理念。靜探具有設(shè)備簡(jiǎn)單、快速、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)；“力學(xué)分層”不僅能克服“土性分層”的漏層、錯(cuò)層、分層粗略及取樣易擾動(dòng)、代表性差等缺點(diǎn)，而且能提供豐富的、連續(xù)的原位測(cè)試數(shù)據(jù)，得到的“力學(xué)分層”剖面在巖土工程勘察和設(shè)計(jì)領(lǐng)域中具有廣泛的用途。

[1]DGJ 08—37—2002,巖土工程勘察規(guī)范[S]. [2]DGJ 08—11—1999,地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB 50021—2001,巖土工程勘察規(guī)范[S].

[4]GB 50007—2002,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. [5]CECS 04:1988,靜力觸探技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

通信地址：上海市中寧路99號(hào) 上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司。

F407.9

B

1007-4104(2014)03-0055-03

2014-01-27

徐筠波(1968—)，女，本科學(xué)歷，主任工程師，任職于上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司。