靜力觸探淺析及土層劃分實(shí)際應(yīng)用案例

胡明正

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南 250022)

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靜力觸探淺析及土層劃分實(shí)際應(yīng)用案例

胡明正

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南 250022)

靜力觸探可以快速準(zhǔn)確地獲得巖土的原位力學(xué)參數(shù)。單純的數(shù)據(jù)分析時(shí)，少量數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)地層分析影響較大，這時(shí)就需要有鉆探資料的支持。鉆探可以更為直觀地判斷現(xiàn)場(chǎng)地層分布情況，但鉆探相對(duì)靜力觸探時(shí)間久、費(fèi)用貴，而且獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)不如靜力觸探試驗(yàn)原位測(cè)試可靠。因此，在場(chǎng)地條件允許的情況下，兩種方法的結(jié)合是最佳選擇。

靜力觸探 鉆探 對(duì)比分析

1 概述

1.1 靜力觸探發(fā)展

原位測(cè)試避免了鉆探、取樣、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)對(duì)巖土體原生結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，可以快速、準(zhǔn)確獲取巖土體原位性狀的工程性質(zhì)參數(shù)，在工程建設(shè)中有著不可替代的作用，而靜力觸探是應(yīng)用最廣和最成熟的手段之一。靜力觸探試驗(yàn)是用靜壓力勻速將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的圓錐形探頭壓入土層中，同時(shí)量測(cè)探頭阻力、土的力學(xué)特性的一種原位測(cè)試方法，具有確定地層界面和獲取多種工程地質(zhì)參數(shù)的雙重功能。

早在1917年，瑞典鐵路工程中就正式采用了螺旋錐頭式靜力觸探。1965年，荷蘭Fugro與TNO聯(lián)合推出了一種電測(cè)式探頭，其規(guī)格也是后來(lái)ISSMFE標(biāo)準(zhǔn)和許多國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。此后世界上許多國(guó)家研制出不同的電測(cè)式觸探儀。新型靜力觸探儀的不斷出現(xiàn)，標(biāo)志著這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)際上受到廣泛的重視。

在我國(guó)，自1954年起引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)，1964年王鐘琦教授等成功地研制出我國(guó)第一臺(tái)電測(cè)式觸探儀。1965年，原建設(shè)工業(yè)部綜合勘察研究院自行設(shè)計(jì)制造了電阻應(yīng)變式靜力觸探儀，并通過(guò)近百組對(duì)比試驗(yàn)，建立了貫入阻力與天然地基承載力的統(tǒng)計(jì)公式。1966年，湖北電力設(shè)計(jì)院、湖北勘察院等11個(gè)單位組成“武漢聯(lián)合測(cè)試組”，在武漢市及長(zhǎng)江中下游的一些地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)數(shù)年的努力，建立了比貫入阻力Ps與第四紀(jì)土的變形模量E0及承載力的各項(xiàng)回歸方程。1967年，中南勘察院和武漢城市規(guī)劃設(shè)計(jì)院研制成功機(jī)械傳動(dòng)靜力觸探儀。1969年，鐵道部第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)制造出雙缸油壓靜力觸探，促進(jìn)了我國(guó)靜力觸探的發(fā)展。

靜力觸探主要分為單橋靜力觸探、雙橋靜力觸探。單橋靜力觸探探頭可測(cè)定土的比貫入阻力Ps，雙橋靜力觸探探頭可測(cè)定土的端阻qc和側(cè)阻fs。另有三功能孔壓探頭，除測(cè)定土的qc、fs外，還可測(cè)定貫入孔隙壓力u0及其消散過(guò)程值ut。

1.2 根據(jù)靜力觸探數(shù)據(jù)進(jìn)行土層劃分

靜力觸探探頭阻力與深度曲線(xiàn)分段：根據(jù)各種阻力大小和曲線(xiàn)形狀進(jìn)行綜合分段，如阻力較小、摩阻比較大、曲線(xiàn)變化小的曲線(xiàn)段所代表的土層多為黏性土層；而阻力大、摩阻比較小、曲線(xiàn)呈急劇變化的鋸齒狀則為砂類(lèi)土。

土層界面的確定：探頭在貫入到上下土層分界處時(shí)，會(huì)受到上下土層的共同影響而發(fā)生變化(變大或變小)，此時(shí)應(yīng)根據(jù)超前深度和滯后深度來(lái)確定土層界面。但同時(shí)要參考附近鉆孔揭示的土層界面深度來(lái)調(diào)整。

經(jīng)過(guò)上述兩步驟后，再將每一層土的探頭阻力等參數(shù)分別進(jìn)行算術(shù)平均，其平均值可用來(lái)定土層名稱(chēng)?？梢罁?jù)各種經(jīng)驗(yàn)圖形定巖土體名稱(chēng)，同時(shí)應(yīng)考慮異常值對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，并參考附近鉆探資料。

1.3 靜力觸探與鉆探的關(guān)系

靜力觸探作為一種原位測(cè)試方法，其數(shù)據(jù)較為連貫完整，測(cè)試深度較大，且使用方便、快速。所以在適合運(yùn)用靜力觸探的場(chǎng)地中，如軟土、松軟土地區(qū)，可以盡量多布置一些靜力觸探孔，但由于觸探數(shù)據(jù)有時(shí)分布相對(duì)比較雜亂，甚至可能因?yàn)樯倭繑?shù)據(jù)的影響，導(dǎo)致土層定名誤差較大，進(jìn)而影響后面的分析，故鉆探依然是必不可少的一種勘察手段。鉆控可以提供直接明了的地層分布，但由于鉆孔中連續(xù)的原位測(cè)試費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且效果不一定好。兩種方法結(jié)合，既能獲得連續(xù)完整的原位測(cè)試數(shù)據(jù)，又能獲得準(zhǔn)確的地層分布，從而提高勘察質(zhì)量，加快勘察進(jìn)度。

2 實(shí)例分析

2.1 松軟土中勘察

通過(guò)一個(gè)實(shí)際案例來(lái)討論靜力觸探與鉆探的對(duì)比情況(見(jiàn)表1)。

表1 原始靜力觸探數(shù)據(jù)

雙橋靜力觸探曲線(xiàn)如圖1。

圖1 靜力觸探試驗(yàn)曲線(xiàn)

0.0～3.0 m，即高程-0.1 m以上，錐頭阻力平均值qc=1.18 MPa，摩阻比Rf=2.92%，按《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》10.5.5節(jié)，此層應(yīng)定為粉質(zhì)黏土，參考附近地層資料及分析數(shù)據(jù)離散性，可定為軟塑狀態(tài)(見(jiàn)圖2)。

圖2 雙橋觸探參數(shù)判別土類(lèi)

3.0～10.0 m，即高程-0.1～7.1 m，錐頭阻力平均值qc=5.99 MPa，摩阻比Rf=1.06%，Rf=0.101 3×5.99+0.32=0.93，1.06稍大于0.93，考慮數(shù)據(jù)離散性及附近地層資料，此層可定為粉砂，又據(jù)表2，可定為稍密狀態(tài)。

表2 石英質(zhì)砂土的相對(duì)密實(shí)度Dr

10.0～12.1 m，即高程-7.1～9.2 m，錐頭阻力平均值qc=2.04 MPa，摩阻比Rf=1.67%，按數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果，該層應(yīng)定為粉土，考慮數(shù)據(jù)離散性及附近地層資料，此層應(yīng)定為粉質(zhì)黏土，可定為硬塑狀態(tài)。

12.1～15.0 m，即高程-9.2～12.1 m，錐頭阻力平均值qc=5.9 MPa，摩阻比Rf=1.46%，此層可定為粉土。

據(jù)靜力觸探孔側(cè)鉆探揭示，高程-1.0 m以上為粉質(zhì)黏土，黃褐色，軟塑；高程-1.0～7.5 m為粉砂，褐灰色，偶見(jiàn)貝殼碎屑，局部夾薄層粉土；此層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)3次，擊數(shù)分別為9、10、14，故可定為松散-稍密。高程-7.5～10.4 m為粉質(zhì)黏土，硬塑，局部夾薄層粉土，與靜力觸探此層錐頭阻力曲線(xiàn)異常區(qū)域基本吻合。高程-10.4 m以下為粉土，飽和，稍密，局部夾薄層粉質(zhì)黏土，與靜力觸探此層錐頭阻力曲線(xiàn)異常區(qū)域基本吻合(如圖3)。

圖3 鉆孔柱狀圖

2.2 軟土中的勘察

靜力觸探對(duì)軟土的判定具有準(zhǔn)確可靠的特點(diǎn)，所以一般軟土地區(qū)勘察，靜力觸探應(yīng)用更為普遍。下面通過(guò)一個(gè)軟土場(chǎng)地鉆探與靜力觸探的分析對(duì)實(shí)例來(lái)說(shuō)明(見(jiàn)表3)。

由靜力觸探試驗(yàn)曲線(xiàn)可以看到，高程1.6～2.6 m，即深度1.4～5.6 m，錐頭阻力曲線(xiàn)及摩阻比曲線(xiàn)都相對(duì)比較平緩，即地層變化不大，其中高程1.6～0.3 m，即深度1.4～2.7 m段，錐頭阻力平均值qc=0.38 MPa，遠(yuǎn)小于0.7，摩阻比Rf=1.62%，0.297 3×0.38+1.6=1.71，稍大于1.62；高程0.3～2.6 m，即深度2.7～5.6 m，錐頭阻力平均值qc=0.33 MPa，遠(yuǎn)小于0.7，摩阻比Rf=1.62%，0.297 3×0.33+1.6=1.70，稍大于1.66；參考附近地質(zhì)資料，定深度1.4～5.6 m為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(見(jiàn)圖4)。

表3 原始靜力觸探數(shù)據(jù)

圖4 靜力觸探試驗(yàn)曲線(xiàn)

據(jù)鉆探揭示，高程1.5～2.6 m為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，黃褐色，灰褐色，軟塑，局部流塑，局部夾薄層粉質(zhì)黏土或黏土，證明前期靜力觸探分析結(jié)論的正確性(見(jiàn)圖5)。

3 結(jié)束語(yǔ)

靜力觸探可以快速準(zhǔn)確地獲得巖土的原位力學(xué)參數(shù)，避免鉆探、取樣及運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)土體的擾動(dòng)，可以獲得更為準(zhǔn)確的原位測(cè)試數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)提供更為準(zhǔn)確的參數(shù)。單純的數(shù)據(jù)分析時(shí)，個(gè)別數(shù)據(jù)變化較大，或者有時(shí)幾個(gè)數(shù)據(jù)可能對(duì)整個(gè)地層的定名、分析影響較大，這時(shí)就需要有鉆探資料的支持。鉆探可以更為直觀地判斷分析現(xiàn)場(chǎng)地層分布情況，但鉆探相對(duì)靜力觸探費(fèi)用貴，而且獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不如靜力觸探試驗(yàn)原位測(cè)試準(zhǔn)確可靠。因此，在場(chǎng)地條件允許的情況下，兩種方法的結(jié)合才是最佳選擇。

圖5 鉆孔柱狀圖

[1] TB10018—2003鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程[S]

[2] TB10012—2007鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[3] TB10038—2012鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程[S]

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Simple Analysis of CPT and Practical Application Case of Stratigraphic Division

HU Mingzheng

2016-08-04

胡明正(1986—)，男，2007年畢業(yè)于西南交通大學(xué)地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)，工程師。

1672-7479(2016)06-0038-04

TU413

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