靜力觸探在皖北公路勘察中的應(yīng)用研究

葉東祥

摘 要 皖北第四系地層是特征比較明顯、結(jié)構(gòu)比較一致的平原區(qū)地層，靜力觸探是工程勘察中常用的一種原位測試手段，在皖北的公路勘察中采用靜力觸探的手段可以體現(xiàn)靜探工勘的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、快速、勞動(dòng)強(qiáng)度低等明顯的優(yōu)勢(shì)，也可以發(fā)揮靜力觸探的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合工程實(shí)例討論了靜力觸探在皖北公路勘察中的應(yīng)用。也初探了靜力觸探在公路施工中的應(yīng)用空間。

關(guān)鍵詞 靜力觸探;皖北地層;客觀重現(xiàn)

前言

公路工程是典型的線性工程，其跨越的地貌和地質(zhì)單元往往較多，針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，在進(jìn)行工程勘察時(shí)一般動(dòng)用的勘察手段具有針對(duì)性。靜力觸探是工程勘察時(shí)常用的一種手段，屬于原位測試手段，可以在土質(zhì)、粉細(xì)砂質(zhì)等地層中通過貫入方式連續(xù)獲得地層的力學(xué)性質(zhì);并可根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)引申取得相關(guān)的物理參數(shù)。皖北地區(qū)地貌上地處淮北平原，地質(zhì)地層分區(qū)上屬于淮北平原地層小區(qū)，土質(zhì)、砂質(zhì)地層厚度較大，在工程勘察中非常適宜運(yùn)用靜力觸探手段進(jìn)行勘察。相對(duì)于常規(guī)的鉆探手段，靜探具備環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、快速、勞動(dòng)強(qiáng)度低等明顯的優(yōu)勢(shì)。

1靜力觸探簡介

靜力觸探（CPT，Cone Penetration Test）是工程勘察中一種勘探手段，目前在國際和國內(nèi)已經(jīng)比較成熟。它是將一定規(guī)格的與傳感器相連的錐形探頭采用靜壓方式按規(guī)定的速率勻速貫入土中，同時(shí)按一定深度間距測讀探頭所受阻力（比貫入阻力或端阻、側(cè)阻）或其他參數(shù)的一種原位測試方法。其最常用的分類是按探頭的功能進(jìn)行分類，當(dāng)采用僅能傳感測量比貫入阻力的探頭時(shí)，我們稱之為單橋靜探;當(dāng)采用能同時(shí)傳感測量錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力的探頭時(shí)，我們稱之為雙橋靜探;這兩種靜力觸探是最成熟也是最常用的靜探。除此之外，當(dāng)探頭帶有測量孔隙水壓力的傳感器時(shí)，就是我們常說的孔壓靜探。隨著科技的進(jìn)步和傳感器領(lǐng)域的發(fā)展，根據(jù)勘察的需要已經(jīng)可以在探頭上增設(shè)多種傳感器以測量靜探孔偏斜角度、地下水pH、土層溫度、土層電阻率和土層波速等巖土參數(shù)。

2皖北第四系地層特點(diǎn)

皖北第四系地層在分區(qū)上屬于華北地層區(qū)淮河地層分區(qū)淮北平原地層小區(qū)?；春右员钡貏?shì)較為平坦，是典型的河湖相沉積平原，其第四系地層的形成主要受黃淮兩河的控制，第四紀(jì)以來的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以大面積沉降為主，第四系地層厚度較大，一般在70到220米的范圍內(nèi)。僅在東北部淮北蕭縣一帶有低山丘陵出露。皖北第四系層的主要組分是河湖的沖洪積形成的黏性土地層和砂層地層，有些區(qū)域由于單次沉積的黏性土層、砂層厚度較小，在垂直空間尺度上不易細(xì)分，呈互層狀產(chǎn)出。按照公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范的定名，皖北的第四系地層的組分主要是由分布在河湖溝塘及其附近新近沉積的軟土、廣泛分布的粉質(zhì)黏土和黏土、作為皖北特色的因黃淮泛濫成因的粉土以及水力作用沉積的粉細(xì)砂層等。這些地層容易被靜力觸探貫入穿過，非常適宜采用靜探手段進(jìn)行勘察。但是在粉質(zhì)黏土和黏土地層中，常有鈣質(zhì)結(jié)核和鐵錳結(jié)核產(chǎn)出，會(huì)對(duì)貫入產(chǎn)生影響，貫入偶遇零星的鐵錳結(jié)核時(shí)，靜探孔的垂直度會(huì)受到影響;當(dāng)鐵錳結(jié)核富集成透鏡體或夾層時(shí)，靜力觸探往往無法貫入穿過。另外在皖北的某些地區(qū)，下臥密實(shí)的中粗砂層，靜探的貫入也無法穿過。

3靜力觸探在皖北公路勘察中的應(yīng)用

靜力觸探的貫入機(jī)理十分復(fù)雜，貫入過程中被貫入的地層同時(shí)存在著壓縮、剪切和空隙水壓力等的變化，目前沒有理想的力學(xué)模型貼切地完全描述這個(gè)過程，其應(yīng)用精度依賴于經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的精度，而經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的精度依賴于大量數(shù)據(jù)的積累。工程界的前輩們?cè)谕畋钡牡貙又性?jīng)開展了大量的靜力觸探試驗(yàn)和鉆探工作，積累了大量的靜探數(shù)據(jù)并與鉆探成果（包括室內(nèi)土工試驗(yàn)）進(jìn)行了對(duì)比，取得了相對(duì)精確的經(jīng)驗(yàn)公式。這給我們?cè)谕畋惫房辈旃ぷ髦羞\(yùn)用靜力觸探手段提供了理想的基礎(chǔ)。下面我們結(jié)合具體的工程實(shí)例，探討靜力觸探在皖北公路勘察中的應(yīng)用。

皖北地區(qū)某新建二級(jí)公路，長度21.75Km，其中擬建大橋1座，中橋2座，小橋2座，涵洞79處，擬選用取土場4處。其初步工程地質(zhì)勘察的野外工作主要采用了靜力觸探為主，鉆探為驗(yàn)證和輔助的方式完成，實(shí)際主要野外勘察工作量見下表：

路線上的靜探孔采用單橋，主要查明路基有無下臥軟弱土層，以及確定路基的天然承載力，其布設(shè)結(jié)合涵洞所在位置進(jìn)行。軟弱土的界定按照比貫入阻力小于1Mpa（一般性黏土）和比貫入阻力小于2 Mpa（粉土）作為界限。

黏土、粉質(zhì)黏土的天然承載力按照下面經(jīng)驗(yàn)公式給出：

f ak =80 P s+40--------（KPa） 當(dāng)<3Mpa;

f ak =330-150/P s--------（KPa）當(dāng) P s≥3Mpa。

粉土的天然承載力按照下面經(jīng)驗(yàn)公式給出：

f ak =40P s+40--------（KPa） 當(dāng)<4Mpa;

f ak = 35ln（P s） +155--------（KPa）當(dāng) P s≥4Mpa。

對(duì)于橋位區(qū)的勘探運(yùn)用的靜力觸探，采用了雙橋靜力觸探，主要考慮雙橋靜探對(duì)皖北地區(qū)地層的劃分比較精確，這樣結(jié)合機(jī)鉆鉆孔，可以較為準(zhǔn)確進(jìn)行分層并給出每層地層的承載力和摩阻力。設(shè)計(jì)人員甚至可以根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式，直接用雙橋探頭側(cè)壁阻力fs測算鉆孔灌注樁單樁承載力。并和傳統(tǒng)方式的根據(jù)分層摩阻力測算的單樁承載力進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行優(yōu)化和修正。對(duì)于取土場，也是采用了雙橋靜探，同樣是為了有利于地層的劃分，方便可用土方量的估算。

在具體的利用靜力觸探曲線進(jìn)行地層劃分時(shí)，皖北的地層對(duì)應(yīng)的雙橋靜探曲線的特征非常明顯。下面依據(jù)公路勘察規(guī)范的相關(guān)定名予以描述（雙橋探頭錐尖阻力和側(cè)壁阻力分別用qc、fs表示）：

①軟土、軟弱土：qc數(shù)值很小，曲線較平直，fs在qc右側(cè)且非常接近，曲線基本無起伏。②黏土：qc曲線起伏變化緩慢，fs在qc右側(cè)且距離較遠(yuǎn)。③粉質(zhì)黏土：qc曲線起伏變化緩慢，局部略有突峰，fs大都位于qc右側(cè)且距離較近，當(dāng)土質(zhì)不均時(shí)局部交叉越過qc曲線。④粉土：qc值較大，曲線呈短鋸齒狀，齒峰較緩，fs曲線一般位于qc曲線右側(cè)，局部間隔較大，偶爾和qc曲線左右穿插。⑤砂：qc值較大，曲線呈長鋸齒狀，fs曲線一般和qc曲線間隔較小，曲線尖峰處大部分位于qc曲線左側(cè);砂類土顆粒不均勻時(shí)qc曲線和fs曲線的尖齒更為劇烈，局部呈不規(guī)則的、殘破的大鋸齒狀。

經(jīng)過具體的工程勘察實(shí)踐我們認(rèn)為靜力觸探在皖北公路勘察中的應(yīng)用除了具備環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、快速、勞動(dòng)強(qiáng)度低等明顯的優(yōu)勢(shì)。相較于單純的鉆探在技術(shù)層面上還有著如下的優(yōu)點(diǎn)：

①測試的指標(biāo)直接由傳感器獲得，不受類似取樣擾動(dòng)等人為因素的影響，所得數(shù)據(jù)直接與土的物理力學(xué)性質(zhì)相關(guān)。②試驗(yàn)的再現(xiàn)性良好，具備客觀重現(xiàn)屬性，在一個(gè)靜探孔獲得的靜探曲線，在臨近重新再次試驗(yàn)時(shí)可以獲得幾乎一樣的靜探曲線。③試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性和間隔性穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化，具備穩(wěn)定性高、精度可控的屬性，能夠根據(jù)需要判讀出薄層和細(xì)小夾層，不至于漏層。④根據(jù)勘察的需要已經(jīng)可以在探頭上增設(shè)多種傳感器以測量孔隙水壓力、地下水pH、土層溫度、土層電阻率和土層波速等巖土參數(shù)。

靜力觸探試驗(yàn)作為一種相對(duì)成熟的工程勘察手段，在皖北地區(qū)的工程地質(zhì)勘察中早有運(yùn)用[1]。在公路工程地質(zhì)勘察中的采用也非常適合。作為一種客觀的、重現(xiàn)性良好的勘察技術(shù)。在公路勘察設(shè)計(jì)后的施工中也有運(yùn)用空間。因?yàn)樵O(shè)計(jì)階段勘察中的應(yīng)用主要針對(duì)靜態(tài)的下臥地層，而在具體施工中的運(yùn)用更偏重于動(dòng)態(tài)，也就是實(shí)時(shí)監(jiān)測評(píng)價(jià)下臥地層、填方土層在施工中的動(dòng)態(tài)變化。這種施工中的運(yùn)用也能進(jìn)一步完善和優(yōu)化靜力觸探的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)公式。

參考文獻(xiàn)

[1] 強(qiáng)魯斌，王璐. 淺談靜力觸探試驗(yàn)在工程勘察中的運(yùn)用[J].人民長江，2007，38（9）：122-124.