原位测试方法在基坑勘察中的应用

郑晓鹏

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)



原位测试方法在基坑勘察中的应用

郑晓鹏

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

Application of in Situ Testing Technology in Foundation Pit Investigation

ZHENG Xiaopeng

摘要通过运用原位测试手段对某枢纽场地软土地层进行测试，获得地层中原位测试试验各指标参数的变化规律，并对多种测试手段进行对比分析。结果表明：多种测试成果基本吻合，试验结果可靠，各种测试手段有相对适用的地质条件。多种原位测试方法的综合应用，可以提高地层设计参数的准确性。

关键词原位测试；扁铲侧胀；静力触探；十字板剪切

原位测试方法是在现场保持地层不扰动或基本不扰动的情况下，测定岩土的物理力学指标。原位测试在确定地层物理力学参数方面的可靠性得到普遍认同。室内土工试验，虽然能够获得土样的指标，但无法完全反映地层原始状态的性质，并且样品在采集时容易扰动，土工试验人员的试验手法和经验有差异，导致土工试验在反映地层的性质上有偏差。

1工程地质概况

本工程为某高铁延伸线引入枢纽站。此次仅对该枢纽站的基坑展开研究，主要测试仪器有静力触探试验仪、扁铲侧胀试验仪、十字板剪切试验仪等。选取关键性孔进行测试研究，为工程提供更可靠的设计参数。经勘探揭示，本场地代表性地质剖面见图1。

图1　代表性工程地质剖面

2扁铲侧胀试验

2.1数据采集

测试时，将接在探杆上的插板贯入土中，压至预定深度，再施加压力，使钢膜膨胀，通过压力和变形关系，计算出不同测试深度上对应的侧向压力p0(膜片在基座时土体所受的压力)、p1(膜片距离基座1.10 mm时土体所受的压力)、Δp(p0、p1差值)。制作代表性J-3孔压力随深度h的变化曲线(见图2)。

根据压力随深度的变化曲线，可以基本判别：土性变化明显的位置大致在6 m、8 m、21 m处，从而对地层有宏观的了解。

2.2ID、KD、ED数据分析

图3　J-3孔ID、KD、ED随深度h变化曲线

通过p0、p1、Δp值分别可求得基本试验参数：土类指数ID、侧胀模量ED、水平应力指数KD，并制作其随深度h的变化曲线(见图3)。ID、KD、ED曲线能够合理的反映地层性质，可用于划分地层。

图2　J-3孔p0、p1、Δp随深度h的变化曲线

结合图3可以看出，0～25 m的ID值大部分小于1.0，0.8～3.4 m的ID值约在0.26附近波动，为黏土-粉质黏土。3.4～6.4 m的ID值约在0.46附近波动，以粉质黏土为主。6.4～8.2 m的ID值在1.77附近波动，以粉土为主。8.2～21.2 m的ID值在0.40左右，为粉质黏土。21.2～25.0 m的ID值在0.65附近波动，以粉土为主。其中，6.4～8.2 m的ID值起伏较大，该地层含有砂粒及贝壳碎屑；21.2～25.0 m的ID值略有起伏，该地层夹有黏性土薄层。利用土性指数ID基本可以判别土的特性，与钻探的实际情况基本吻合。

由图3可以看出，KD随h的增加而逐渐减小，从14.6衰减到1.6，接近1.0，表明地层水平应力和竖向应力随深度的增加，差值在减小，最终会接近相等。而ED与地层岩性有关联，在岩性分界处KD变化明显；在砂土和粉土中ED值稍大，一般黏性土中ED值次之，软土中ED值较小；综合ED与ID的关系，可以提供土类划分的准确性。

2.3超固结比OCR值分析

1980年，Marchetti通过研究发现，对于未胶结、颗粒级配良好的饱和土，当ID<1.2时，其超固结比OCR和KD之间存在如下关系

(1)

根据公式(1)和KD值制作OCR随深度变化曲线(如图4)。KD是扁铲侧胀试验的重要指标，通过OCR值可了解地层的沉积过程，由OCR值随深度变化曲线，可以判断0～6 m地层OCR值远大于1，可判定为超固结土。6～21 m地层OCR值平均值在1.6左右，为超固结逐渐向正常固结土过渡。21 m以下地层，OCR值小于1，为正常固结逐渐向欠固结土过渡。根据勘探资料，19.7～25.2 m地层为第Ⅱ陆相，25.2 m以下地层为第Ⅲ陆相，水平应力指数KD分析结果与地层实际状况基本吻合。

图4　OCR值随深度变化曲线

3静力触探试验

图5　J-3孔qc、fs、Rf随深度h的变化曲线

本次双桥静力触探试验，利用测试点J-3孔绘制锥尖阻力qc、侧壁摩擦力fs、摩阻比Rf随深度h的曲线(如图5)。根据变化曲线，可以判别土类。综合图3、图5可以看出：从8～14 m深度，以软土为主，水平侧向压力p0、p1随深度呈线性比例增加，但增幅Δp值变化缓慢，不剧烈。另外，侧胀模量ED、水平应力指数KD波动较小，8～14 m地层土性基本不变。在21 m深度以下，地层主要为粉土，水平侧向压力p0、p1增长波动较大，其与静力触探结果较吻合。在图5中，8～14 m地层测试中，qc、fs随深度呈线性，平缓增加，增幅较小，并且qc值基本都低于0.7 MPa。而在21 m以下，qc、fs数值波动较大。通过对比分析，静力触探与扁铲试验之间有关联，测试结果基本吻合。

4十字板剪切试验

试验中将十字板头压入孔底土中，以均匀的速度转动，破坏土体，获得土的抗剪强度和灵敏度。代表性J-3孔Cu随深度h的变化曲线见图6。

图6　J-3孔Cu-h变化曲线

由Cu-h变化曲线可以看出，0～4.0 m土层抗剪强度较小，土质不均匀，随深度呈上升趋势，曲线稍有波动；4.0～8.0 m土层抗剪强度波动较大，土质很不均匀，夹粉土、砂粒，个别测点强度上升幅度较大；8.0～14.0 m土层抗剪强度变化缓慢，波动较小，土质均匀；14.0处土层抗剪强度在60 kPa左右，14.0 m以下地层稍硬，仪器较难贯入。

场地进行了原状土、重塑土对比测试，抗剪强度数值绘制如图7。

图7　原状土与重塑土对比测试

从图7可看出，不排水抗剪强度Cu呈现随深度的增加而增大的趋势，原状土强度曲线和重塑土曲线随深度的变化趋势基本一致，对于均匀地层，曲线波动较小，呈线性增长，对于不均匀地层，曲线波动较大；根据测试数据得到0.6～3.3 m处软土的灵敏度为4.75，8.1～14.1 m处软土的灵敏度为4.10。

对于土质不均匀、强度较大的地层，进行十字板剪切试验有一定的局限性，数值波动较大，容易造成测试结果的不准确，对于夹大颗粒的地层，还存在仪器被折断的风险。对于均匀软土层，数值波动较小，测试结果规律性较好。因此，有必要了解试验场地的地质条件，再采用十字板试验。

5结论

通过基坑工程中原位测试的应用和分析，可以得到以下结论：

(1)扁铲侧胀试验在软弱、松散土中适用性较好，而对于坚硬、密实的土层，适用性较差。

(2)扁铲侧胀和静力触探试验可对地层进行初步划分，快速了解场地的基本地质情况，成本较低。对土层的精确划分，需要结合钻探、土工试验等手段。

(3)扁铲材料指数ID是一个反映土的物性参数，对于正常沉积的均匀土体规律性较好，综合其他的手段来判别，可以提高精度。

(4)十字板试验对于均匀的软土地层，测试结果规律性较好，对于土质不均匀和强度较大的地层，测试数据具有离散性。

(5)原位测试方法的综合应用，可多方面掌握地层的特性，为工程的设计提供充分的岩土参数。

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中图分类号：U442.2

文献标识码：B

文章编号：1672-7479(2016)01-0055-04

作者简介：郑晓鹏(1962—)，男，2014年毕业于北京交通大学土木工程专业，工程师。

收稿日期：2015-12-03