静力触探在皖北公路勘察中的应用研究

叶东祥

摘 要 皖北第四系地层是特征比较明显、结构比较一致的平原区地层，静力触探是工程勘察中常用的一种原位测试手段，在皖北的公路勘察中采用静力触探的手段可以体现静探工勘的环保、经济、快速、劳动强度低等明显的优势，也可以发挥静力触探的技术优点。本文结合工程实例讨论了静力触探在皖北公路勘察中的应用。也初探了静力触探在公路施工中的应用空间。

关键词 静力触探;皖北地层;客观重现

前言

公路工程是典型的线性工程，其跨越的地貌和地质单元往往较多，针对这个特点，在进行工程勘察时一般动用的勘察手段具有针对性。静力触探是工程勘察时常用的一种手段，属于原位测试手段，可以在土质、粉细砂质等地层中通过贯入方式连续获得地层的力学性质;并可根据地区经验引申取得相关的物理参数。皖北地区地貌上地处淮北平原，地质地层分区上属于淮北平原地层小区，土质、砂质地层厚度较大，在工程勘察中非常适宜运用静力触探手段进行勘察。相对于常规的钻探手段，静探具备环保、经济、快速、劳动强度低等明显的优势。

1静力触探简介

静力触探（CPT，Cone Penetration Test）是工程勘察中一种勘探手段，目前在国际和国内已经比较成熟。它是将一定规格的与传感器相连的锥形探头采用静压方式按规定的速率匀速贯入土中，同时按一定深度间距测读探头所受阻力（比贯入阻力或端阻、侧阻）或其他参数的一种原位测试方法。其最常用的分类是按探头的功能进行分类，当采用仅能传感测量比贯入阻力的探头时，我们称之为单桥静探;当采用能同时传感测量锥尖阻力和侧壁摩阻力的探头时，我们称之为双桥静探;这两种静力触探是最成熟也是最常用的静探。除此之外，当探头带有测量孔隙水压力的传感器时，就是我们常说的孔压静探。随着科技的进步和传感器领域的发展，根据勘察的需要已经可以在探头上增设多种传感器以测量静探孔偏斜角度、地下水pH、土层温度、土层电阻率和土层波速等岩土参数。

2皖北第四系地层特点

皖北第四系地层在分区上属于华北地层区淮河地层分区淮北平原地层小区。淮河以北地势较为平坦，是典型的河湖相沉积平原，其第四系地层的形成主要受黄淮两河的控制，第四纪以来的新构造运动以大面积沉降为主，第四系地层厚度较大，一般在70到220米的范围内。仅在东北部淮北萧县一带有低山丘陵出露。皖北第四系层的主要组分是河湖的冲洪积形成的黏性土地层和砂层地层，有些区域由于单次沉积的黏性土层、砂层厚度较小，在垂直空间尺度上不易细分，呈互层状产出。按照公路工程地质勘察规范的定名，皖北的第四系地层的组分主要是由分布在河湖沟塘及其附近新近沉积的软土、广泛分布的粉质黏土和黏土、作为皖北特色的因黄淮泛滥成因的粉土以及水力作用沉积的粉细砂层等。这些地层容易被靜力触探贯入穿过，非常适宜采用静探手段进行勘察。但是在粉质黏土和黏土地层中，常有钙质结核和铁锰结核产出，会对贯入产生影响，贯入偶遇零星的铁锰结核时，静探孔的垂直度会受到影响;当铁锰结核富集成透镜体或夹层时，静力触探往往无法贯入穿过。另外在皖北的某些地区，下卧密实的中粗砂层，静探的贯入也无法穿过。

3静力触探在皖北公路勘察中的应用

静力触探的贯入机理十分复杂，贯入过程中被贯入的地层同时存在着压缩、剪切和空隙水压力等的变化，目前没有理想的力学模型贴切地完全描述这个过程，其应用精度依赖于经验关系的精度，而经验关系的精度依赖于大量数据的积累。工程界的前辈们在皖北的地层中曾经开展了大量的静力触探试验和钻探工作，积累了大量的静探数据并与钻探成果（包括室内土工试验）进行了对比，取得了相对精确的经验公式。这给我们在皖北公路勘察工作中运用静力触探手段提供了理想的基础。下面我们结合具体的工程实例，探讨静力触探在皖北公路勘察中的应用。

皖北地区某新建二级公路，长度21.75Km，其中拟建大桥1座，中桥2座，小桥2座，涵洞79处，拟选用取土场4处。其初步工程地质勘察的野外工作主要采用了静力触探为主，钻探为验证和辅助的方式完成，实际主要野外勘察工作量见下表：

路线上的静探孔采用单桥，主要查明路基有无下卧软弱土层，以及确定路基的天然承载力，其布设结合涵洞所在位置进行。软弱土的界定按照比贯入阻力小于1Mpa（一般性黏土）和比贯入阻力小于2 Mpa（粉土）作为界限。

黏土、粉质黏土的天然承载力按照下面经验公式给出：

f ak =80 P s+40--------（KPa） 当<3Mpa;

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

粉土的天然承载力按照下面经验公式给出：

f ak =40P s+40--------（KPa） 当<4Mpa;

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

对于桥位区的勘探运用的静力触探，采用了双桥静力触探，主要考虑双桥静探对皖北地区地层的划分比较精确，这样结合机钻钻孔，可以较为准确进行分层并给出每层地层的承载力和摩阻力。设计人员甚至可以根据地区经验公式，直接用双桥探头侧壁阻力fs测算钻孔灌注桩单桩承载力。并和传统方式的根据分层摩阻力测算的单桩承载力进行对比，进行优化和修正。对于取土场，也是采用了双桥静探，同样是为了有利于地层的划分，方便可用土方量的估算。

在具体的利用静力触探曲线进行地层划分时，皖北的地层对应的双桥静探曲线的特征非常明显。下面依据公路勘察规范的相关定名予以描述（双桥探头锥尖阻力和侧壁阻力分别用qc、fs表示）：

①软土、软弱土：qc数值很小，曲线较平直，fs在qc右侧且非常接近，曲线基本无起伏。②黏土：qc曲线起伏变化缓慢，fs在qc右侧且距离较远。③粉质黏土：qc曲线起伏变化缓慢，局部略有突峰，fs大都位于qc右侧且距离较近，当土质不均时局部交叉越过qc曲线。④粉土：qc值较大，曲线呈短锯齿状，齿峰较缓，fs曲线一般位于qc曲线右侧，局部间隔较大，偶尔和qc曲线左右穿插。⑤砂：qc值较大，曲线呈长锯齿状，fs曲线一般和qc曲线间隔较小，曲线尖峰处大部分位于qc曲线左侧;砂类土颗粒不均匀时qc曲线和fs曲线的尖齿更为剧烈，局部呈不规则的、残破的大锯齿状。

经过具体的工程勘察实践我们认为静力触探在皖北公路勘察中的应用除了具备环保、经济、快速、劳动强度低等明显的优势。相较于单纯的钻探在技术层面上还有着如下的优点：

①测试的指标直接由传感器获得，不受类似取样扰动等人为因素的影响，所得数据直接与土的物理力学性质相关。②试验的再现性良好，具备客观重现属性，在一个静探孔获得的静探曲线，在临近重新再次试验时可以获得几乎一样的静探曲线。③试验数据采集的连续性和间隔性稳定，数据采集自动化，具备稳定性高、精度可控的属性，能够根据需要判读出薄层和细小夹层，不至于漏层。④根据勘察的需要已经可以在探头上增设多种传感器以测量孔隙水压力、地下水pH、土层温度、土层电阻率和土层波速等岩土参数。

静力触探试验作为一种相对成熟的工程勘察手段，在皖北地区的工程地质勘察中早有运用[1]。在公路工程地质勘察中的采用也非常适合。作为一种客观的、重现性良好的勘察技术。在公路勘察设计后的施工中也有运用空间。因为设计阶段勘察中的应用主要针对静态的下卧地层，而在具体施工中的运用更偏重于动态，也就是实时监测评价下卧地层、填方土层在施工中的动态变化。这种施工中的运用也能进一步完善和优化静力触探的相关经验参数和经验公式。

参考文献

[1] 强鲁斌，王璐. 浅谈静力触探试验在工程勘察中的运用[J].人民长江，2007，38（9）：122-124.