静力触探试验在地下车库基坑工程勘察中的应用

程超群

（芜湖市勘察测绘设计研究院有限责任公司， 安徽 芜湖 241000）

0 引言

静力触探试验是通过贯入设备将具有测试功能的锥形探头贯入土中，通过锥形探头锥尖和套筒侧壁受压后，内部电子传感器将压力信号转为电信号，并传输至电脑经过信号放大和信号转换，形成和显示为数值信号，获得静力触探试验所需的锥尖阻力和侧壁摩阻力，并用这两个测试数据计算摩阻比，进而推求土的物理力学性质，提供土层划分、确定地基承载力、确定基坑工程计算所需的静止侧压力系数、估算围护结构的水平承载力等[1-3]。静力触探试验作为一种竖向测试的原位测试试验，同时能够提供众多原位测试参数，因此，在我国的岩土工程勘察中得到了广泛的应用，并被我国的国家规范、铁路行业规范、公路行业规范等收录[4-5]。

本文依托地下车库基坑工程岩土勘察项目，在分析场区工程地质与水文地质条件的基础上，采用双桥静力触探设备对场区的岩土体进行现场测试，研究采用静力触探测试数据计算基坑工程设计中最为常用的力学参数，即砂土的内摩擦角、黏性土的不排水抗剪强度以及各层土的静止侧压力系数，研究成果可为基坑工程的设计提供经验参数和试验类比。

1 工程概况

拟建地下车库为商业住宅小区配套车库，主要有10栋45层民用住宅、7栋商业楼以及5栋公用房组成，设置2层地下车库，车库总面积为9500m2。根据钻探揭示表明，场区的地层主要为：①层素填土、②-1层淤泥质土、②-2层黏土（Qal）、③-1层粉质黏土（Qel）、③-3层粉质黏土（Qal）、③-5层粗砂。各土层的物理力学指标如下：

表1 各层土的物理力学指标

2 双桥静力触探试验

现场试验共布置静力触探试验孔62个，平均测试深度为45m，试验采用双桥静力触探设备进行测试，探头尺寸为：探头直径35.70mm，探头截面面积为10cm2，摩擦套筒表面积为200cm2，摩擦套筒长度为7cm，探头锥角为60°[6]。试验时，首先采用GPS将试样孔精确定位，并将贯入设备放置于放孔位置，随后采用水平尺和铅锤尺调整基座的标高和平稳程度，贯入反力采用螺旋杆支座，混凝土路面条件下采用安装膨胀螺栓的形式提供反力，采用液压贯入设备控制贯入速度为1～2cm/s，数据采集设备按1cm间隔持续采集锥尖阻力值和侧摩阻力值，并用两者的比值计算摩阻比[7]。另外，为了更好地对比试验成果，在场区内也进行了高质量的原状样取土进行室内三轴试验，以及预钻式旁压试验和十字板剪切试验。

3 试验成果分析

3.1 砂土的内摩擦角

砂土内摩擦角的确定方法主要有室内试验方法和原位测试方法，其中室内试验方法中最为主要的手段为直接剪切试验和三轴试验，但是由于砂土是颗粒状固体，黏聚力较小，在取样的时候极易受到扰动，在获取高质量的原状样时，需要大量的时间、人工和经费，因此，一般的工程勘察而言，由于工程费用的限制，获得的原状样质量难于保障，测试的砂土内摩擦角值可信度较差。因此建立原位测试方法与室内试验之间的相关关系成为砂土这类难于取样的岩土而言具有十分重要的作用。在砂土的内摩擦角的确定方面，国内的经验公式主要建立在单桥静力触探的比贯入阻力上，对于双桥静力触探锥尖阻力或侧壁摩阻力与内摩擦角的相互关系研究较少。Senneset根据圆孔扩张理论建立了锥尖阻力与砂土的内摩擦角的计算公式：

式中：Nq，Nu为利用砂土内摩擦角φ计算的无量纲承载力系数；σvo为总上覆压力(kPa)；Δu为超孔隙水压力(kPa)；α′为经验系数，其数值为：软的粉土，α′的范围为0～5，稍硬的粉土，α′的范围为5～15，硬的粉土，α′的范围为15～30；松散的砂土，α′为0，中密的砂土，α′的范围为10～20，密实的砂土，α′的范围为20～50。

试验时，对场区内的砂土采取高质量方法进行取样，并在室内三轴试验中确定砂土的内摩擦角，由此可以得到静力触探试验与室内三轴试验确定的内摩擦角关系如图1所示：

从图中可以看出，静力触探试验求取的砂土内摩擦将与室内不固结不排水试验获取的内摩擦角值十分接近，误差在±3°以内，因此，在实际的工程中，公式（1）所提供的计算式能够满足工程计算要求。

3.2 土体的静止侧压力系数

静止侧压力系数是地下室基坑工程围护结构中计算侧向土压力的重要输入参数，它反映了侧向土压力与上覆有效土压力之间的比值，因此在实际的岩土工程勘察中，提供准确的静止侧压力系数直接关系到围护结构的计算和土体的变形。Kulhawy和Mayne (1990)在大量的静力触探数据的总结和分析的基础上，对锥尖阻力进行归一化，然后考虑上覆土压力的影响提出土体的静止侧压力系数计算公式如下：

对场区同时采集静力触探试验数据和预钻式旁压试验数据，建立锥尖阻力与静力触探试验静止侧压力系数之间的相关关系，可以得到两者的相关关系如图2所示。从图中可以看出，锥尖阻力与静止侧压力系数之间可以线性关系表达，随着归一化锥尖阻力的增加，旁压试验静止侧压力系数逐渐降低，且误差在±0.05范围之内，满足工程实际设计要求，两者的相关方程式表示如下：

图2 静力触探与室内三轴试验内摩擦角对比

其中，k0为静止侧压力系数，qcmorm为归一化锥尖阻力。

3.3 黏性土的不排水抗剪强度

黏性土的不排水抗剪强度是基坑稳定性的重要评价指标。由于黏性土在饱和状态受剪应力作用，容易产生孔隙水压力，随着时间的增长，孔隙水压力消散，土的有效应力增加，大大地增加土体的变形，因此获取天然含水率状态下的黏性土不排水抗剪强度是岩土工程勘察中的重要任务。对场区的土层进行了静力触探试验与十字板剪切试验，对不排水抗剪强度拟合分析，得到相关关系如图3所示。从图中可以看出，锥尖阻力与黏性土不排水抗剪强度之间具有良好的线性关系，黏性土的不排水抗剪强度随着锥尖阻力的增加而增加，两者的拟合系数为0.8995。

图3 静力触探与旁压试验静止侧压力系数对比

图3 黏性土锥尖阻力与不排水抗剪强度相关关系

4 结论

依托地下车库基坑工程岩土勘察项目，在分析场区工程地质与水文地质条件的基础上，采用双桥静力触探设备对场区的岩土体进行现场测试，研究采用静力触探测试数据计算基坑工程设计中最为常用的力学参数，即砂土的内摩擦角、黏性土的不排水抗剪强度以及各层土的静止侧压力系数。得出以下结论：

（1）静力触探试验获取的内摩擦角与室内三轴不排水不固结试验确定的内摩擦角十分接近，误差在±3°；

（2）黏性土的不排水抗剪强度与土体的静止侧压力系数与锥尖阻力具有良好的线性相关关系，拟合关系如图3、图4所示。