双桥静力触探试验在南通地铁车站工程勘察中的应用

■ 中铁上海设计院集团有限公司 李炜

在岩土工程勘察中，静力触探试验是最为常见的原位测试方法之一，具有操作方便、自动化数据采集、数据连续性好、兼具勘探与测试功能、参数进度和重复性高、设备稳定等诸多优点，在土层划分、确定土地物理力学参数、确定地基承载力、桩基承载力和判别砂土液化等方面具有明显优势[1]—[3]。在我国应用较多的测试设备为单桥静力触探，但由于其测试参数仅一个比贯入阻力，远不能满足要求，且设备型号与国际通用设备不统一，不利于成果交流与分享。为此，国内逐步采用双桥静力触探试验设备进行测试，测试功能逐渐多样化，参数包含了锥尖阻力、侧壁摩阻力和摩阻比，大大提高了设备测试能力[4]—[5]。

在双桥静力触探研究方面，樊向阳[6]等人在上海地区2个工程场地进行了单桥静力触探试验与双桥静力触探试验对比，建立了比贯入阻力与锥尖阻力之间的换算关系；王辉[7]采用BP网络预测方法对长三角地区全新统冲积层的承载力、粘聚力和内摩擦力进行了预测，预测值具有较高精度；王刚[8]等人根据徐州市某场地的双桥静力触探试验曲线，尝试分别利用锥尖阻力曲线和侧壁摩阻力曲线对土层进行划分，并总结了两者在不同地层中的反映；阳小良[9]采用双桥静力触探方法对第四系滨海相黏土进行了测试，建立了双桥静力触探方法与室内试验方法获取的不排水抗剪强度之间的相关关系；姜祺[10]采用双桥静力触探试验对天津地铁在建的14个场区进行测试，并探讨了利用锥尖阻力和摩阻比评价砂土液化的可行性。综合分析可知，国内工程勘察采用双桥静力触探试验已成为主流趋势，但在土层划分以及土层物理力学参数的解译方面，研究还有待深入，对区域性土层、空间变异性土层等仍需要展开大量的工程实践与总结，使双桥静力触探试验理论更成熟，应用更广泛。

本文依托南通市城市轨道交通1号线一期工程太平路站工程勘察，采用双桥静力触探方法对场区进行数据采集和分析，研究了从淤泥质粉质黏土到中砂一系列土层的土层划分、压缩模量以及静止侧压力系数，以期为城市地铁车站基坑工程设计或模拟分析提供真实反映土层原位状态的计算输入参数。

工程概况

南通市城市轨道交通1号线一期工程线路，全长39.4km，北起通州区平潮站，终于崇川区振兴路站，全线共设置28座地下车站，平均站间距为1.436km。其中，太平路站为南通市城市轨道交通1号线第21座地下车站，与规划3号线换乘，车站长370.3m，宽为21.3m，中心里程为右CK32+275.100，采用钢筋混凝土箱型框架结构，车站主体基坑标准段为17.14m、端头井为18.84m、换乘段为26.64m，采用地下连续墙+内支撑围护型式，地连墙厚度为800mm和1000mm两种形式，围护深度在标准段为31.0m，在端头井为33.0m；附属结构基坑采用SMW工法桩型式，深度为20.0m。车站基坑以明挖顺作法施工为主。

场区工程地质条件

在勘察深度75.0m埋深范围内分布的地层分别为第四系全新统（Q4）地层、第四系上更新统（Q3）地层，自上而下可分为7个工程地质单元层、6个亚层、2个透镜体层。区内第四系全新统（Q4）地层厚度40m～50m，近地表广泛分布，全新统地层内微体化石丰富，下段为河流—河口相，滨海相沉积，中段为滨海—浅海相沉积，上段为河口、河湖相沉积。从下至上构成为完整的海进—海退旋迴；第四系上更新统（Q3）埋深在40m～50m左右，地层厚度一般70m～80m，局部地段50m～60m，下段及上段为河流—河口相沉积，中段为河流相沉积。场地内各土层的厚度分布特征如表1所示。

表1 场区地层厚度特征

双桥静力触探试验

试验点布置

在太平路站共布置静力触探试验孔49个，测试延米达到2385m，其中，35m孔11个、40m孔9个、45m孔2个、55m孔18个、60m孔7个、70m孔2个。具体的试验操作步骤和试验规程参考《岩土工程勘察规范》（2009年版）（GB 50021—2001）[11]、《铁路工程地质原位测试规程》（TB 10018—2003）[12]，探头面积为15cm2，套筒面积为300cm2，锥尖率定系数K=4.050kPa/l，侧壁率定系数K=0.05225kPa/l，采用CTS—3型触探仪液压贯入，D310型记录仪自动记录，采样间距为10mm。

试验成果

从图1可以看出，锥尖阻力和侧壁摩阻力测试数据变化连续，锥尖阻力能够较好地反映土层的力学性质，即土层越“坚硬”，锥尖助力值越大，反之则越小。从表2可以看出，同一层土的侧壁摩阻力比锥尖摩阻力的变异系数大，且各层土之间的锥尖阻力存在差异，这为建立土层的强度参数诸如不排水抗剪强度指标、刚度参数诸如压缩模量和剪切模量等与锥尖阻力之间的相关关系奠定了现实基础。

图1 场区典型双桥静力触探试验曲线（S22XJ36孔）

摩阻比是锥尖阻力与侧壁摩阻力的百分比，综合反映了土体的竖向压缩强度与水平向抗剪强度，因此对天然应力状态下的土层具有较好的分辨能力，摩阻比曲线呈现良好的土层分层特征。从图1可以明显看出，对于③2粉砂层、⑥粉砂、⑦中砂，由于土质较均匀，砂土在受到锥头贯入时，锥尖阻力曲线与侧壁摩阻力曲线的变化具有较好的“协同性”，此三层土的锥尖阻力值、侧壁摩阻力值的变异系数均小于0.15，如表2所示。因此，摩阻力曲线表现出较小的波动幅度，而对于存在夹层、互层的“混合土”，如②粉砂夹黏质粉土、③1粉砂夹砂质粉土、⑤1粉砂夹粉质黏土，由于夹薄层较多，受沉积环境和沉积过程的影响，土质空间变异性较大，土层锥尖阻力值、侧壁摩阻力值的变异系数在0.09～0.26之间，因此出现了摩阻比曲线的剧烈波动。尽管如此，根据地质钻探揭示的地层划分来看，同一层土的摩阻比仍具有分层差异，但单一地采用摩阻比对混合土进行土层划分，分辨率存在一定程度地降低，使得土层分离效果不理想，③ 粉质黏土夹砂质粉土、④1淤泥质粉质黏土夹砂质粉砂、⑤1t粉质黏土夹粉砂的摩阻比也具有类似规律。

表2 场区各土层双桥静力触探试验成果统计

试验成果分析

土层划分

图2为根据《工程地质手册》（第五版）[13]中双桥静力触探的分类图表对场区的土层进行划分结果。从图中可以看出，图表综合了摩阻比和锥尖阻力两个参数，提供了较为明确的土层划分函数，且函数呈线性关系，简单地将土层切割为软土、黏土、粉质黏土、粉土和砂土5个区间，划分方法粗放。在划分结果上，③2粉砂、⑥粉砂、⑦中砂的划分精度高，对于存在夹层、互层的混合土的划分上，土层分类精度则呈现不同的结果。比如，对于③1粉砂夹砂质粉土的划分精度高，点基本上落在了砂土区间和粉土区间；对于④1淤泥质粉质黏土夹粉砂划分精度较高，有80%的点落在了粉质黏土和粉土区间，但无点落在软土区间，④2粉质黏土夹砂质粉土精度较高，存在10%的点落在黏土区间，10%的点落在砂土区间；对于⑤1粉砂夹粉质黏土的划分精度中等，有80%的点落在了粉土上，⑤1t粉质黏土夹粉砂的划分精度，近45%的点落在粉土区间、45%的落在粉质黏土区间；对于②粉砂夹黏质粉土的划分精度差，存在50%的点划分在了软土区间。

图2 场区典型双桥静力触探试验曲线

因此，对于土质较均匀的砂土而言，采用图表法能够获得较为可信的土层划分结果。而对于存在夹层、互层的混合土的划分上，采用图表法对土层划分仍然存在困难，这是因为图表法只综合了2个显性参数（摩阻比、锥尖阻力）、1个隐形参数（摩阻比中的侧壁摩阻力），这些参数都与土层的力学性质相关，但是对于“混合土”而言，与砂土层存在明显的不同，土中混合了不同含量的黏土、粉土等，由于在测试过程中存在土层超孔隙水压力，这些超孔隙水压力包含在了锥尖阻力中，在双桥静力触探试验中未有孔隙水压力测试装置（孔压静力触探中存在孔隙水压力测试元件），无法对锥尖阻力进行孔隙水压力修正，导致混合土的土层划分存在一定的偏差。因此，在实际应用中，单一地依赖摩阻比或者采用图表法对土层划分并不准确，需要综合场区的地质钻探进行校正，才能获得较为准确、可靠的地层剖面。

压缩模量

压缩模量是地铁基坑设计中最为重要的输入参数之一，是评价土层压缩性和计算土层变形的基本参数。获取压缩模量的方法有室内试验（固结试验、三轴压缩试验）和原位测试方法（静力触探试验、旁压试验等）。一般来讲，室内试验需要通过大量的现场取样和室内复杂的样品制备，尽管可以采取有效措施降低从现场取样器取样至室内试验测试完成的全过程扰动，但是也需要付出高昂的取样和测试成本，耗费较多的人力物力。而双桥静力触探试验方法是在土体天然原位状态下进行的测试，获取的压缩模量能真实反映土体的力学性能，且成本低廉、快速可靠，因此，建立室内试验压缩模量与双桥静力触探锥尖阻力之间的相关关系，对工程应用来说具有十分重要的意义。本文在室内试验时采用高质量取样设备对场区所有类别的土层进行取样，同时在储存和运输过程中采取了防振隔振措施，最大程度地降低了人为因素和制样设备对样品的扰动，同时对场区内49个双桥静力触探孔同一土层同一深度的静力触探锥尖阻力与压缩模量建立对应关系，参数选取时，由于双桥静力触探存在“超前滞后”效应，同时又具有高灵敏度，每隔10mm采集一个数据点，因此，为避免土层分界面对数据分析的影响，剔除土层分解面上下0.3m范围内的数据，也剔除存在明显不合理的异常值。两者的相关关系如图3所示。

图3 各土层的锥尖阻力与压缩模量的相关关系

从图3中可以看出，各层土的双桥静力触探锥尖阻力与室内压缩模量之间存在明显的线性相关关系（R2＞0.88，R2为线性回归模型中的测定系数，在0.0～1.0之间变化，其值越接近1.0，表示拟合程度越好）。综合分析，两者的相关关系可以用统一的方程式进行表达，如公式（1）所示：

式中，a，b为拟合系数，与土的类别和区域有关。

静止侧压力系数

静止侧压力系数是基坑支护结构计算土层水平侧压力的重要参数，它反映了土体水平向的侧压力与竖向土压力之间的比例关系，其数值的准确性直接关系到围护桩（墙）、支撑结构的尺寸、深度、间距等参数。现有的利用静力触探数据计算静止侧压力系数的经验公式中，Kulhawy等人提出的经验计算公式在工程中的认可度和可靠性较高，如公式（2）所示：

其中，k0为静止侧压力系数；qc为锥尖阻力，MPa；σv0为上覆土压力，MPa；σv0为有效上覆土压力，MPa；α为常数，一般取1.0。

为验证静力触探试验求取静止侧压力系数的适用性，在场区内静力触探钻孔S22XJ9、S22XJ42附近5.0m范围内分别布置了S22XB1、S22XB2两个扁铲侧胀试验孔，对应土层取样做室内三轴试验求取k0-LAB，图4为静力触探试验与室内三轴试验、扁铲侧胀试验的静止侧压力系数对比图，图中提供了最佳拟合线以及实际拟合的相关系数R2（R2为线性回归模型中的测定系数，在0.0～1.0之间变化，其值越接近1.0，表示拟合程度越好）。从图4可以看出，静力触探试验与室内三轴试验结果的误差在±10%以内，实际拟合线计算值比最佳拟合线计算值略大，而与扁铲侧胀试验结果的误差在±5%以内，实际拟合线与最佳拟合线十分接近。由此表明，室内试验方法土层取样，释放土体的天然应力，尽管采用人工边界条件恢复应力状态，但是土样仍不能完全与其天然应力状态相比，而静止侧压力系数正是土体不同方向天然应力状态的反映，因此，室内试验测试结果与原位测试（静力触探试验和扁铲侧胀试验）结果存在一定的误差，但这个误差小于±10%，属于工程可接受范围，而静力触探与扁铲试验皆在土体的原位状态下进行测试，两者获得静止侧压力系数十分接近，因此，在实际岩土工程设计和计算中，可采用原位测试方法提供的静止侧压力系数进行计算，以获得更为准确的计算结果。

图4 静力触探试验与室内试验、扁铲试验成果对比

结论

本文依托于南通市城市轨道交通1号线一期工程太平路站工程勘察，采用双桥静力触探方法对场区进行数据采集和分析，研究了从淤泥质粉质黏土到中砂一系列土层的土层划分、压缩模量以及静止侧压力系数，研究结果表明：

（1）对于土质较均匀的砂土而言，采用图表法能够获得较为可信的土层划分结果，但对于存在夹层、互层的混合土，单一地依赖摩阻比或者采用图表法对土层划分不准确，需要综合考虑地质钻孔分层。

（2）双桥静力触探锥尖阻力与室内压缩模量之间存在着明显的线性相关关系（拟合系数R2＞0.88），两者的相关关系可以用统一的线性方程式进行表达。

（3）静力触探试验与室内三轴试验结果的误差在±10%以内，实际拟合线计算值比最佳拟合线计算值略大，而与扁铲侧胀试验结果的误差在±5%以内，实际拟合线与最佳拟合线十分接近。