静力触探在东北平原地区的应用

岳 军

(中铁第五勘察设计院集团有限公司东北分院，哈尔滨 150006)

静力触探是一种十分高效、精准的勘察手段，主要适用于软弱土、流塑-硬塑黏性土、粉土、砂类土和碎石含量较少的土。静力触探是用静力将探头以一定的速率压入土中，通过采集仪将探头内的力通过传感器接受的贯入阻力记录下来。由于贯入阻力的大小与土层的性质有关，因此，通过记录贯入阻力的变化情况，可以达到了解地层工程性质的目的。目前国内外已广泛应用，其理论和实验研究日益得到各国的重视，岩土工程原位测试可以最大限度地避免钻探取样、运输等作业流程对岩土体原状土样结构的扰动。例如瑞典将静力触探应用于确定浅基承载力、桩基承载力以及铁路路堤的稳定性等方面；苏联根据静力触探确定土层的均匀性、基岩的深埋，评价地基土的性质，确定浅基及桩基的承载力，确定填土的质量等；其他各国也都应用到勘察的各个方面。目前在我国有数百个单位从事静力触探研究和使用，其范围遍及建筑、铁路、机械、交通、水电、煤炭工业部门、部队和学校等，主要用在如下几个方面：确定浅基础承载力；单桩承载力；计算地基沉降、软土不排水抗剪强度、砂土内摩擦角；判定黄土的湿陷性、砂土地基液化的可能性；检验地基强度、划分土层及确定土的名称。应用静力触探主要完成以下几个方面的内容：①确定土的名称及划分地层；②地基承载力；③估算单桩容许承载力；④检验地基强度及评价地基土震动液化等。笔者单位所用静力触探车是单缸自动记录式ZJYY-20型静力触探车，双(单)桥探头锥底面积为15 cm2,锥底直径为43.7 mm。

1 哈尔滨市土的静探参数特征

土的静探参数为：单桥探头的贯入阻力Ps(kg/cm2)，双桥探头的锥尖阻力Qs(kg/cm2)，侧壁摩阻力fs(kg/cm2)，测点摩阻比(%)。分层后各层的静探参数平均值以Ps、Qs、fs表示。

根据哈尔滨市的触探曲线与钻孔柱状图的对比分析，不同地貌单元、不同的土其触探曲线形状不同，认真分析触探曲线，掌握其变化规律，有助于了解该地区土的物理理学特性。

(1)Ps曲线特征(代表的深度约为0～10 m)

哈尔滨市南岗区Ps曲线的变化其上部大、中间小、下部大，曲线形状近似“Z”字形(图1)，反映了该地区冲积洪积成因的黄土质物质黏土上部力学强度较大，随着下部含水量的变化Ps随着变化，呈现“Z”字形。Ps变化范围23～38 kg/cm2，平均值达32 kg/cm2。

图1 哈尔滨南岗区某工程Ps曲线图

道里区三棵树地区的Ps曲线形状，近似于“L”形(图2)，即上部曲线变化不大，Ps较小，而到下部Ps急剧增大，曲线近似拐了直角，反映了该地区河漫滩冲积物上部土层力学强度低，(Ps变化范围4.6～8.8 kg/cm2，平均值6 kg/cm2)，层位稳定，夹层较少。下部地层变为砂层，因此Ps急剧增大，Ps变化范围71～87 kg/cm2，平均值76 kg/cm2。

图2 哈尔滨道里区某住宅工程Ps曲线图

(2)Pc、fs曲线特征

由于在南岗区做的双桥触探较少，而qc、fs曲线特征仅反映道里区三棵树地区的特征，代表的深度0～10 m。

该地区qc曲线的形状基本上与该区Ps曲线的形状近似，即也呈现“L”形(图3)，但各点的qc

图3 哈尔滨道里区某住宅工程qc、fs曲线

Qc、fs曲线除作为力学分层外，主要用作定土的名称。但在本区按照铁路静探技术规定划分土层的办法，本区上部土层只能定名为软土，而要再细致的分层就无具体的规定，为了更细致地分层，对qc、fs曲线与钻孔柱状图形进行比较，把软土再分为淤泥质砂黏土与泥炭。该地区泥炭层的特点是qc较小，一般为2～3 kg/cm2，fs约为0.3 kg/cm2。以此区分淤泥质砂黏土与泥炭层。

另外在分层对比中还可以观察到同一种土因其所处的地貌单元不同其触探曲线也不同，例如同样是软土，在河漫滩上的软土与阶地上冲洪积的软土触探曲线不同，见图4。

图4 河漫汉街的轮土与阶地上冲洪松软土触探曲线

从以上对比分析可以看出，静力触探曲线是土的物理力学性质的综合反映，在一个地区对触探曲线认真分析对比，不但可进行力学分层，还可更准确地定出土的名称及其成因类型。

根据目前积累的资料，对哈尔滨市的触探参数分层进行了统计，得出了该地区各层土的触探参数界限值和平均值，见表1。

表1 哈尔滨地区触探参数表()

由以上统计资料说明，哈尔滨市的道理区三棵树地区的河漫滩沉积物的触探参数反映了近代河流沉积物的特征，与天津、上海、南京、九江的滨海及河漫滩沉积物的对比(表2)，本地区qc与Ps曲线的线型基本一致，一般情况下qc

表2 哈尔滨河滩沉积与其他地区触探参数表()

2 用静力触探确定土的名称及划分地层

静力触探方法是工程中广泛使用的一种原位测试方法。通过归纳分析国内外相关资料，概述了静力触探仪器设备发展历程。系统归纳静力触探锥头贯入阻力理论研究、模型试验、数值模拟、成果应用等研究。静力触探测试结果及对应的钻孔地层，由于东北平原地区普遍分布厚度较大的粉土、粉细砂层，静力触探曲线表现出明显的锯齿状和波动状。对粉细砂层，锥尖阻力较大而摩阻力较小，粉质黏土、黏土层的静力触探曲线特征恰好相反。

2.1 单桥探头

分层主要考虑Ps值的大小和曲线的线型。

图5为黑龙江省哈尔滨市某住宅楼工程，以此为例进行分析。

(1)杂填土:曲线变化无规律,往往出现突变现象。

(2)黏土及粉质黏士：Ps值比杂填土及淤泥质土较高，一般小于30 kg/cm2,曲线平缓，有缓慢的波形起伏,黏性土中由于砂类层存在,有时呈现突变。

(3)淤泥和淤泥质黏性土:Ps值极低,一般小于10 kg/cm2，呈接近0线的平缓曲线,无突变现象。

(4)砂类土:曲线起伏较大,波峰和波谷呈现锯齿形。

Ps通常为40～70 kg/cm2，最大可达180 kg/cm2以上。

(5)圆砾层:曲线Ps值很大，一般Ps>80 kg/cm2,浅型与砂土近似,峰谷较圆滑。

图5 黑龙江省哈尔滨市某住宅楼单桥青年探值

2.2 双桥探头法

由于双桥探头测得2个指标,锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs,从qc和fs的大小可以分为黏性土和砂类土，特别是fs和qc的比值，一般以摩阻比n=1.5%为界，小于1.5%为砂类土，而大于1.5%为黏性土。而东北地区一般砂土的摩阻比都小于1%，有随端阻的增大而降低的趋势。黏性土的摩阻比基本上都大于1%,变化幅度较大，有一部分黏性土的摩阻比小于或接近于1%,大多属流塑状态的淤泥质土，其端阻都小于20 kg/cm2。有时砂土与硬黏土qc很接近，但fs却不同，只凭qc就不易划分，由于摩阻比的大小与土的性质有关，土的黏性越大,摩阻比就越大，这一类在地层划分时至关重要，由于测试仪器、试验条件和试验方法等各种主观和客观因素的复杂组合造成静力触探试验所得的试验数据存在误差，因此需要把异常数据进行剔除，使数据的可靠度增加。其次在进行数据统计、分析时，需要高度重视静力触探在软硬地层相交处特有的超前与滞后效应，见图6。

图6 静力触探在软硬地层相交处特有的超前与滞后效应

3 用静力触探可以确定地基承载力特征值

根据《岩土工程勘察规范》GB50021—2001和中国铁道出版社出版的《静力触探》中的经验公式综合确定地基土的承载力特征值，单桥静力触探可利用Ps,按表查出[R]值，双桥静力触探可按qc=(0.8～0.85)Ps换算查表得出，通过一些工程的对比,经过几年来的应用认为qc=(0.8～0.85)Ps公式在平原地区是可行的，地基承载力特征值是指在地基不发生破坏的前提下，最大允许沉降量在标准、规范允许值范围内的地基承载力。地基承载力大小与很多因素有关。本区域内黏性土以及砂土的Ps与地基承载力特征值fak的散点关系以及拟合曲线。例如在哈尔滨办公楼工程中，用双桥探头静力触探给出承载力特征值和其他方法的对比见表3。

表3 承载力特征值对比表

4 用静力触探估算单桩容许承载力

近年来桩基日益广泛地应用，哈尔滨市桩基工程也比较多，例如:哈尔滨市某办公楼职工培训基地等工程，选用qc—fs—H曲线估算单桩竖向极限承载力特征值收到良好的效果(表4)。

利用静力触深方法确定的单桩容许承载力与试桩法相比其误差在-12.2%～6.0%范围。

选用《建筑桩基技术规范》94—20080，单桩竖向极限承载力特征值估算公式如下。

(1)Quk=qsik.Ap+U∑qsk.Li

式中：Quk为单桩竖向极限承载力特征值；qsk为第i层土的极限侧阻力标准值；qsik为极限桩端阻力标准值；Ap为桩底端横截面面积，m2；U为桩身周边长度，m；Li为第i层土层的厚度，m。

(2)当根据双桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力特征值时，对于黏性土、粉土和砂土，如无当地经验时可按下列公式计算

QuK=U∑Li.βi.fsi+α.qc.Ap

式中：U为桩身周长，m；Li为第i层土层的厚度，m；fsi为第i层土的探头平均侧摩阻，kPa；qc为桩端平面上、下探头阻力，取桩端平面以上4d(d为桩的直径或边长)范围内按土层厚度的探头阻力加权平均值，kPa，然后再和桩端平面以下1 d范围内的探头阻力进行平均；α为桩端阻力修正系数，对于黏性土、粉土取2/3，饱和砂土取1/2；βi为第i层土桩侧阻力综合修正系数，黏性土、粉土：βi=10.04(fsi)-0.35，砂土：βi=5.05(fsi)-0.45；Ap为桩的截面面积，m2。

表4 用静力触探和其他方法对比表

5 静力触探在圆砾层中的应用

一般静力触探适用于软土、黏性土、粉土及砂类土，但是在圆砾层中也做了尝试，根据研究区地层的特点，上部地层为黏性土及砂土，在7.0～8.0 m一般为中、粗砂、砾砂和圆砾层，由于研究区圆砾粒径大于10 mm的含量较少,加之工程的需要,欲求试探扩大静力触探的适用范围，在一些工程中利用静探和重(2)进行了对比，通过几年来的工程实践，可粗略地划分为qc<120 kg/cm2为稍密，而qc=120～180 kg/cm2时为中密，当qc>180 kg/cm2时为密实，因为探头的率定系数K=12～48，探头的最大锥尖阻力qc=120～480 kg/cm2，由此看出,当静探设备额定贯入力、地锚反力和探头自身强度容许时，密实的圆砾也是可以贯入的，又由于经验公式qc=(0.8～0.85)Ps，所以单桥的划分界线也很明显。

例如某办公楼、客运站和教育学院住宅楼的工程中，圆砾的密实程度在曲线中反映的就特别的明显，根据和N(63.5)对比可看出稍密—密实，这说明静力触探在该地区不仅适用于软土、黏性土及砂类土地层，而且也可用于圆砾层，效果较好。

表3 测试手段密实程度对比 kg·cm-2

6 其他方面的应用

利用轻便的静力触探检验地基的强度，是一种既简单又准确的方法，特别是比较软弱的砂土互层，目前通常用钎探、轻型触探是不够精确的。

当建筑物地基(一般指在地表以下15 m左右)有饱和砂土层可用静探试验判断地层是否液化是比较准确的方法，评价地基土液化程度，判定液化的可能性，用静探主要是采用铁道部的计算公式

Ps=Pso[1-0.065(Hw-2)][1-0.05(Ho-2)]

式中：Hw为地面到地下水位距离，m；Ho为饱和砂土层上的粘性液化土覆盖层厚度；Pso为当非渡化上覆盖层厚度H=2 m,地下水位深度Hw=2 m时砂土的液化临界贯入阻力，kg/cm2。

地层中的饱和砂土其静力触探贯入阻力Ps的计算值小于式中算出的临界贯入阻力Ps时，则认为可能液化。

7 结语

静力触探是一种简单、方便而又实用的勘探手段，在与钻探等其他勘探手段配合使用下，可准确获得细颗粒土地层的分布及其部分力学特征，掌握地层工程力学性质。结合静力触探试验结果、原位测试成果、土工试验结果以及钻孔揭示，形成了适用于平原地区的CPT土分类指数的分类方法。随着科学技术发展，静力触探的优势将会更加明显地体现。通过对静力触探的实际应用,得到如下几个特点。

(1)静力触探效率高,出图快,操作简便,分层准确。

(2)应用静力触探指标对土层进行力学分层及确定土的名称。

(3)静力触探能够快速准确提供桩的侧摩阻力及桩端阻力，估算桩的承载力。