靜力觸探應(yīng)用

1、靜力觸探試驗在工程勘察中的應(yīng)用賈文華11 前 言靜力觸探試驗簡稱CPT，是巖土工程勘察使用最廣泛的原位測試方法之一，其基本原理是利用靜力將一定規(guī)格帶有電阻應(yīng)變片的探頭壓入土中，在貫入過程中使土層發(fā)生剪切破壞，在探頭上反映的作用力就是該土層的極限破壞強(qiáng)度，通過特定的儀器將電信號轉(zhuǎn)換成貫入力進(jìn)行記錄，形成一條或數(shù)條隨深度變化的曲線，由于貫入阻力的大小與土的性狀和類別有關(guān)，通過相關(guān)的經(jīng)驗公式，可以間接得出土層的承載力、模量等地基基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)。CPT的發(fā)展與社會科技發(fā)展水平相伴隨，在我國大體經(jīng)歷了三個階段。初期試驗加壓系統(tǒng)為螺旋絲杠機(jī)械式，使用電阻應(yīng)變儀記錄貫入力，每10cm人工記錄一次；這期間已出現(xiàn)

2、了雙橋探頭，時間大致是七十年代至八十年代初。第二階段重要的標(biāo)志是記錄系統(tǒng)使用了可以自動記錄的電子電位差計，能夠連續(xù)記錄土層隨深度變化的貫入力曲線，加壓系統(tǒng)也改用液壓加壓，貫入能力大為改進(jìn)。在研究領(lǐng)域，能同時測量孔隙水壓力的三橋探頭開始出現(xiàn)。可以說，上世紀(jì)八十年代九十年代是靜力觸探試驗大發(fā)展的時期，各個地區(qū)和系統(tǒng)在普及應(yīng)用的基礎(chǔ)上，推出了大量的經(jīng)驗公式；同期的研究資料很多，并列入當(dāng)時國家和地方的規(guī)范規(guī)程。第三階段大致從九十年代初開始，最顯著的進(jìn)步是使用數(shù)字化儀器采集存儲數(shù)據(jù)，并與一些勘察軟件兼容對接，實現(xiàn)在微機(jī)上進(jìn)行繪圖、統(tǒng)計及分層等內(nèi)業(yè)資料處理工作，工作效率和精度都有很大的提高。近三十年來，我

3、院的CTP應(yīng)用緊隨這項技術(shù)發(fā)展步伐，在同行業(yè)中處于先進(jìn)水平，特別是從九十年代中期開始，在本地區(qū)率先使用第三代儀器，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。相信隨著廣大技術(shù)人員應(yīng)用水平的提高，這種原位測試方法在我院勘察主業(yè)中會發(fā)揮越來越大的作用。2 CPT的特點及應(yīng)用現(xiàn)行建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GB50007-2002）第三章3.0.3條第二款規(guī)定：地基評價宜采用鉆探取樣、室內(nèi)土工試驗、觸探，并結(jié)合其它原位測試方法進(jìn)行。并明確指出，不論地基基礎(chǔ)設(shè)計等級如何，觸探都是一種不可缺少的勘察手段。但在實際工作中，并非采用了任何一種觸探就能滿足規(guī)范的要求，應(yīng)考慮幾種不同觸探方法適用條件。一般情況下，重型、超重型動力觸探（DPT

4、）適用于碎石土，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗（SPT）在砂土地層中使用最為有效，輕型動力觸探（N10）對淺層的新近沉積土及素填土適用。而CPT的適用范圍較之上述手段更為廣泛，可以用于除碎石土以外的各類地層，在一般粘性土、粉土、軟土、新近沉積土、素填土和各類砂土地層中均可以使用，除此之外，CPT還具備以下幾個顯著的特點：1. 中國兵器工業(yè)北方勘察設(shè)計研究院1）可以連續(xù)貫入，精度可達(dá)0.10m，試驗結(jié)果可信度高，基本不存在其他觸探方法的人為干擾因素。2）采用數(shù)字化自動采集系統(tǒng)，能夠在計算機(jī)上直接處理成果資料。3）試驗成本較低，效率約為常規(guī)鉆探的一倍，耗費(fèi)僅是技術(shù)鉆孔的二分之一左右。4）除連續(xù)記錄土層的力學(xué)性質(zhì)外，

5、還可以進(jìn)行地層劃分。該方法的主要缺點是不能直接觀察地層，仍屬于間接的模擬試驗，并且對地區(qū)經(jīng)驗依賴較大。有關(guān)CPT設(shè)備規(guī)格以及現(xiàn)場操作規(guī)程，從事試驗的人員必須熟練掌握，使用資料的技術(shù)人員也應(yīng)有所了解。具體內(nèi)容可參見手冊或規(guī)程，本文不再詳述。在制定勘察方案階段，應(yīng)用CPT首先要考慮場地和地層條件，在有經(jīng)驗地區(qū)，可以單獨(dú)使用靜探孔，否則，應(yīng)作一部分對比孔，在滿足勘察深度要求條件下，靜探孔可視為技術(shù)孔。對于條件適宜的建筑群或平原地區(qū)規(guī)模較大的建筑場地，靜探孔可占勘探孔總數(shù)的三分之一，且不少于六個，對單棟建筑勘察，至少不少于三個；試驗深度與其他勘探孔要求一致，應(yīng)大于3倍條形基礎(chǔ)最大寬度（或1.5倍矩形基

6、礎(chǔ)最大寬度）加基礎(chǔ)埋深；對要求變形驗算的勘察對象，試驗深度應(yīng)滿足變形計算要求。3 驗資料的處理與整理按照國家現(xiàn)行規(guī)范要求,試驗或測試數(shù)據(jù)在參加統(tǒng)計時，樣本個數(shù)不少于6個。對CPT指標(biāo)而言，每個試驗孔的各層試驗指標(biāo)為一個子樣，其指標(biāo)的代表值采用標(biāo)準(zhǔn)值。以錐尖阻力qc為例：先計算某一層位參加統(tǒng)計的qc平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，然后計算qc的統(tǒng)計修正系數(shù)qcqc=1-1.704/SQRT(n+4.678/n2·錐尖阻力標(biāo)準(zhǔn)值qck=qc·在統(tǒng)計樣本數(shù)量方面，除上述國家規(guī)范規(guī)定外，河北省建筑地基承載力確定技術(shù)規(guī)程（送審稿）另有細(xì)化規(guī)定：對單棟建筑物，不宜少于3個。這主要是針對小規(guī)模

7、的單棟建筑勘察而言，在此情況下，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計可參照載荷試驗統(tǒng)計方法，在滿足各子樣值極差不超過其平均值30%時，取平均值作為代表值。但依筆者經(jīng)驗，由于試驗數(shù)據(jù)個數(shù)少，出現(xiàn)偶然性事件的概率比較大，取其最小平均值，即平均值與最小值之和的二分之一，作為該指標(biāo)的代表值為宜。另外，在進(jìn)行統(tǒng)計之前，應(yīng)對各個子樣的曲線特征逐一考察分析，剔除其中的異常因素。最常見的是，在某些層位中夾有堅硬土薄層或碎石、姜石等剛性塊體，表現(xiàn)在試驗曲線上，就會出現(xiàn)凸起的峰值，其中的高點是硬夾層或塊體引起的異常值，不能代表該層的自然屬性，應(yīng)該予以剔除。而目前使用的分層統(tǒng)計軟件，在給出某一地層下限時，計算機(jī)不能判斷這種異常，只是按照10

8、cm的步長統(tǒng)計出該層的算術(shù)平均值，其中包含著這部分異常成分，這就造成了子樣數(shù)值偏高的現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計出的代表值也就或多或少地失真。要解決這個問題，可以從兩方面入手，一是人機(jī)對話分層時，將峰值出現(xiàn)的深度上下限作為強(qiáng)制分層界限，以此排除出異常值，然后將有代表性的若干小層進(jìn)行平均得出該子樣的的平均值，這個過程繁瑣一些，但精度較高。另一種方法是在已完成的分層柱狀圖上，用比例尺按比例量出具有代表性的數(shù)值，而不管峰值的大小及個數(shù)，這樣精度要差一些，但比較簡單實用。與上述峰值型曲線相反，有時在一個比較厚的層位中也會出現(xiàn)異常的小值，曲線上表現(xiàn)為凹形，對此要進(jìn)行綜合分析，如果是在相近的標(biāo)高有規(guī)律的出現(xiàn)，則可

9、能是一軟弱夾層，一般情況下，當(dāng)夾層厚度大于0.3m，應(yīng)將其單獨(dú)分為一薄層或透鏡體，如果只是偶然出現(xiàn)或不屬于軟弱土層，則可以忽略不計。4 劃分地層用CPT劃分地層,是該項試驗的主要功能之一，在有成熟經(jīng)驗地區(qū)，用CPT方法劃分層位，其精度和可靠性比鉆探分層還要高。對缺乏經(jīng)驗的勘察場地，應(yīng)有一定數(shù)量的對比孔，從已知曲線的對比結(jié)果推算單孔的地層。以目前最常用的雙橋探頭分層為例，通過試驗得出二組數(shù)據(jù)，錐尖阻力qc（單位：MPa）和側(cè)壁摩阻力fs（單位：kPa），由此間接計算出摩阻比Rf=fs/qc*100%（分層軟件自動計算）。分層時，摩阻比Rf是最重要的指標(biāo)，其次是錐尖阻力qc，使用這兩個參數(shù)，就可以

10、比較準(zhǔn)確地劃分各類不同的地層。在實際工程中，一般可將土層分為四類：軟土（淤泥和淤泥質(zhì)土），粘性土（包括粘土和粉質(zhì)粘土），粉土，砂土。這四類土層反映特征是：錐尖阻力qc依次增大，摩阻比Rf則相反，呈依次減小的趨勢。將這一規(guī)律加以量化，結(jié)合本地區(qū)多年的工程經(jīng)驗，歸納出以下的分層準(zhǔn)則。表1指標(biāo)及說明土層名稱摩阻比Rf（%）錐尖阻力qc（Mpa）備 注主要影響因素軟土31.0沿海地區(qū)軟土Rf值最大可達(dá)到10左右含水量和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度粘性土2.55.01.04.0堅硬狀態(tài)粘性土qc值較大狀態(tài)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度粉土1.22.53.06.0塑性指數(shù)5或含砂量多的密實粉土qc值較高含水量和密度砂土1.25.0松散砂層qc值

11、有時5.0顆粒級配和密實度表1給出了一般性的分層標(biāo)準(zhǔn)，具體應(yīng)用時，對Rf和qc兩個指標(biāo)既要同時考慮，也要有所側(cè)重。比如，當(dāng)qc1.0 MPa時，即使Rf值異常，也可以界定為軟土；對Rf1.2的地層，極松散的砂土可能qc達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，但仍可將劃為砂土?？傊?，在用靜探分層時，應(yīng)遵循的原則是：有對比孔資料時，分析對比孔相同層位的曲線特征，包括Rf和qc兩個指標(biāo)的量化反映，以此為參考推斷單孔地層的歸屬。如果是單獨(dú)的靜探孔，砂土以Rf為主要判別依據(jù)，軟土則主要看qc值；而對于最常見的粘性土和粉土，界定起來比較復(fù)雜一些，對一般沖洪積成因的土層，粉土的Rf一般小于2.5，而qc多高于粘性土。另外，在確定分層界

12、限時，還要考慮“提前”和“滯后”效應(yīng)，這是由探頭剪切破壞機(jī)理所決定的，當(dāng)探頭從堅硬土層進(jìn)入軟土層或相反時，在試驗曲線上會有提前或滯后的反映，這個距離一般為0.10.2m。所以，分層時要考慮這一因素，將界限上移或下推相應(yīng)的距離。5 試驗指標(biāo)的應(yīng)用早期使用的單橋探頭獲取的測試結(jié)果為比貫入阻力Ps，近年來，普遍使用了雙橋探頭，測試指標(biāo)是錐尖阻力qc和側(cè)壁摩阻力fs。有對比資料顯示，在相同的地層中，Ps略大于qc，二者的關(guān)系約為Ps1.1qc。在應(yīng)用經(jīng)驗公式時，有不少是基于比貫入阻力Ps的經(jīng)驗公式，在此情況下，可認(rèn)為Psqc，這樣做有一定的安全儲備。經(jīng)過多年經(jīng)驗積累，靜探指標(biāo)與土的物力性質(zhì)及參數(shù)之間已

13、建立了不少經(jīng)驗公式，應(yīng)用范圍十分廣泛。歸納起來，大致有以下七個方面：1）確定地基土承載力；2）確定土的壓縮摸量ES或變形摸量EO，3）推算砂土的相對密度；4）估算砂土的內(nèi)摩擦角；5）估算飽和軟粘土的不排水剪強(qiáng)度Cu；6）判別飽和砂土和飽和粉土的地震液化；7）估算單樁承載力。除此之外，有關(guān)的經(jīng)驗公式還很多，可詳見工程地質(zhì)手冊和巖土工程試驗監(jiān)測手冊相關(guān)章節(jié)，本文不再列舉，現(xiàn)僅就石家莊地區(qū)常用承載力和模量的地區(qū)經(jīng)驗作一介紹。粉質(zhì)粘土或粉土 f0=36.1*（10*qc）0.481 ES=4.37* qc 2.03 砂 土 f0=20.0*（10*qc）0.51ES=1.5 * qc 式中f0單位：K

14、pa ；ES、qc 單位均為Mpa 。經(jīng)多年工程實踐檢驗，該經(jīng)驗公式具有一定的使用價值，安全系數(shù)比較高。除此之外，河北省建筑地基承載力確定技術(shù)規(guī)程（送審稿）按不同的土類，給出了以下的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。粘性土承載力特征值 表2PS （MPa）0.71.21.72.12.63.03.23.74.2fak（kPa）105145190235280320350380420粉土承載力特征值 表3PS （MPa）1.01.52.03.04.512.014.0fak（kPa）100140170200235320350軟土承載力特征值 表4PS （MPa）0.30.40.50.60.70.80.91.0fak（kPa）

15、5060708090100105110相比較而言，表2、表3給出的值比公式計算結(jié)果偏高，使用時應(yīng)謹(jǐn)慎考慮。還應(yīng)注意的是，在一個新的地區(qū)開展勘察工作時，要認(rèn)真收集當(dāng)?shù)氐牡貐^(qū)經(jīng)驗，對于某些物理指標(biāo)（如塑性指數(shù)）相似的土層，由于成因、結(jié)構(gòu)不同，反映在土的計算參數(shù)上，也會產(chǎn)生較大的差異?？梢哉f，沒有一個公式是萬能的，可以反映所有地區(qū)土層的力學(xué)屬性；從這個意義上講，地區(qū)經(jīng)驗就顯得尤為重要。6 操作程序與步驟為便于技術(shù)人員應(yīng)用CPT結(jié)果，列出具體的操作流程如下：1）制定勘察方案，配置靜力觸探孔，要考慮勘察場地和地層的適宜條件，并注意與其他類型的勘探孔間隔分布。2）按照方案實施野外測試，完成后將采集數(shù)據(jù)輸入電腦，剖面圖單獨(dú)成圖使用ZZT1軟件，與理正等勘察軟件對接時用ZZT2。打印原始曲線，提交工程負(fù)責(zé)人進(jìn)行分層，然后在ZZT平臺上輸出柱狀圖或在理正等軟件上輸出帶有曲線的剖面圖，作為勘察報告的成果圖表。3）進(jìn)行指標(biāo)分析統(tǒng)計，每孔的每層為一個樣本，先分析樣本可靠性，剔除或處理其中的異常值，然后按本文第3節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計計算。4）選擇適宜的經(jīng)驗公式，將統(tǒng)計得出的代表值代入，求解承載力、模量等參數(shù)。通常情況下，一個工程勘察項目會有多種手段，確定承