吳早生 白浩東 胡春東 沙 鵬 黃 曼 張 鑫 王天佐

（1.華匯工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，浙江紹興 312000；2.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江紹興 312000）

0 引言

原位試驗(yàn)是巖土工程勘察中確定巖土體工程特性的重要手段，包括標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、圓錐動(dòng)力觸探及靜力觸探等，其中靜力觸探具有快捷、經(jīng)濟(jì)、直觀等優(yōu)點(diǎn)[1]。靜力觸探設(shè)備從最早的機(jī)械式已經(jīng)發(fā)展成為包括各種多功能探頭的電測(cè)式設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的同時(shí)也能夠測(cè)試更多的參數(shù)。近年國(guó)內(nèi)正在研發(fā)和優(yōu)化無(wú)纜靜力觸探設(shè)備[2-3]，將更加簡(jiǎn)化試驗(yàn)工序和提高工作效率。在靜力觸探設(shè)備發(fā)展的同時(shí)，理論研究也逐漸成熟，主要包括錐頭貫入阻力分析理論、模型試驗(yàn)研究[4-6]和數(shù)值模擬[7]技術(shù)研究。隨著設(shè)備和理論研究發(fā)展，靜力觸探在房屋建筑、鐵路道路、地下空間開(kāi)發(fā)及海洋工程等領(lǐng)域?qū)Λ@得土層工程性質(zhì)指標(biāo)和確定樁基參數(shù)都起到了重要作用[8-9]?？偨Y(jié)分析靜力觸探參數(shù)與地層基本力學(xué)特性參數(shù)之間的關(guān)系具有重要工程意義。

國(guó)內(nèi)已有多個(gè)地區(qū)根據(jù)不同理論、不同參數(shù)和不同模型推導(dǎo)出適合當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)公式[10]。針對(duì)江蘇地區(qū)土質(zhì)特性，基于靜力觸探參數(shù)進(jìn)行了軟土分層、判斷砂土液化及黏土的固結(jié)與滲透等方面的研究[11-13]，并總結(jié)了巖土工程性質(zhì)指標(biāo)的計(jì)算公式[14]。么玉鵬等[15]采用孔壓靜力觸探對(duì)珠江口地區(qū)巖土層工程地質(zhì)特征及物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，總結(jié)了多個(gè)物理力學(xué)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。周劍波等[16]對(duì)開(kāi)封地區(qū)靜力觸探的土層分類方法進(jìn)行研究，得出在開(kāi)封地區(qū)采用土類指數(shù)分層最為合適。在遼東、上海、合肥等地區(qū)都已形成符合當(dāng)?shù)毓こ痰刭|(zhì)條件的且較為成熟的經(jīng)驗(yàn)公式，推進(jìn)了靜力觸探應(yīng)用研究在國(guó)內(nèi)的發(fā)展。

由于各個(gè)地區(qū)土層的地質(zhì)歷史、氣候環(huán)境及成因類型不同，因此每個(gè)地區(qū)的土質(zhì)特性也不相同，在國(guó)內(nèi)形成統(tǒng)一地基土參數(shù)的計(jì)算公式并不現(xiàn)實(shí)，通過(guò)靜力觸探研究不同地區(qū)的土質(zhì)特性具有重要的實(shí)用價(jià)值。因此，研究靜力觸探參數(shù)在紹興地區(qū)的應(yīng)用具有一定的實(shí)用意義。本研究針對(duì)紹興平原地區(qū)典型地層進(jìn)行土層參數(shù)分析及評(píng)價(jià)研究，總結(jié)了不同土層的靜力觸探曲線特征，擬合了適合紹興平原地區(qū)的靜力觸探參數(shù)與地基土的物理力學(xué)指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式，以期服務(wù)紹興市工程建設(shè)。

1 工程地質(zhì)概況

紹興市位于浙江省中北部，全境處于浙西山地丘陵、浙東丘陵山地和浙北平原三大地貌單元的交接地帶，地層主要為第四系沖湖相、海相及湖沼相沉積物。根據(jù)紹興市的地貌單元可將其分為3 個(gè)基本區(qū)，從北到南依次為濱海區(qū)、平原區(qū)和丘陵區(qū)[17]，如圖1 所示。

本文針對(duì)紹興平原區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和參數(shù)研究。平原地區(qū)位于紹興市偏北部，為瀉湖湖沼平原區(qū)，主要分布在紹興市越城區(qū)、上虞區(qū)和柯橋區(qū)界內(nèi)，地貌主要為湖沼平原，屬杭州灣南岸蕭紹平原地貌。該區(qū)地層特點(diǎn)為：基巖埋深起伏大，局部淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土厚度較大，一般均超過(guò)15 m。

以地層的成因時(shí)代、巖性特征、埋藏條件及物理力學(xué)性質(zhì)差異等作為工程地質(zhì)層的劃分依據(jù)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料和地質(zhì)調(diào)查測(cè)繪成果，并考慮到靜力觸探的適用性，將紹興市平原區(qū)的巖土層劃分為7 個(gè)工程地質(zhì)層組，分別用①-⑦表示，具體各層土的特征見(jiàn)表1。其中：①、②屬于全新統(tǒng)上組（Q43），③屬于全新統(tǒng)中組（Q42），④、⑤屬于全新統(tǒng)下組（Q41），⑥屬于上更新統(tǒng)上組（Q32），⑦屬于上更新下組（Q31）。對(duì)同一時(shí)代中不同成因、巖性的地層，進(jìn)一步細(xì)分為工程地質(zhì)亞層。

表1 紹興市平原地區(qū)土層特征表

2 靜力觸探現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

靜力觸探試驗(yàn)采用LMC-D310 型靜探設(shè)備，該設(shè)備由履帶式靜探車、雙橋靜力觸探探頭、探桿及貫入裝置等組成。雙橋靜力觸探探頭尺寸符合《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021-2001）要求[18]，錐底直徑為43.7 mm，摩擦筒長(zhǎng)度218.5 mm，摩擦筒側(cè)面表面積300 mm2，錐底截面積15 cm2。通常靜力觸探試驗(yàn)是通過(guò)人工手持水平尺來(lái)判斷探頭貫入方向是否傾斜。采用人工測(cè)量容易產(chǎn)生誤差，可能導(dǎo)致測(cè)得的錐尖阻力和側(cè)摩阻力數(shù)值不夠準(zhǔn)確，影響土層判別；不能夠?qū)崟r(shí)掌握探頭的偏離角度，探頭若發(fā)生偏離，則探頭與探桿連接處就會(huì)產(chǎn)生力矩，且角度越大，力矩越大，很容易導(dǎo)致探頭受力因超過(guò)其承受能力而報(bào)廢甚至折斷。因此，在探頭與探桿連接處配置了一個(gè)傾角傳感器模塊，該傾角傳感器選用加速度計(jì)與陀螺儀結(jié)合的專業(yè)姿態(tài)角度測(cè)量模塊，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)探頭在貫入過(guò)程中的傾斜角度，同時(shí)，設(shè)置角度報(bào)警值為8°，確保靜力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確及保護(hù)設(shè)備不被破壞（見(jiàn)圖2）。

圖2 靜力觸探設(shè)備及角度監(jiān)測(cè)

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法

靜力觸探試驗(yàn)時(shí)由履帶式靜力觸探車的自重提供反力，且設(shè)備能夠在貫入深度較大時(shí)通過(guò)下地錨增加反力，探桿勻速垂直壓入土中，貫入速率為1.2 m/min，當(dāng)貫入深度為0.5～1.0 m 時(shí)，提升探桿5 cm，要求量測(cè)儀無(wú)明顯溫漂后記錄初值和調(diào)零，才能正式貫入。當(dāng)貫入深度超過(guò)30 m，或穿過(guò)厚層軟土后再貫入硬土層時(shí)，采取措施防止孔斜或斷桿。每完成一個(gè)靜探孔，都將探頭卸下進(jìn)行泥沙沖洗，防止出水孔堵塞。

2.3 試驗(yàn)場(chǎng)地

此次試驗(yàn)在平原地區(qū)共選取8 個(gè)場(chǎng)地（上虞區(qū)3 個(gè)，越城區(qū)2 個(gè)，柯橋區(qū)3 個(gè)），共150 個(gè)靜力觸探孔，且所選場(chǎng)地土層均包括本前述典型土層，具體位置見(jiàn)圖1。

3 基于靜力觸探典型土層劃分

3.1 靜力觸探參數(shù)曲線分析

從試驗(yàn)孔中選取其中一個(gè)具有紹興市平原地區(qū)典型土層特征的靜力觸探孔，其貫入過(guò)程中具體參數(shù)變化如圖3 所示。

圖3 靜力觸探參數(shù)曲線

（1）在貫入地面后，錐尖阻力和側(cè)摩阻力均發(fā)生激增，其中側(cè)摩阻力在1.1 m 處達(dá)到這個(gè)階段的極值81 kPa，隨后整體呈下降趨勢(shì)，端阻力則歷經(jīng)兩次激增后呈下降趨勢(shì)，在3 m 左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在這個(gè)階段整體波動(dòng)較大，無(wú)明顯規(guī)律，符合雜填土土質(zhì)性質(zhì)差異較大、均勻性差的特征。

（2）錐尖阻力和側(cè)摩阻力在3～8 m 整體處于平穩(wěn)狀態(tài)，隨深度增加變化不大，且數(shù)值較上個(gè)階段減小，錐尖阻力維持在0.6～2.3 MPa，摩阻比在1.0%左右波動(dòng)，證明土層均勻性有所提高，且土層較軟，表明土體為黏質(zhì)粉土。

（3）貫入深度達(dá)到8 m 時(shí)，側(cè)摩阻力有短暫的激增，考慮到土層中存在變異性和時(shí)間較短，故不做分析，9.1～17.4 m 錐尖阻力和側(cè)摩阻力均存在明顯的降低，且側(cè)摩阻力呈下降趨勢(shì)，摩阻比明顯增加，特征表明該土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。

（4）17.5～25.2 m 隨著深度的增加，錐尖阻力呈緩慢增加趨勢(shì)，側(cè)摩阻力在18.6 m 急劇增大，達(dá)到56.1 kPa 后又急劇下降到18.1 kPa，隨后呈緩慢增加趨勢(shì)，考慮激增原因與（3）相同。

（5）側(cè)摩阻力在25.3～30 m 有激增和下降的過(guò)程，錐尖阻力隨深度的增加也有明顯增大，表明土層可能含有砂質(zhì)夾薄層，隨后錐尖阻力呈平穩(wěn)趨勢(shì)，側(cè)摩阻力存在波動(dòng)，摩阻比也存在突起現(xiàn)象，特征表明為該段土層為粉質(zhì)黏土。

（6）從34 m 開(kāi)始至42 m，阻力值皆呈平穩(wěn)狀態(tài)，其中錐尖阻力均值為1.40 MPa，側(cè)摩阻力均值為23 kPa，摩阻比也較穩(wěn)定，符合黏土特征。

（7）當(dāng)貫入深度達(dá)到42.4 m 時(shí)，阻力值突然急劇增大，隨后開(kāi)始波動(dòng)且幅度較大，區(qū)間內(nèi)阻力值的最小值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于之前貫入過(guò)程，充分表明了該段土層為粉細(xì)砂層。

3.2 典型土層劃分的靜力觸探參數(shù)統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)上述150 個(gè)靜探孔的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、篩選、分析，結(jié)合巖土勘察資料，對(duì)紹興平原地區(qū)的典型土層進(jìn)行了靜力觸探參數(shù)統(tǒng)計(jì)，部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 粉土靜力觸探參數(shù)

黏質(zhì)粉土土層局部黏粒含量較高，變相為粉質(zhì)黏土。由表2 可得出，②-1 黏質(zhì)粉土（Q4l-h）土層錐尖阻力qc分布范圍為0.62～2.47 MPa，平均值為1.68 MPa，側(cè)摩阻力fs分布范圍為11.4～40.8 kPa，平均值為28.39 kPa，摩阻比Rf的分布范圍為0.7%～2.4%，平均為1.72%。②-2 黏質(zhì)粉土（Q4l-h）土層錐尖阻力qc分布范圍為0.63～1.51 MPa，平均值為1.16 MPa，側(cè)摩阻力fs分布范圍為7.9～21.3 kPa，平均值為12.80 kPa，摩阻比Rf的分布范圍為0.8%～1.7%，平均為1.12%。

淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（Q4m）含較多腐殖質(zhì)，局部為淤泥、淤泥質(zhì)黏土，其靜力觸探參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。由表3可得出，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土土層錐尖阻力qc分布范圍為0.50～0.84 MPa，平均值為0.70 MPa，側(cè)摩阻力fs分布范圍為10.2～14.2 kPa，平均值為12.10 kPa，摩阻比Rf的分布范圍為1.4%～2.3%，平均為1.84%。

表3 淤泥質(zhì)黏質(zhì)粉土靜力觸探參數(shù)統(tǒng)計(jì)

粉質(zhì)黏土土層局部為黏土，其靜力觸探參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。由表4 可得出，粉質(zhì)黏土（Q4al-l）土層錐尖阻力qc分布范圍為1.79～2.70 MPa，平均值為2.32 MPa，側(cè)摩阻力fs分布范圍為48～69.6 kPa，平均值為54.76 kPa，摩阻比Rf的分布范圍為2.1%～2.9%，平均為2.36%。粉質(zhì)黏土（Q4m）土層錐尖阻力qc分布范圍為1.04～2.02 MPa，平均值為1.70 MPa，側(cè)摩阻力fs分布范圍為23.4～45.6 kPa，平均值為31.08 kPa，摩阻比Rf的分布范圍為1.6%～3.3%，平均為1.81%。黏土（Q3m）土層局部軟可塑，土層錐尖阻力qc分布范圍為1.23～1.68 MPa，平均值為1.43 MPa，側(cè)摩阻力fs分布范圍為19.1～23.4 kPa，平均值為21.1 kPa，摩阻比Rf的分布范圍為1.2%～1.8%，平均為1.47%。

粉細(xì)砂層級(jí)配較差，局部相變?yōu)榇稚啊⒌[砂，局部粉黏粒含量較高，其靜力觸探參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。由表5 可得出，粉、細(xì)砂層（Q3al）土層錐尖阻力qc分布范圍為14.31～22.13 MPa，平均值為17.5 MPa，側(cè)摩阻力fs分布范圍為80.6～140.2 kPa，平均值為105.3 kPa，摩阻比Rf的分布范圍為0.4%～0.8%，平均為0.6%。

表5 砂層靜力觸探參數(shù)統(tǒng)計(jì)

將上述表格和參數(shù)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行整理得到紹興市平原地區(qū)土層劃分范圍，如表6 所示。紹興市平原地區(qū)靜力觸探參數(shù)平均數(shù)值與土層種類的關(guān)系比較明朗，整體表現(xiàn)為土層越硬，阻力值越大，摩阻比越小。通過(guò)對(duì)比《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021-2001）和《工程建設(shè)巖土工程勘察規(guī)范》（DB33/T 1065-2009）中錐尖阻力和摩阻比的劃分范圍，本次統(tǒng)計(jì)的值域范圍較小，對(duì)紹興市平原地區(qū)的土層劃分更加精確。

表6 紹興市平原地區(qū)土層劃分范圍

4 靜力觸探參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用研究

通過(guò)收集紹興平原地區(qū)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)及靜力觸探資料[19-20]，歸納分析本地區(qū)靜力觸探錐尖阻力qc與黏性土（粉質(zhì)黏土和黏土）的液性指數(shù)IL、壓縮模量Es和黏聚力c的相關(guān)關(guān)系，同時(shí)進(jìn)行了單樁承載力估算，并擬合出相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式。

4.1 黏性土的液性指數(shù)IL 與錐尖阻力qc

液性指數(shù)所表現(xiàn)的為土的軟硬程度，因此與靜力觸探的阻力值參數(shù)存在相關(guān)性，總結(jié)分析靜力觸探錐尖阻力qc與黏性土的液性指數(shù)IL的相關(guān)關(guān)系如圖4（a）所示?？梢钥闯觯琿c與IL呈負(fù)相關(guān)線性關(guān)系，擬合得到經(jīng)驗(yàn)公式為：

圖4 研究區(qū)靜力觸探參數(shù)與地基土物理力學(xué)指標(biāo)關(guān)系

決定系數(shù)R2=0.91，故相關(guān)性顯著。

4.2 黏性土的壓縮模量Es 與錐尖阻力qc

土的壓縮模量直接表現(xiàn)為土的壓縮性，作為判斷圖土的壓縮性和計(jì)算地基壓縮變形量的重要指標(biāo)之一，分析錐尖阻力與其之間的關(guān)系也具有重要意義。靜力觸探錐尖阻力qc與黏性土的壓縮模量Es的相關(guān)關(guān)系如圖4（b）所示。由圖可以看出，錐尖阻力主要以1.0～2.5 MPa 為主，且qc與Es呈正相關(guān)線性關(guān)系，擬合得到經(jīng)驗(yàn)公式為：

決定系數(shù)R2=0.87，故相關(guān)性顯著。

4.3 黏性土黏聚力c 與錐尖阻力qc

黏聚力的測(cè)試方法為固結(jié)快剪，靜力觸探錐尖阻力qc與黏性土的黏聚力c的相關(guān)關(guān)系如圖4（c）所示。由圖可得出，黏聚力分布區(qū)間為 14～20 kPa，錐尖阻力以 0.2～2 MPa 為主，且qc與c呈正相關(guān)線性關(guān)系，擬合得到經(jīng)驗(yàn)公式為：

決定系數(shù)R2=0.88，故相關(guān)性顯著。

4.4 單樁承載力估算

單樁承載力估算可根據(jù)浙江省標(biāo)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB33/T 1136-2017）推薦的公式進(jìn)行計(jì)算[21]：

式中：Ap為樁底端橫截面面積，m2；qpa、qsia為樁端阻力特征值、樁側(cè)阻力特征值，kPa；up為樁身周圍長(zhǎng)度，m；li為第i層巖土厚度，m。

國(guó)內(nèi)確定樁端阻力的取值范圍如表7 所示[22]。根據(jù)紹興平原地區(qū)的特點(diǎn)，取樁端阻力值為樁端平面以上4D和樁端平面以下1D的錐尖阻力的平均值（D為樁端直徑），再對(duì)兩個(gè)值進(jìn)行平均。對(duì)樁側(cè)阻力特征值與靜力觸探側(cè)摩阻力進(jìn)行非線性擬合，得到qsia與fs的關(guān)系如圖4（d）所示。由圖可得出，側(cè)摩阻力范圍與上述統(tǒng)計(jì)黏性土范圍基本相同，樁側(cè)阻力特征值主要分布在7～34 kPa，且qsia與fs呈非線性指數(shù)型關(guān)系，擬合得到經(jīng)驗(yàn)公式為：

表7 國(guó)內(nèi)靜力觸探錐尖阻力確定樁端阻力取值范圍

決定系數(shù)R2=0.89，故相關(guān)性顯著。

5 結(jié)論

（1）總結(jié)了紹興市平原地區(qū)7 個(gè)典型工程地質(zhì)層組，自上而下依次為雜填土、黏質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土（Q4al-l）、粉質(zhì)黏土（Q4m）、黏土（Q3m）和粉細(xì)砂層，給出各層組埋深、層厚及基本特征。

（2）結(jié)合一個(gè)含有典型土層的靜力觸探孔，經(jīng)對(duì)靜探參數(shù)曲線分析發(fā)現(xiàn)：①在雜填土貫入過(guò)程中，阻力值多次激增和速降，整體波動(dòng)較大，無(wú)規(guī)律；②貫入淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土過(guò)程中，阻力值都會(huì)有明顯的下降，其中錐尖阻力保持在0.5～0.8 MPa；③粉質(zhì)黏土貫入過(guò)程中的特征表現(xiàn)為錐尖阻力和側(cè)摩阻力值隨著深度增加明顯增大，且波動(dòng)較大，其中摩阻比在1.6%～3.3%波動(dòng)；④粉細(xì)砂層貫入過(guò)程的特征表現(xiàn)為阻力值突然急劇增大，隨后開(kāi)始波動(dòng)且幅度較大，區(qū)間內(nèi)阻力值的最小值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于之前貫入過(guò)程。

（3）通過(guò)歸納總結(jié)150 個(gè)靜力觸探孔數(shù)據(jù)，對(duì)紹興平原地區(qū)經(jīng)典土層劃分的阻力值和摩阻比的區(qū)間進(jìn)行更加精確的劃分。

（4）在黏性土范圍內(nèi)，歸納分析本地區(qū)靜力觸探錐尖阻力qc與黏性土的液性指數(shù)IL、壓縮模量Es和黏聚力c的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)行了單樁承載力估算，并擬合出相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式。