静力触探试验在工程勘察中的应用

静力触探试验在工程勘察中的应用 岩土工程与勘察 第15卷 第2期（总第24期） 2003年12月 1贾文华 静力触探试验简称CPT，是岩土工程勘察使用最广泛的原位测试方法之一，其基本原理 是利用静力将一定规格带有电阻应变片的探头压入土中，在贯入过程中使土层发生剪切破 坏，在探头上反映的作用力就是该土层的极限破坏强度，通过特定的仪器将电信号转换成贯 入力进行记录，形成一条或数条随深度变化的曲线，由于贯入阻力的大小与土的性状和类别 有关，通过相关的经验公式，可以间接得出土层的承载力、模量等地基基础设计参数。 CPT的发展与社会科技发展水平相伴随，在我国大体经历了三个阶段。初期试验加压系 统为螺旋丝杠机械式，使用电阻应变仪记录贯入力，每10cm人工记录一次；这期间已出现了双桥探头，时间大致是七十年代至八十年代初。第二阶段重要的标志是记录系统使用了可 以自动记录的电子电位差计，能够连续记录土层随深度变化的贯入力曲线，加压系统也改用 液压加压，贯入能力大为改进。在研究领域，能同时测量孔隙水压力的三桥探头开始出现。 可以说，上世纪八十年代～九十年代是静力触探试验大发展的时期，各个地区和系统在普及 应用的基础上，推出了大量的经验公式；同期的研究资料很多，并列入当时国家和地方的规 范规程。第三阶段大致从九十年代初开始，最显著的进步是使用数字化仪器采集存储数据， 并与一些勘察软件兼容对接，实现在微机上进行绘图、统计及分层等内业资料处理工作，工 作效率和精度都有很大的提高。 近三十年来，我院的CTP应用紧随这项技术发展步伐，在同行业中处于先进水平，特别 是从九十年代中期开始，在本地区率先使用第三代仪器，具有显著的技术优势。相信随着广 大技术人员应用水平的提高，这种原位测试方法在我院勘察主业中会发挥越来越大的作用。 现行《建筑地基基础设计》（GB50007-2002）第三章3.0.3条第二款规定：地基评价宜采用钻探取样、室内土工试验、触探，并结合其它原位测试方法进行。并明确指出，不 论地基基础设计等级如何，触探都是一种不可缺少的勘察手段。但在实际工作中，并非采用 了任何一种触探就能满足规范的要求，应考虑几种不同触探方法适用条件。一般情况下，重 型、超重型动力触探（DPT）适用于碎石土，贯入试验（SPT）在砂土地层中使用最为有效，轻型动力触探（N ）对浅层的新近沉积土及素填土适用。而CPT的适用范围较之上述手10 段更为广泛，可以用于除碎石土以外的各类地层，在一般粘性土、粉土、软土、新近沉积土、 素填土和各类砂土地层中均可以使用，除此之外，CPT还具备以下几个显著的特点： 1. 中国兵器工业北方勘察设计研究院 岩土工程与勘察 第15卷 第2期（总第24期） 2003年12月 1）可以连续贯入，精度可达0.10m，试验结果可信度高，基本不存在其他触探方法的 人为干扰因素。 2）采用数字化自动采集系统，能够在计算机上直接处理成果资料。 3）试验成本较低，效率约为常规钻探的一倍，耗费仅是技术钻孔的二分之一左右。 4）除连续记录土层的力学性质外，还可以进行地层划分。 该方法的主要缺点是不能直接观察地层，仍属于间接的模拟试验，并且对地区经验依赖 较大。有关CPT设备规格以及现场操作规程，从事试验的人员必须熟练掌握，使用资料的技 术人员也应有所了解。具体内容可参见手册或规程，本文不再详述。 在制定勘察阶段，应用CPT首先要考虑场地和地层条件，在有经验地区，可以单独 使用静探孔，否则，应作一部分对比孔，在满足勘察深度要求条件下，静探孔可视为技术孔。 对于条件适宜的建筑群或平原地区规模较大的建筑场地，静探孔可占勘探孔总数的三分之 一，且不少于六个，对单栋建筑勘察，至少不少于三个；试验深度与其他勘探孔要求一致， 应大于3倍条形基础最大宽度（或1.5倍矩形基础最大宽度）加基础埋深；对要求变形验算 的勘察对象，试验深度应满足变形计算要求。 按照国家现行规范要求,试验或测试数据在参加统计时，样本个数不少于6个。对CPT 指标而言，每个试验孔的各层试验指标为一个子样，其指标的代表值采用标准值。以锥尖阻 力为例： 先计算某一层位参加统计的平均值μ、标准差σ和变异系数δ，然后计算的统计修正系数Ψ qc 2Ψ=1-[1.704/SQRT(n)+4.678/n]]?δ qc 锥尖阻力标准值Ψ?μ qc 在统计样本数量方面，除上述国家规范规定外，《河北省建筑地基承载力确定技术规程》 （送审稿）另有细化规定：对单栋建筑物，不宜少于3个。这主要是针对小规模的单栋建筑勘察而言，在此情况下，数据的统计可参照载荷试验统计方法，在满足各子样值极差不超过 其平均值30%时，取平均值作为代表值。但依笔者经验，由于试验数据个数少，出现偶然性 事件的概率比较大，取其最小平均值，即平均值与最小值之和的二分之一，作为该指标的代 表值为宜。 另外，在进行统计之前，应对各个子样的曲线特征逐一考察分析，剔除其中的异常因素。 最常见的是，在某些层位中夹有坚硬土薄层或碎石、姜石等刚性块体，表现在试验曲线上， 就会出现凸起的峰值，其中的高点是硬夹层或块体引起的异常值，不能代表该层的自然属性， 应该予以剔除。而目前使用的分层统计软件，在给出某一地层下限时，计算机不能判断这种 异常，只是按照10cm的步长统计出该层的算术平均值，其中包含着这部分异常成分，这就 造成了子样数值偏高的现象，在此基础上统计出的代表值也就或多或少地失真。要解决这个 岩土工程与勘察 第15卷 第2期（总第24期） 2003年12月 问题，可以从两方面入手，一是人机对话分层时，将峰值出现的深度上下限作为强制分层界 限，以此排除出异常值，然后将有代表性的若干小层进行平均得出该子样的的平均值，这个 过程繁琐一些，但精度较高。另一种方法是在已完成的分层柱状图上，用比例尺按比例量出 具有代表性的数值，而不管峰值的大小及个数，这样精度要差一些，但比较简单实用。 与上述峰值型曲线相反，有时在一个比较厚的层位中也会出现异常的小值，曲线上表现 为凹形，对此要进行综合分析，如果是在相近的标高有规律的出现，则可能是一软弱夹层， 一般情况下，当夹层厚度大于0.3m，应将其单独分为一薄层或透镜体，如果只是偶然出现 或不属于软弱土层，则可以忽略不计。 用CPT划分地层,是该项试验的主要功能之一，在有成熟经验地区，用CPT方法划分层位，其精度和可靠性比钻探分层还要高。对缺乏经验的勘察场地，应有一定数量的对比孔， 从已知曲线的对比结果推算单孔的地层。 以目前最常用的双桥探头分层为例，通过试验得出二组数据，锥尖阻力q （单位：MPa）c 和侧壁摩阻力f（单位：kPa），由此间接计算出摩阻比R=f/q*100%（分层软件自动计算）。sfsc 分层时，摩阻比R是最重要的指标，其次是锥尖阻力q，使用这两个参数，就可以比较准fc 确地划分各类不同的地层。在实际工程中，一般可将土层分为四类：软土（淤泥和淤泥质土）， 粘性土（包括粘土和粉质粘土），粉土，砂土。这四类土层反映特征是：锥尖阻力q依次增c 大，摩阻比R则相反，呈依次减小的趋势。将这一规律加以量化，结合本地区多年的工程f 经验，归纳出以下的分层准则。 指标及说明 摩阻比R 锥尖阻力q fc 备 注 主要影响因素 （%） （Mpa） 土层名称 沿海地区软土R值最大可含水量和结构强f软土 ＞3 ＜1.0 达到10左右 度 粘性土 2.5～5.0 1.0～4.0 坚硬状态粘性土q值较大 状态和结构强度 c 塑性指数＜5或含砂量多粉土 1.2～2.5 3.0～6.0 含水量和密度 的密实粉土q值较高 c 砂土 ＜1.2 ＞5.0 松散砂层q值有时＜5.0 颗粒级配和密实度 c 表1给出了一般性的分层标准，具体应用时，对R和q两个指标既要同时考虑，也要fc 有所侧重。比如，当q＜1.0 MPa时，即使R值异常，也可以界定为软土；对R＜1.2的地cff 层， 极松散的砂土可能q达不到标准，但仍可将划为砂土。总之，在用静探分层时，应遵循的c 原则是：有对比孔资料时，分析对比孔相同层位的曲线特征，包括R和q两个指标的量化fc 反映，以此为参考推断单孔地层的归属。如果是单独的静探孔，砂土以R为主要判别依据，f 岩土工程与勘察 第15卷 第2期（总第24期） 2003年12月 软土则主要看q值；而对于最常见的粘性土和粉土，界定起来比较复杂一些，对一般冲洪c 积成因的土层，粉土的R一般小于2.5，而q多高于粘性土。 fc 另外，在确定分层界限时，还要考虑“提前”和“滞后”效应，这是由探头剪切破坏机 理所决定的，当探头从坚硬土层进入软土层或相反时，在试验曲线上会有提前或滞后的反映， 这个距离一般为0.1～0.2m。所以，分层时要考虑这一因素，将界限上移或下推相应的距离。 早期使用的单桥探头获取的测试结果为比贯入阻力Ps，近年来，普遍使用了双桥探头， 测试指标是锥尖阻力q和侧壁摩阻力f。有对比资料显示，在相同的地层中，Ps略大于q，csc 二者的关系约为Ps?1.1q。在应用经验公式时，有不少是基于比贯入阻力Ps的经验公式，c 在此情况下，可认为Ps?q，这样做有一定的安全储备。 c 经过多年经验积累，静探指标与土的物力性质及参数之间已建立了不少经验公式，应用 范围十分广泛。归纳起来，大致有以下七个方面：1）确定地基土承载力；2）确定土的压缩摸量E或变形摸量E，3）推算砂土的相对密度；4）估算砂土的内摩擦角；5）估算饱和软SO 粘土的不排水剪强度Cu；6）判别饱和砂土和饱和粉土的地震液化；7）估算单桩承载力。除此之外，有关的经验公式还很多，可详见《工程地质手册》和《岩土工程试验监测手册》 相关章节，本文不再列举，现仅就石家庄地区常用承载力和模量的地区经验作一介绍。 0.481粉质粘土或粉土 f=36.1*（10*qc） „„„ ? 0 E=4.37* qc – 2.03 S 0.51 砂 土 f=20.0*（10*qc）0 E=1.5 * qc S 式中f单位：Kpa ；E、qc 单位均为Mpa 。经多年工程实践检验，该经验公式具有一0S 定的使用价值，安全系数比较高。除此之外，《河北省建筑地基承载力确定技术规程》（送审 稿）按不同的土类，给出了以下的经验数据。 粘性土承载力特征值 P（MPa） 0.7 1.2 1.7 2.1 2.6 3.0 3.2 3.7 4.2 S （kPa） 105 145 190 235 280 320 350 380 420 fak 粉土承载力特征值 P（MPa） 1.0 1.5 2.0 3.0 4.5 12.0 14.0 S （kPa） 100 140 170 200 235 320 350 fak 软土承载力特征值 P（MPa） 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 S （kPa） 50 60 70 80 90 100 105 110 fak 相比较而言，表2、表3给出的值比公式?计算结果偏高，使用时应谨慎考虑。还应注 意的是，在一个新的地区开展勘察工作时，要认真收集当地的地区经验，对于某些物理指标 （如塑性指数）相似的土层，由于成因、结构不同，反映在土的计算参数上，也会产生较大 岩土工程与勘察 第15卷 第2期（总第24期） 2003年12月 的差异。可以说，没有一个公式是万能的，可以反映所有地区土层的力学属性；从这个意义 上讲，地区经验就显得尤为重要。 为便于技术人员应用CPT结果，列出具体的操作流程如下： 1）制定勘察方案，配置静力触探孔，要考虑勘察场地和地层的适宜条件，并注意与其 他类型的勘探孔间隔分布。 2）按照方案实施野外测试，完成后将采集数据输入电脑，剖面图单独成图使用ZZT1 软件，与理正等勘察软件对接时用ZZT2。打印原始曲线，提交工程负责人进行分层，然后 在ZZT平台上输出柱状图或在理正等软件上输出带有曲线的剖面图，作为勘察的成果 图表。 3）进行指标分析统计，每孔的每层为一个样本，先分析样本可靠性，剔除或处理其中 的异常值，然后按本文第3节进行统计计算。 4）选择适宜的经验公式，将统计得出的代表值代入，求解承载力、模量等参数。通常 情况下，一个工程勘察项目会有多种手段，确定承载力等设计参数时，应考虑各种手段方法 的可靠程度、影响因素并结合地区经验综合确定,在分析不同的方法在某一特定地层的适用 性基础上，按不同的权重有所侧重。参照本地区工程实践经验，对常见的土层和砂土地层， 静探指标的可靠程度较高，可考虑做为综合分析判断的首选之一。 有关静力触探的方法及其应用，有大量的研究成果和文献记载，本文旨在针对我院目前 的使用现状，作一简要的论述，对使用过程中几个关键问题进行分析归纳，以期提高广大年 轻技术人员在静力触探方面的应用能力，使我院工程勘察的水平和工作质量进一步提高。