成利民，陳智勇，陶旭光

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

0 引言

靜力觸探原位測(cè)試的基本原理[1-2]是用準(zhǔn)靜力將一個(gè)內(nèi)部裝有傳感器的觸探頭以勻速壓入土中，由于地層中各種土的軟硬不同，探頭所受阻力也不同，傳感器將這種大小不同的貫入阻力通過(guò)電信號(hào)輸入到記錄儀表記錄下來(lái)，再通過(guò)貫入阻力與土的工程地質(zhì)特征之間的物性關(guān)系和統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系，來(lái)實(shí)現(xiàn)取得土層剖面、提供淺基承載力、選擇樁尖持力層和預(yù)估單樁承載力等工程地質(zhì)勘察目的。

靜力觸探原位測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)在于人為影響小，測(cè)試數(shù)據(jù)精度高，能夠觀測(cè)土層的連續(xù)變化；接入多種功能的探測(cè)元件后，能實(shí)現(xiàn)多種指標(biāo)同時(shí)試驗(yàn)[3-4]；貫入過(guò)程近似預(yù)制樁壓沉樁的微型試驗(yàn)；在實(shí)現(xiàn)電腦自動(dòng)記錄后，數(shù)據(jù)處理可通過(guò)軟件快速進(jìn)行；效率高，成本相對(duì)低。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累，靜力觸探曲線的解讀一般不會(huì)出現(xiàn)多解性，其測(cè)試指標(biāo)可用于解決工程應(yīng)用中多種問(wèn)題。因此，在場(chǎng)地勘察時(shí)，靜力觸探原位測(cè)試越來(lái)越受到重視，而且規(guī)范中對(duì)靜力觸探原位測(cè)試的成果應(yīng)用也越來(lái)越多。但國(guó)內(nèi)在靜力觸探原位測(cè)試應(yīng)用上一般局限于單橋和雙橋，使用范圍也主要限于陸域場(chǎng)地。而多功能的觸探頭并未得到廣泛使用，水域由于施工操作難度較大，且反力裝置運(yùn)用不成熟，則很少使用靜力觸探原位測(cè)試。如能將多功能探頭靜探技術(shù)在國(guó)內(nèi)進(jìn)一步推廣，并應(yīng)用于港口、橋梁建設(shè)中，對(duì)國(guó)內(nèi)港口、橋梁工程原位測(cè)試技術(shù)發(fā)展將是質(zhì)的飛躍，意義非凡。

1 應(yīng)用案例

下面以馬來(lái)西亞一處跨海大橋的地基勘察為例，介紹靜力觸探原位測(cè)試在橋梁工程中的應(yīng)用情況。施工區(qū)域?yàn)閿M建24 km長(zhǎng)的跨海大橋區(qū)域，該區(qū)域水深一般在10m以內(nèi)。此次靜力觸探原位測(cè)試從操作到應(yīng)用都非常成功，在地基土的分層、樁基承載力估算等方面均取得了良好的效果，并得到了其它方法成果的驗(yàn)證。

本文中的多功能靜力觸探原位測(cè)試所采用的觸探頭指能同時(shí)量測(cè)錐尖阻力qc、側(cè)摩阻力fs、孔隙水壓力Pw和傾斜度的四橋探頭。探頭斷面面積15 cm2、錐角60°。

1.1 海上施工平臺(tái)

靜力觸探設(shè)備主要固定在自由升降式平臺(tái)上。圖1為海上施工平臺(tái)的示意圖。

1.2 平臺(tái)上靜探測(cè)試操作要點(diǎn)

與陸域靜力觸探原位測(cè)試操作相比，海上施工平臺(tái)上施工時(shí)應(yīng)特別注意以下問(wèn)題：

1）將靜力觸探壓力裝置牢牢固定在平臺(tái)中心位置。

2）當(dāng)平臺(tái)進(jìn)入孔位并固定（以平臺(tái)地面高于大潮汛最高潮位為宜）以后，利用水平尺將平臺(tái)調(diào)平。

3）仔細(xì)量測(cè)孔位處泥面至平臺(tái)頂面的高度，換算出泥面的標(biāo)高。當(dāng)探桿進(jìn)入泥面時(shí)，準(zhǔn)確計(jì)算所進(jìn)入泥面的深度。

4）根據(jù)水深情況，先將外層護(hù)管（不小于φ108mm）豎直下入海床1～2m深度，以防止探桿受到水流作用發(fā)生彎曲。如水流較急或水深較深，可將護(hù)管中部（懸空部分）用繩索分別系在平臺(tái)的四支腳上，既能避免水流影響，又能防止探桿壓入過(guò)程中撓度過(guò)大。

5）探頭到達(dá)泥面時(shí)，作為零點(diǎn)開(kāi)始記錄。因表土層已受護(hù)管擾動(dòng)，因此自護(hù)管底端深度開(kāi)始的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)。

6）壓入過(guò)程中，連接探頭傳感器的顯示器上可以直接得到四組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線，包括錐尖阻力qc、側(cè)摩阻力fs、孔隙水壓力Pw和傾斜度。應(yīng)仔細(xì)觀察護(hù)管是否傾斜、彎曲或劇烈抖動(dòng)，以及記錄儀上反映的4組曲線，尤其是傾斜度曲線。如發(fā)現(xiàn)探頭傾斜度明顯增大，或者護(hù)管偏離原位并劇烈抖動(dòng)，應(yīng)立即停止壓入，以防觸探桿折斷。起拔觸探桿后，用鉆機(jī)配合清孔至上次貫入深度以上約2～3m，并跟進(jìn)第二層甚至第三層護(hù)管，以確保探桿在軸向受壓過(guò)程中不因局部撓度過(guò)大而折斷。

本案例工程中施工操作時(shí)遵循了以上操作要點(diǎn)，測(cè)試深度最深達(dá)入土80m。

1.3 測(cè)試成果應(yīng)用

帶測(cè)斜、孔壓等多功能探頭的靜力觸探原位測(cè)試主要用于修正深度、地基土分層、工程地質(zhì)性質(zhì)評(píng)價(jià)、單樁承載力估算、確定土的變形指標(biāo)、不排水強(qiáng)度、判定砂土液化、孔隙水壓力量測(cè)等等，本文主要介紹其在修正深度、地基土分層和單樁承載力估算三個(gè)方面的應(yīng)用。

該多功能靜力觸探測(cè)試成果數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)于微電腦中，電腦軟件會(huì)自動(dòng)將實(shí)測(cè)的錐尖阻力和側(cè)摩阻力進(jìn)行孔壓修正，在資料輸出時(shí)會(huì)得到修正后的錐尖阻力qt、修正后的側(cè)摩阻力fs、孔隙水壓力Pw和傾斜度4組基本數(shù)據(jù)。

1.3.1 深度修正及與各參數(shù)的關(guān)系曲線

通過(guò)多功能探頭量測(cè)到的傾斜度數(shù)據(jù)，按以下公式進(jìn)行貫入深度修正[5-6]，從而得到一系列修正后的深度值。

式中：z為貫入深度，m；l為貫入長(zhǎng)度，m；Cinc為觸探桿的傾斜修正系數(shù)。

對(duì)于非定向的傾斜儀：Cinc=cosα，其中：α為觸探桿軸向與鉛垂線的夾角，（°）。

對(duì)于定向的傾斜儀：Cinc=（1+tan2α +tan2β）-1/2，其中：α、β分別為觸探桿在相互垂直的兩個(gè)方向上的偏斜角，（°）。

利用其余3組基本數(shù)據(jù)，計(jì)算出摩阻比Rf=fs/qt和除去靜水壓力的孔隙水壓力與錐尖阻力比值（簡(jiǎn)稱孔壓比，下文同）（Pw-Ph）/qt，并分別與修正后的深度建立函數(shù)關(guān)系，并繪制測(cè)試成果曲線。圖2為大橋區(qū)域BH1孔的各參數(shù)與深度的關(guān)系曲線。

圖2 靜力觸探原位測(cè)試成果曲線

靜力觸探測(cè)試時(shí)探桿較細(xì)，當(dāng)孔深較深時(shí)必然會(huì)發(fā)生不同程度的彎曲或傾斜，當(dāng)采用不具備測(cè)斜功能的觸探頭時(shí)，很難判斷探桿的傾斜程度，而貫入深度也通常采用泥面以下探桿與觸探頭總長(zhǎng)度。顯然，經(jīng)過(guò)傾斜度數(shù)據(jù)修正后的深度值更加準(zhǔn)確。

1.3.2 劃分土層

與國(guó)內(nèi)常用的單橋或雙橋靜力觸探原位測(cè)試成果相比，增加使用孔壓比（Pw-Ph）/qt后對(duì)土性分類上比單獨(dú)使用單橋或雙橋中的Ps、qc和摩阻比Rf要更加精確，因?yàn)榭讐罕仍诟鞣N土性上差異非常明顯，主要原因有兩點(diǎn)：①孔隙水壓力在砂土、粉土和黏性土中的差異很大，砂土的透水性很好，一般孔隙水壓力消散50%所需要的時(shí)間不過(guò)幾秒鐘，粉土消散時(shí)間較長(zhǎng)，黏性土消散時(shí)間則更長(zhǎng)；②砂土、粉土和黏性土在錐尖阻力qt的數(shù)值上一般隨土粒變細(xì)而減小。因此，具有測(cè)孔壓功能的靜力觸探（CPTU）在劃分土性方面更有優(yōu)越性，這一點(diǎn)可以從圖2曲線中得到驗(yàn)證。結(jié)合錐尖阻力qt值，便可以準(zhǔn)確判斷出地基土的名稱、工程地質(zhì)性質(zhì)，包括黏性土的稠度狀態(tài)和砂土、粉土的密實(shí)程度。

參考整個(gè)場(chǎng)地地基土的發(fā)育規(guī)律，按照孔壓靜力觸探原位測(cè)試曲線分層原則，主要將BH1孔劃分的土層見(jiàn)表1。

表1 BH1孔地基土分層一覽表

為了對(duì)比該孔壓靜力觸探孔的成果資料與鉆探取樣成果資料，在其附近（距離5～10m處）進(jìn)行了工程地質(zhì)鉆孔BH2。結(jié)合靜力觸探分層結(jié)果和臨近鉆孔的分層結(jié)果，繪制出BH1、BH2區(qū)段的地質(zhì)剖面圖（圖3）。經(jīng)過(guò)對(duì)各土層埋深、厚度的對(duì)比分析，認(rèn)為該靜力觸探測(cè)試孔在土層劃分上比較準(zhǔn)確，而且能把薄夾層土較為清晰地反映出來(lái)，比依靠單橋或雙橋靜力觸探測(cè)試來(lái)分層有了很大的進(jìn)步。當(dāng)然，僅靠多功能靜力觸探孔來(lái)分層是不夠科學(xué)的，仍要結(jié)合地質(zhì)鉆孔分層來(lái)完成。

圖3 BH 1、BH 2區(qū)段的地質(zhì)剖面圖

1.3.3 樁基承載力估算

目前國(guó)內(nèi)外普遍采用太沙基（K.Terzaghi）的靜力平衡公式Pu=quA+U∑fsihi確定單樁極限承載力，所不同的是不同地區(qū)在統(tǒng)計(jì)匯總形成的經(jīng)驗(yàn)公式中修正系數(shù)上的差異。下面借鑒國(guó)內(nèi)的規(guī)范來(lái)估算單樁極限承載力（按樁型PHC1000mm、樁長(zhǎng)為入土60m考慮）的估算結(jié)果。國(guó)內(nèi)規(guī)范中的公式是建立在雙橋靜力觸探測(cè)試成果中qc、fs基礎(chǔ)上的，為方便起見(jiàn)，以下計(jì)算公式中的qc、fs均取根據(jù)孔壓修正后的qt、fs值。

1）按照鐵道部 《靜力觸探使用技術(shù)暫行規(guī)定》（1980）推薦的確定打入混凝土樁的單樁極限承載力公式：

式中：α、βi查圖4（綜合修正系數(shù)曲線圖）；qc為錐尖上部、下部4m范圍內(nèi)加權(quán)平均值qc1、qc2的平均值。

代入對(duì)應(yīng)的各值計(jì)算得出該孔所在區(qū)域的單樁極限承載力值為10500 kN。

2）按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JGJ94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》5.3.4條計(jì)算公式：

式中：α對(duì)于黏性土、粉土取2/3，對(duì)于砂土取1/2；βi對(duì)黏性土、粉土取，對(duì)于砂土??；qc為錐尖上部4m、下部1m范圍內(nèi)加權(quán)平均值qc1、qc2的平均值。

代入對(duì)應(yīng)的各值計(jì)算得出的單樁承載力值為12700 kN。

該工程區(qū)域進(jìn)行了打入式PHC樁的靜載荷試驗(yàn)（MLT），試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試樁成果表

從以上計(jì)算結(jié)果及表2數(shù)據(jù)可以看出，試樁成果中的極限承載力值與采用靜力觸探原位測(cè)試qt和fs值估算的單樁極限承載力值較接近，而不同規(guī)范中由于采用的修正系數(shù)α、βi以及qc值有別，導(dǎo)致估算結(jié)果也略有差異。

2 結(jié)論

海上靜力觸探孔的操作比陸域上的操作較復(fù)雜，需要注意水深造成的臨空面可能導(dǎo)致探桿彎曲而折斷的情況，同時(shí)考慮到因探桿彎曲或傾斜對(duì)實(shí)際貫入深度有一定的影響，要獲得更準(zhǔn)確的深度數(shù)據(jù)，必須對(duì)深度進(jìn)行豎直方向的修正，所以引入使用傾斜度功能的觸探頭尤為重要。

多功能探頭的靜力觸探測(cè)試成果在土層細(xì)分上比地質(zhì)鉆孔更加準(zhǔn)確，在了解場(chǎng)地地基土發(fā)育規(guī)律的基礎(chǔ)上，在布置勘探孔時(shí)，可以適當(dāng)增加多功能靜力觸探原位測(cè)試孔的份量。

靜力觸探成果不僅可以直觀、準(zhǔn)確地估算單樁極限承載力值，而且能在豎向土層中較連續(xù)地反映出沉樁過(guò)程中樁穿越各土層的難易程度，對(duì)整個(gè)樁基施工中沉樁有很重要的指導(dǎo)作用。

不同區(qū)域地基土性質(zhì)存在一定程度的差異，計(jì)算公式并不適用于所有地區(qū)的地基土。若多功能的靜探測(cè)試能在國(guó)內(nèi)推廣使用，可以根據(jù)不同區(qū)域的孔壓靜力觸探原位測(cè)試與沉樁的對(duì)比試驗(yàn)，來(lái)確定建立在qt、fs值上的計(jì)算公式，以及相應(yīng)的修正系數(shù)α、βi值。

3 結(jié)語(yǔ)

早在20世紀(jì)60年代我國(guó)就成功地研制了電測(cè)式單橋靜力觸探儀，解決了大量的巖土體測(cè)試問(wèn)題，在工程建設(shè)中發(fā)揮了重要作用，取得了重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，但一直以來(lái)改進(jìn)甚少。目前，國(guó)內(nèi)多功能探頭靜力觸探技術(shù)雖有所發(fā)展，但在工程中應(yīng)用還不夠廣泛。

從國(guó)外工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，施工中對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性、科學(xué)性、系統(tǒng)性、自動(dòng)化程度等要求越來(lái)越高，而靜力觸探原位測(cè)試在功能的應(yīng)用上越來(lái)越多，大力發(fā)展多功能靜力觸探原位測(cè)試在勘探生產(chǎn)中的應(yīng)用已經(jīng)是當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)。近些年，國(guó)內(nèi)外都在大力發(fā)展港口、橋梁建設(shè)，如果能在國(guó)內(nèi)港口、跨海大橋建設(shè)中廣泛采用的話，將加快中國(guó)巖土工程技術(shù)與世界接軌的步伐，使國(guó)內(nèi)的靜探技術(shù)向輕便化、標(biāo)準(zhǔn)化、多功能化方向發(fā)展，擴(kuò)大與國(guó)外技術(shù)人員交流的渠道，從而培養(yǎng)出更多更優(yōu)秀的國(guó)際級(jí)巖土工程技術(shù)人員。

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