程超群

（蕪湖市勘察測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 安徽 蕪湖 241000）

0 引言

靜力觸探試驗(yàn)是通過貫入設(shè)備將具有測(cè)試功能的錐形探頭貫入土中，通過錐形探頭錐尖和套筒側(cè)壁受壓后，內(nèi)部電子傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，并傳輸至電腦經(jīng)過信號(hào)放大和信號(hào)轉(zhuǎn)換，形成和顯示為數(shù)值信號(hào)，獲得靜力觸探試驗(yàn)所需的錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力，并用這兩個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算摩阻比，進(jìn)而推求土的物理力學(xué)性質(zhì)，提供土層劃分、確定地基承載力、確定基坑工程計(jì)算所需的靜止側(cè)壓力系數(shù)、估算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平承載力等[1-3]。靜力觸探試驗(yàn)作為一種豎向測(cè)試的原位測(cè)試試驗(yàn)，同時(shí)能夠提供眾多原位測(cè)試參數(shù)，因此，在我國(guó)的巖土工程勘察中得到了廣泛的應(yīng)用，并被我國(guó)的國(guó)家規(guī)范、鐵路行業(yè)規(guī)范、公路行業(yè)規(guī)范等收錄[4-5]。

本文依托地下車庫基坑工程巖土勘察項(xiàng)目，在分析場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用雙橋靜力觸探設(shè)備對(duì)場(chǎng)區(qū)的巖土體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究采用靜力觸探測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算基坑工程設(shè)計(jì)中最為常用的力學(xué)參數(shù)，即砂土的內(nèi)摩擦角、黏性土的不排水抗剪強(qiáng)度以及各層土的靜止側(cè)壓力系數(shù)，研究成果可為基坑工程的設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和試驗(yàn)類比。

1 工程概況

擬建地下車庫為商業(yè)住宅小區(qū)配套車庫，主要有10棟45層民用住宅、7棟商業(yè)樓以及5棟公用房組成，設(shè)置2層地下車庫，車庫總面積為9500m2。根據(jù)鉆探揭示表明，場(chǎng)區(qū)的地層主要為：①層素填土、②-1層淤泥質(zhì)土、②-2層黏土（Qal）、③-1層粉質(zhì)黏土（Qel）、③-3層粉質(zhì)黏土（Qal）、③-5層粗砂。各土層的物理力學(xué)指標(biāo)如下：

表1 各層土的物理力學(xué)指標(biāo)

2 雙橋靜力觸探試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)共布置靜力觸探試驗(yàn)孔62個(gè)，平均測(cè)試深度為45m，試驗(yàn)采用雙橋靜力觸探設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，探頭尺寸為：探頭直徑35.70mm，探頭截面面積為10cm2，摩擦套筒表面積為200cm2，摩擦套筒長(zhǎng)度為7cm，探頭錐角為60°[6]。試驗(yàn)時(shí)，首先采用GPS將試樣孔精確定位，并將貫入設(shè)備放置于放孔位置，隨后采用水平尺和鉛錘尺調(diào)整基座的標(biāo)高和平穩(wěn)程度，貫入反力采用螺旋桿支座，混凝土路面條件下采用安裝膨脹螺栓的形式提供反力，采用液壓貫入設(shè)備控制貫入速度為1～2cm/s，數(shù)據(jù)采集設(shè)備按1cm間隔持續(xù)采集錐尖阻力值和側(cè)摩阻力值，并用兩者的比值計(jì)算摩阻比[7]。另外，為了更好地對(duì)比試驗(yàn)成果，在場(chǎng)區(qū)內(nèi)也進(jìn)行了高質(zhì)量的原狀樣取土進(jìn)行室內(nèi)三軸試驗(yàn)，以及預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 砂土的內(nèi)摩擦角

砂土內(nèi)摩擦角的確定方法主要有室內(nèi)試驗(yàn)方法和原位測(cè)試方法，其中室內(nèi)試驗(yàn)方法中最為主要的手段為直接剪切試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)，但是由于砂土是顆粒狀固體，黏聚力較小，在取樣的時(shí)候極易受到擾動(dòng)，在獲取高質(zhì)量的原狀樣時(shí)，需要大量的時(shí)間、人工和經(jīng)費(fèi)，因此，一般的工程勘察而言，由于工程費(fèi)用的限制，獲得的原狀樣質(zhì)量難于保障，測(cè)試的砂土內(nèi)摩擦角值可信度較差。因此建立原位測(cè)試方法與室內(nèi)試驗(yàn)之間的相關(guān)關(guān)系成為砂土這類難于取樣的巖土而言具有十分重要的作用。在砂土的內(nèi)摩擦角的確定方面，國(guó)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)公式主要建立在單橋靜力觸探的比貫入阻力上，對(duì)于雙橋靜力觸探錐尖阻力或側(cè)壁摩阻力與內(nèi)摩擦角的相互關(guān)系研究較少。Senneset根據(jù)圓孔擴(kuò)張理論建立了錐尖阻力與砂土的內(nèi)摩擦角的計(jì)算公式：

式中：Nq，Nu為利用砂土內(nèi)摩擦角φ計(jì)算的無量綱承載力系數(shù)；σvo為總上覆壓力(kPa)；Δu為超孔隙水壓力(kPa)；α′為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其數(shù)值為：軟的粉土，α′的范圍為0～5，稍硬的粉土，α′的范圍為5～15，硬的粉土，α′的范圍為15～30；松散的砂土，α′為0，中密的砂土，α′的范圍為10～20，密實(shí)的砂土，α′的范圍為20～50。

試驗(yàn)時(shí)，對(duì)場(chǎng)區(qū)內(nèi)的砂土采取高質(zhì)量方法進(jìn)行取樣，并在室內(nèi)三軸試驗(yàn)中確定砂土的內(nèi)摩擦角，由此可以得到靜力觸探試驗(yàn)與室內(nèi)三軸試驗(yàn)確定的內(nèi)摩擦角關(guān)系如圖1所示：

從圖中可以看出，靜力觸探試驗(yàn)求取的砂土內(nèi)摩擦將與室內(nèi)不固結(jié)不排水試驗(yàn)獲取的內(nèi)摩擦角值十分接近，誤差在±3°以內(nèi)，因此，在實(shí)際的工程中，公式（1）所提供的計(jì)算式能夠滿足工程計(jì)算要求。

3.2 土體的靜止側(cè)壓力系數(shù)

靜止側(cè)壓力系數(shù)是地下室基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)中計(jì)算側(cè)向土壓力的重要輸入?yún)?shù)，它反映了側(cè)向土壓力與上覆有效土壓力之間的比值，因此在實(shí)際的巖土工程勘察中，提供準(zhǔn)確的靜止側(cè)壓力系數(shù)直接關(guān)系到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算和土體的變形。Kulhawy和Mayne (1990)在大量的靜力觸探數(shù)據(jù)的總結(jié)和分析的基礎(chǔ)上，對(duì)錐尖阻力進(jìn)行歸一化，然后考慮上覆土壓力的影響提出土體的靜止側(cè)壓力系數(shù)計(jì)算公式如下：

對(duì)場(chǎng)區(qū)同時(shí)采集靜力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)和預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立錐尖阻力與靜力觸探試驗(yàn)靜止側(cè)壓力系數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，可以得到兩者的相關(guān)關(guān)系如圖2所示。從圖中可以看出，錐尖阻力與靜止側(cè)壓力系數(shù)之間可以線性關(guān)系表達(dá)，隨著歸一化錐尖阻力的增加，旁壓試驗(yàn)靜止側(cè)壓力系數(shù)逐漸降低，且誤差在±0.05范圍之內(nèi)，滿足工程實(shí)際設(shè)計(jì)要求，兩者的相關(guān)方程式表示如下：

圖2 靜力觸探與室內(nèi)三軸試驗(yàn)內(nèi)摩擦角對(duì)比

其中，k0為靜止側(cè)壓力系數(shù)，qcmorm為歸一化錐尖阻力。

3.3 黏性土的不排水抗剪強(qiáng)度

黏性土的不排水抗剪強(qiáng)度是基坑穩(wěn)定性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于黏性土在飽和狀態(tài)受剪應(yīng)力作用，容易產(chǎn)生孔隙水壓力，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，孔隙水壓力消散，土的有效應(yīng)力增加，大大地增加土體的變形，因此獲取天然含水率狀態(tài)下的黏性土不排水抗剪強(qiáng)度是巖土工程勘察中的重要任務(wù)。對(duì)場(chǎng)區(qū)的土層進(jìn)行了靜力觸探試驗(yàn)與十字板剪切試驗(yàn)，對(duì)不排水抗剪強(qiáng)度擬合分析，得到相關(guān)關(guān)系如圖3所示。從圖中可以看出，錐尖阻力與黏性土不排水抗剪強(qiáng)度之間具有良好的線性關(guān)系，黏性土的不排水抗剪強(qiáng)度隨著錐尖阻力的增加而增加，兩者的擬合系數(shù)為0.8995。

圖3 靜力觸探與旁壓試驗(yàn)靜止側(cè)壓力系數(shù)對(duì)比

圖3 黏性土錐尖阻力與不排水抗剪強(qiáng)度相關(guān)關(guān)系

4 結(jié)論

依托地下車庫基坑工程巖土勘察項(xiàng)目，在分析場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用雙橋靜力觸探設(shè)備對(duì)場(chǎng)區(qū)的巖土體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究采用靜力觸探測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算基坑工程設(shè)計(jì)中最為常用的力學(xué)參數(shù)，即砂土的內(nèi)摩擦角、黏性土的不排水抗剪強(qiáng)度以及各層土的靜止側(cè)壓力系數(shù)。得出以下結(jié)論：

（1）靜力觸探試驗(yàn)獲取的內(nèi)摩擦角與室內(nèi)三軸不排水不固結(jié)試驗(yàn)確定的內(nèi)摩擦角十分接近，誤差在±3°；

（2）黏性土的不排水抗剪強(qiáng)度與土體的靜止側(cè)壓力系數(shù)與錐尖阻力具有良好的線性相關(guān)關(guān)系，擬合關(guān)系如圖3、圖4所示。