靜力觸探在上海地區(qū)的工程應(yīng)用研究*

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

1 靜力觸探試驗(yàn)簡介

巖土工程原位測試技術(shù)在工程建設(shè)中有著不可替代的作用，在探測地層分布、測定巖土特性、確定地基承載力等方面有著突出的優(yōu)點(diǎn)。其中，靜力觸探試驗(yàn)（Cone Penetration Test，簡稱CPT）具有速度快、勞動(dòng)強(qiáng)度低、清潔經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，而且可以連續(xù)獲得地層的強(qiáng)度和其他方面的信息，不受取樣擾動(dòng)等人為因素的影響，是使用最廣泛和最成熟的原位土體測試技術(shù)之一[1]。

2 CPT在上海地區(qū)的工程應(yīng)用

工程應(yīng)用中確定土的工程性質(zhì)主要包括土體的強(qiáng)度、變形和滲流固結(jié)特性。CPT成果在工程中得到廣泛的應(yīng)用，如對土層進(jìn)行土類判別和力學(xué)分層，評定土體力學(xué)特性，確定地基土的承載力、土體液化判別等，都取得了滿意的結(jié)果。近年來靜力觸探技術(shù)在上海地區(qū)利用地區(qū)工程應(yīng)用取得了顯著的成果，特別是在利用地區(qū)經(jīng)驗(yàn)估算土的強(qiáng)度參數(shù)、判定飽和砂土和粉土的地震液化勢以及施工實(shí)時(shí)監(jiān)測評價(jià)等方面。

2.1 土體強(qiáng)度參數(shù)估算

上海地區(qū)埋深50 m以淺砂土、粉土主要有第④3層砂質(zhì)粉土、?2砂、粉性土層和⑧層粉砂，由于上海地下水位埋藏較淺，在基坑開挖和隧道施工過程中極易產(chǎn)生流砂、管涌、突涌等現(xiàn)象。因此，對于飽和軟土中深基坑及隧道施工土體強(qiáng)度的測定，特別是黏土、粉質(zhì)黏土和粉砂的抗剪強(qiáng)度測定，具有很強(qiáng)的工程實(shí)際指導(dǎo)價(jià)值。然而，由于施工過程中難以直接測定飽和黏土的孔隙水壓力，常常需要借助室內(nèi)試驗(yàn)或原位測試技術(shù)來測定土體的強(qiáng)度。

CPT技術(shù)在技術(shù)層面上有以下優(yōu)點(diǎn)[2]：

1）試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，精度高、穩(wěn)定性好、連續(xù)性強(qiáng)，能夠劃分出夾層或薄層；

2）試驗(yàn)重現(xiàn)性好，具客觀性；

3）測試指標(biāo)（比貫入阻力、錐頭阻力、側(cè)壁阻力等）直接與土的工程性質(zhì)相關(guān)聯(lián)，且不受取樣擾動(dòng)等人為因素的影響。

正是由于CPT原位測試具有以上優(yōu)點(diǎn)，馬海鵬等[3]結(jié)合上海地區(qū)19 個(gè)工程共201 組數(shù)據(jù)，根據(jù)上海地層的空間分布，通過統(tǒng)計(jì)CPT比貫入阻力ps、不同土類室內(nèi)固結(jié)快剪試驗(yàn)黏聚力cu和摩擦角φu、孔隙比e和塑性指數(shù)Ip沿土層深度的變化，得出上海地區(qū)不同土類，ps與土體抗剪強(qiáng)度Su相關(guān)關(guān)系不同，這主要是由土體的物理力學(xué)性質(zhì)及應(yīng)力狀態(tài)決定的，在工程初步勘查階段，建議采用相關(guān)關(guān)系（單位均為MPa）：黏土為Su=0.065ps，粉質(zhì)黏土為Su=0.060ps，粉砂為Su=0.023ps。

2.2 飽和砂土、粉土的地震液化判別

在地震作用下飽和砂土或砂質(zhì)粉土往往會(huì)產(chǎn)生液化現(xiàn)象，造成重大地質(zhì)災(zāi)害，危及建筑物安全。上海地區(qū)埋深20 m 以淺的砂土、粉土主要受地震液化影響的土層為④3層砂質(zhì)粉土。因此，上海市工程建設(shè)規(guī)范《巖土工程勘察規(guī)范》（以下簡稱規(guī)范）中強(qiáng)制條文規(guī)定：抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度的建筑場地，當(dāng)?shù)孛嬉韵?0 m深度范圍內(nèi)存在飽和砂土或砂質(zhì)粉土?xí)r，應(yīng)判定該土層地震液化的可能性，并確定整個(gè)地基的液化等級。

規(guī)范中采用單橋CPT的比貫入阻力ps與小于臨界比貫入阻力pscr或雙橋CPT的實(shí)測錐尖阻力qc與小于臨界錐尖阻力qccr的關(guān)系進(jìn)行判別，pscr與qccr采用以下兩式計(jì)算：

式中：ps0、qc0——分別為液化臨界比貫入阻力基準(zhǔn)值和臨界錐尖阻力基準(zhǔn)值（MPa），可分別取2.60 MPa和2.35 MPa；

ds—— 靜力觸探試驗(yàn)點(diǎn)深度（m）；

dw——地下水位埋深（m）；

a、b—— 系數(shù)，分別取1.0和0.75；

ρc——黏粒含量百分率，小于3時(shí)取3。

當(dāng)ps＜pscr或qc＜qccr時(shí)，判定土體液化。

文獻(xiàn)[4]通過對上海地區(qū)300余項(xiàng)工程的CPT試驗(yàn)總結(jié)分析認(rèn)為：砂質(zhì)粉土和黏質(zhì)粉土很難通過ps值區(qū)分，因?yàn)閜s值不僅反映了土的密實(shí)度，還反映了土的結(jié)構(gòu)性，不同類型的土可能有相同的ps值，反之相同的ps值，也可以代表著不同的土類；ps≤3.0 MPa時(shí)可判斷土層液化的概率很高；黏粒含量與ps值的關(guān)系有待進(jìn)一步的研究。

文獻(xiàn)[5]中采用雙橋靜力觸探研究了上海地區(qū)薄層黏性土（或黏質(zhì)粉土）夾層對液化判別的影響。由于在夾層處錐尖阻力減小，摩阻比明顯增大，因而摩阻比的變化能較好地反映砂質(zhì)粉土或粉砂層中黏性土及黏質(zhì)粉土夾層分布。采用下式判別不液化土層：

式中：Rf——雙橋靜力觸探試驗(yàn)?zāi)ψ璞龋?）。

同時(shí)，土層Rf與黏粒含量也具有較好的相關(guān)性。

2.3 施工實(shí)時(shí)監(jiān)測評價(jià)

上海地區(qū)土體具有含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低、壓縮性高、滲透性低以及觸變性等典型的軟土地區(qū)不良工程性質(zhì)。因而，在工程建設(shè)中發(fā)生砂、粉性土的流砂、軟土地基變形、基坑突涌水等的施工風(fēng)險(xiǎn)增大，同時(shí)也面臨因施工引起的變形、穩(wěn)定等環(huán)境擾動(dòng)問題。因此，在工程建設(shè)過程中必須采取合理有效的監(jiān)測評價(jià)措施，動(dòng)態(tài)評價(jià)工程活動(dòng)自身安全性及其對環(huán)境擾動(dòng)程度，從而保障工程建設(shè)順利安全進(jìn)行，減輕以致避免擾動(dòng)對環(huán)境產(chǎn)生危害。

室內(nèi)試驗(yàn)和工程實(shí)踐表明：當(dāng)土體受到擾動(dòng)后，土體應(yīng)力狀態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化[6]。由于靜力觸探的貫入阻力不僅能夠反映土體的工程力學(xué)特性的變化，而且也反映了土體結(jié)構(gòu)性的變化。因而，靜力觸探是一種有效的原位檢測技術(shù)。朱忠隆等[7]利用CPT監(jiān)測盾構(gòu)推進(jìn)動(dòng)態(tài)施工過程中地層的變化，通過實(shí)測的P-s曲線換算成各層土體的壓縮模量，并作為評價(jià)指標(biāo)，分析地層在施工過程中的變化規(guī)律，結(jié)果表明盾構(gòu)推進(jìn)引起一定范圍內(nèi)土體的結(jié)構(gòu)性破壞，使得土體的變形評價(jià)指標(biāo)（壓縮模量）發(fā)生變化，同時(shí)土體的強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值也相應(yīng)地發(fā)生變化，由于試驗(yàn)是隨著盾構(gòu)推進(jìn)施工動(dòng)態(tài)地進(jìn)行的，試驗(yàn)包含了一種時(shí)間和空間的變化，能夠真實(shí)反映實(shí)際土層受擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)了對盾構(gòu)推進(jìn)過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測評價(jià)。此外，靜力觸探還成功應(yīng)用于盾構(gòu)推進(jìn)過程中和沉樁瞬時(shí)孔隙水壓力監(jiān)測、測管幕箱涵頂進(jìn)過程中迎土面的端阻力監(jiān)測以及機(jī)場跑道的固結(jié)系數(shù)監(jiān)測。

3 CPT技術(shù)未來發(fā)展的趨勢

1）CPT作為一種已經(jīng)成熟的應(yīng)用技術(shù)，其實(shí)際價(jià)值應(yīng)在于實(shí)際工程應(yīng)用，CPT的發(fā)展在于地區(qū)實(shí)用經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，也標(biāo)志著CPT地區(qū)應(yīng)用的成熟程度。

2）CPT不僅是一種測試技術(shù)，更應(yīng)是一種與施工過程緊密結(jié)合的實(shí)時(shí)監(jiān)測評價(jià)手段，不應(yīng)只局限于對土層的靜態(tài)研究，或土層初始與終了狀態(tài)的靜態(tài)對比，而應(yīng)與施工過程緊密結(jié)合，通過CPT研究施工動(dòng)態(tài)過程對土層的影響。

3）CPT的貫入機(jī)理較為復(fù)雜，貫入過程中土體既有壓縮，又有剪切，既有擠密，又有剪脹，既有固結(jié)，又有塑滑，任何單一的力學(xué)模型都無法描述這種過程。CPT的評價(jià)指標(biāo)是多種力學(xué)作用的組合，其應(yīng)用是經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的總結(jié)，而經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的總結(jié)依賴于海量數(shù)據(jù)的積累，因此要建立CPT海量數(shù)據(jù)庫和編制基于海量數(shù)據(jù)分析的高性能數(shù)據(jù)處理評價(jià)系統(tǒng)。