計算機算法技術(shù)在靜力觸探試驗中的層位劃分應用

魯國浩，劉龍飛

（中建三局工程設(shè)計有限公司 武漢430070）

0 引言

在巖土工程勘察中，對地下土層進行劃分，有助于查明地下土層構(gòu)造及變化情況。目前，在實際勘察工作中，主要采用鉆探及原位測試技術(shù)來了解地下土層的變化情況，靜力觸探試驗作為一種原位測試的方式，具有數(shù)據(jù)連續(xù)，對土層擾動小，深度精確等優(yōu)點，適用于軟土、粘性土、粉土、砂類土及含有少量碎石的土層［1］，相較于鉆探而言，此方法在層位劃分領(lǐng)域具有更加明顯的優(yōu)勢。

靜力觸探技術(shù)在我國發(fā)展較為久遠，早在20世紀30 年代就出現(xiàn)機械式的靜力觸探儀，1954 年，陳宗基教授利用該技術(shù)成功在黃土地區(qū)進行了試驗研究［2］；1964 年，我國首創(chuàng)電測靜力觸探技術(shù)，此項原位測試技術(shù)在1966 年開始全國推廣，并于20 世紀70 年代被列入國家規(guī)范和許多部門及地方規(guī)范，解決了大量的巖土原位測試問題，取得了重大的技術(shù)經(jīng)濟效益［3］。

在目前的工程應用中，主要使用的依然是“單橋”探頭和“雙橋”探頭［4］，通過多年的實踐積累，目前我國已經(jīng)形成了針對這2種類型靜力觸探的相關(guān)標準和規(guī)范。但是在實際的應用過程中，由于缺乏簡單實用的工具或手段，目前勘察人員在利用靜力觸探數(shù)據(jù)進行層位劃分的時候，主要依據(jù)經(jīng)驗和相關(guān)的分類公式來進行土層分類，不夠直觀和精確，直接影響到了層位劃分的效率及可靠性。

本文針對這一問題，嘗試利用計算機編程的手段，在總結(jié)前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，歸納相關(guān)標準及規(guī)范，開發(fā)了一系列簡單實用的算法，為利用靜力觸探試驗進行層位劃分提供參考。

1 研究方法及應用

1.1 單橋靜力觸探試驗分析算法

1.1.1 算法原理

由于單橋靜力觸探儀只能獲得比貫入阻力Ps這一個類型的數(shù)據(jù)，只依靠這一個參數(shù)并不能確定土的具體類型，需要結(jié)合周邊的鉆探情況來綜合分析判定不同深度土的具體類型，它僅適用于城市、工礦區(qū)等對當?shù)氐貙右延懈怕粤私獾牡胤剑?］。目前，湖北地區(qū)已經(jīng)建立了比貫入阻力Ps同黏性土塑性的關(guān)系，如果利用鉆孔和靜力觸探的數(shù)據(jù)綜合分析，能夠判定某一深度土層為黏性土，就可以利用Ps與黏性土塑性的關(guān)系，對黏性土層進行進一步的劃分。

依據(jù)湖北省地方標準《建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范：DB 42/242-2014》［6］的說明，武漢地區(qū)室內(nèi)試驗的液性指數(shù)與比貫入阻力具有以下統(tǒng)計關(guān)系：

式中：IL為液性指數(shù)；Ps為比貫入阻力（kPa）。

根據(jù)液性指數(shù)同黏性土狀態(tài)之間的關(guān)系（見表1），利用式⑴可以確定黏性土狀態(tài)與Ps的對應關(guān)系［6］。

表1 黏性土狀態(tài)與Ps關(guān)系Tab.1 Relationship between the State of Cohesive Soil and Ps

根據(jù)上述關(guān)系，結(jié)合實際工作經(jīng)驗，編寫相應算法，在輸出Ps值，繪制靜探曲線圖的同時，繪制相應的比貫入阻力臨界線，將臨界線與靜探曲線置于同一圖件中，可以直觀地判定黏性土的塑性狀態(tài)及具體分布。

1.1.2 實際應用

在湖北省孝感市某地區(qū)（靠近武漢）進行巖土工程詳細勘察，根據(jù)已有的鉆探資料，發(fā)現(xiàn)該勘察區(qū)域存在較厚的黏性土層，利用單橋靜力觸探分析算法，結(jié)合鉆孔試驗結(jié)果，對本區(qū)域靜探孔進行層位劃分。選取部分靜探數(shù)據(jù)進行分析說明。

如圖1所示，J64和J60為本區(qū)域的2個靜探孔，根據(jù)周邊的鉆孔試驗結(jié)果，確定地下約9 m 范圍深度內(nèi)的土層為黏性土，按照圖1，可以將這部分黏性土按照可塑性分成3 個部分，具體劃分情況如表2 所示，由表2可知，這一剖面的地層分布較為均勻，地層起伏變化不大。

圖1 單橋靜探分析對比Fig.1 Comparison of Single Bridge CPT Analysis

表2 靜探孔土層分類Tab.2 Soil Layer Classification of CPT Hole

為了驗證算法的可靠性，將在兩靜探孔原位置進行鉆探而獲得的土工樣本進行試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 土工試驗表1Tab.3 Geotechnical Test Table 1

對比表3 與圖1，不同深度處的黏性土狀態(tài)結(jié)果同靜力觸探試驗的分析結(jié)果基本吻合，也驗證了該算法的可靠性。

通過單橋靜力觸探試驗分析算法，可以直接將比貫入阻力Ps的具體數(shù)值同黏性土的狀態(tài)連系起來，雖然利用手繪或者其他方法也可以建立這種連系，但是利用算法運算實現(xiàn)這一目標更加的簡單高效，一目了然，只需要輸入確定的孔號，就可以自動生成相應的對比圖，靈活方便。

以上基于單橋靜力觸探的分析算法是根據(jù)湖北省的相關(guān)規(guī)范開發(fā)所得，目前適用范圍有限，后期需要對更廣泛的土工試驗數(shù)據(jù)和單橋靜力觸探試驗數(shù)據(jù)進行進一步的對比分析，完善算法，擴大適用范圍。

1.2 雙橋靜力觸探試驗分析算法

單橋靜力觸探數(shù)據(jù)形式單一，應用范圍有限，雙橋靜力觸探可同時獲得錐尖阻力qc和側(cè)壁摩阻力fs兩個參數(shù)，當觸探過程中遇到相同的qc，可以利用fs的差異性來區(qū)分土類，反之，fs若相同，也可根據(jù)qc的差異區(qū)分土類，因為不同土的qc和fs值不可能都相同，因而可利用qc和fs/qc（摩阻比）2 個指標來區(qū)分土層類別［7］，所以雙橋靜力觸探比單橋靜力觸探精度更高，且觸探方式與國際相統(tǒng)一［8］。

1.2.1 算法原理

經(jīng)過多年的實踐和統(tǒng)計分析，目前已經(jīng)有多種利用雙橋靜探劃分土層的經(jīng)驗公式和分類圖表。本文利用文獻［8］中多年來在靜力觸探實踐中總結(jié)的經(jīng)驗公式，使用計算機編程的方法，開發(fā)出一套基于雙橋靜探試驗的簡便直觀的分層輔助算法。

如圖2 所示，可以利用端阻qc和摩阻比Rf的數(shù)量關(guān)系對土層進行劃分［9］。

圖2 雙橋靜力觸探土層分類Fig.2 Soil Classification of Double Bridge CPT

根據(jù)此分類圖建立的算法流程如圖3所示。按照圖3 流程設(shè)計算法，讀取地下相應的深度Xr和代表土類別的數(shù)值C，繪制相應的圖件，即可判定任意靜探孔在不同深度處的土層類別。

圖3 雙橋靜探分析算法流程Fig.3 Flow Chart of Double Bridge CPT Algorithm

1.2.2 實際應用

在山東省東明縣某地區(qū)進行巖土工程詳細勘察，采用雙橋靜力觸探試驗對地下土層進行分類識別。根據(jù)鉆孔試驗得到的信息，該地區(qū)以粉土和粉砂為主，局部夾軟塑的粉質(zhì)黏土，但是在實際的鉆探過程中，由于施工技術(shù)的限制，現(xiàn)場勘察人員很難有效區(qū)分粉土和粉砂在地下的準確變化情況，需要借助雙橋靜力觸探試驗數(shù)據(jù)來進一步劃分土層。此處選取部分靜探孔試驗數(shù)據(jù)進行說明。

如圖4 所示，SJ219 與SJ220 為同一剖面的兩個雙橋靜力觸探孔，從圖4中可以看出，分層線C中的每一個點*都包含著該深度處土的類別信息，根據(jù)每一個點*的橫坐標的數(shù)值，即可判定土的類別。點*的橫坐標的數(shù)值為5、4、3、2、1分別代表的土層為砂土、粉土、粉質(zhì)粘土、粘土、軟土。

圖4 雙橋靜探分析對比Fig.4 Comparison of Double Bridge CPT Analysis

通過這種對應關(guān)系，根據(jù)靜探對比分析圖的判定，結(jié)合鉆孔試驗的信息及現(xiàn)場地質(zhì)條件的現(xiàn)狀，就可以有效地把該剖面中的2 個靜探孔進行層位劃分，以SJ219 靜探孔為例，可將該靜探孔的層位分成7 部分，具體如表4所示。

表4 靜探孔SJ219層位劃分Tab.4 Soil Layer Division of CPT Hole SJ219

表5 土工試驗表2Tab.5 Geotechnical Test Table 2

表6 土工試驗表3Tab.6 Geotechnical Test Table 3

同理，也可以按照相同的思路將靜探孔SJ220 劃分成7 層，最終對比分析發(fā)現(xiàn)，該剖面土層較為均勻，土層性質(zhì)隨深度變化較大。

為了驗證算法的可靠性，將在靜探孔SJ219 原位置進行鉆探而獲得的土工樣本進行試驗，試驗結(jié)果如表5、表6所示。

對比表5、表6 與圖4，不同深度處的土類別結(jié)果同雙橋靜力觸探試驗的分析結(jié)果基本吻合，這證明了該算法的可靠性。

利用雙橋靜力觸探分析算法，可以對任意剖面中的任意靜探孔進行分析對比，且不受剖面中靜探孔數(shù)量的限制，只需要輸入靜探孔孔號即可得到相應的分析對比圖，比起利用Excel 數(shù)據(jù)表格等常規(guī)方法來分析，該方法操作簡便，結(jié)果直觀，具有對比意義，同時也更加靈活，自動化程度高，比起利用經(jīng)驗來直接分析判定，該方法更加的準確可靠。

1.3 全區(qū)域雙橋靜探綜合分析輔助算法

1.3.1 算法原理

雙橋靜力觸探試驗分析算法利用摩阻比Rf和端阻qc之間的關(guān)系，可以較直觀準確地判定任意靜探孔的土層變化情況，考慮的是對有限個靜探孔或者有限個剖面的分析對比。而在實際的勘察工作中，靜探孔的數(shù)量往往高達數(shù)百個，需要首先綜合全區(qū)域所有的靜探孔和鉆孔的數(shù)據(jù)信息，給出勘察區(qū)域的標準地層表，然后再對每一個具體的孔位進行進一步的分析判定，同時還要考慮到實際地形的起伏變化情況，此時只能分析有限個靜探孔的雙橋靜力觸探試驗分析算法就無能為力了，同時該算法也忽略了地形起伏的影響，不能體現(xiàn)整個勘察區(qū)域地層的主要變化情況。

針對以上問題，為了更好地掌握勘察全區(qū)域地層的變化情況，給勘察區(qū)域標準地層表的確定提供有效的輔助手段，嘗試著開發(fā)了一套全區(qū)域雙橋靜探綜合分析輔助算法。該算法通過讀取勘察區(qū)域所有靜力觸探孔的孔號名稱及地面標高，將所有的靜力觸探孔按照圖2 的分類方式進行土層判定，然后針對不同的土類別，用不同的顏色進行顯示，最后綜合繪制在一張圖譜上，供勘察人員進行綜合分析使用。整個算法的流程如圖5所示。

按照該流程編寫全區(qū)域雙橋靜探綜合分析輔助算法，在讀取各個孔號名稱及相應的地面標高之后，即可自動獲取全區(qū)域的分層圖譜，利用該圖譜可以輔助勘察人員對整個勘察區(qū)域進行綜合分析，確定標準地層表。

1.3.2 實際應用

圖5 全區(qū)域雙橋靜探綜合分析輔助算法流程Fig.5 Flow Chart of Comprehensive Analysis Algorithm For Double Bridge CPT in the Whole Region

在山東某地區(qū)進行巖土工程詳細勘察，按照采取土試樣和進行原位測試的勘探孔數(shù)量不應少于勘探孔總數(shù)的二分之一，鉆探取土試樣鉆孔的數(shù)量不應小于勘探孔總數(shù)的三分之一的原則［10］，結(jié)合勘察區(qū)域?qū)嶋H的地形地貌布置測點，其中共有雙橋靜力觸探試驗孔110個，勘察區(qū)域地形起伏變化較大，結(jié)合現(xiàn)場實際踏勘和鉆孔信息，確定表層的填土深度大約為1 m，利用全區(qū)域雙橋靜探綜合分析輔助算法，設(shè)定0.0～1.0 m深度范圍為填土，然后剔除所有靜力觸探孔在該深度范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，對所有靜探數(shù)據(jù)進行土層類別判定之后，按照實際標高和孔位排列序號繪制全區(qū)域雙橋靜探綜合分析對比圖，針對不同的土類別，用不同顏色表示出來，最終結(jié)果如圖6 所示。為了更明顯體現(xiàn)地層變化，圖6中將粉質(zhì)黏土、黏土和軟土都統(tǒng)一劃分到粘性土中。

圖6 全區(qū)域雙橋靜探綜合分析對比Fig.6 Comprehensive Analysis Chart of Double Bridge CPT in the Whole Area

圖6 展示了勘察區(qū)域內(nèi)部所有110 個靜探孔的土層變化情況。從圖6中可以看出，在該勘察區(qū)域內(nèi)，地形起伏變化較大，最高處與最低處的高差高達4 m，地下土層的變化也極為復雜，如果只根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗和部分靜探孔的土層變化數(shù)據(jù)，難以有效且準確地認識全區(qū)域的地層變化情況，但是通過算法得到全區(qū)域雙橋靜探綜合分析對比圖之后，就可以在一個維度內(nèi)同時觀察所有孔位的地層變化情況，這就為勘察人員掌握全區(qū)域的地層變化提供了有效參考。

以圖6為例，根據(jù)該圖反映的實際土層變化情況，結(jié)合單個靜探試驗孔數(shù)據(jù)和部分鉆孔信息，可以基本確定該區(qū)域內(nèi)部地層變化趨勢，現(xiàn)簡要概述如下：

①層填土：根據(jù)現(xiàn)場踏勘結(jié)果和鉆孔信息，該層土主要分布在地表以下0.0～1.5 m 范圍內(nèi)，以粉土和粉砂為主要成分；②層砂土：分布區(qū)域較小，基本在標高73～74 m 的區(qū)域，且層底埋深基本不超過4 m；③層粉土：只在個別靜探孔位中出現(xiàn)，且厚度較小，層底埋深基本不超過4 m；④層黏性土：分布區(qū)域較小，土層厚度變化較大，層底埋深基本不超過5 m；⑤層粉土：分布較普遍，且土層厚度變化較大，部分孔在該層還夾有少量粉砂或者粘性土；⑥層砂土：分布極普遍，且土層厚度變化較大，在出現(xiàn)該層的大多數(shù)孔內(nèi)部，該層層厚基本都達到4 m 左右。⑦層黏性土：分布較普遍，且土層厚度變化較大，層底埋深基本在9～14 m 范圍內(nèi)；⑧層粉土：分布較普遍，且土層厚度變化較大，層底埋深基本在11～17 m 范圍內(nèi)；⑨層砂土：分布較普遍，且土層厚度變化較大，層底埋深較深，部分孔位未完全揭露。

以上對全區(qū)域?qū)游坏暮唵蝿澐种饕腔陟o探數(shù)據(jù)的判定得到的，并不能完全反映實際的地層變化，還需要結(jié)合土工試驗、鉆孔信息數(shù)據(jù)、標貫試驗數(shù)據(jù)、靜力觸探試驗端阻qc和側(cè)阻fs等進行進一步的綜合判定，但是通過繪制全區(qū)域雙橋靜探綜合分析對比圖，可以有效地給勘察人員提供參考，尤其是對粉砂粉土交互沉積地層的劃分提供了極大的方便，為標準地層的確定打下堅實的基礎(chǔ)。

2 結(jié)論及建議

本文介紹了3種針對單橋靜力觸探試驗和雙橋靜力觸探試驗的分析算法，通過論述算法原理及流程，同時結(jié)合實踐數(shù)據(jù)分析了算法的運行方式，證明了3種算法在利用靜探數(shù)據(jù)分層方面的實用性及便捷性，為勘察人員以后的勘察作業(yè)提供了新的思路及手段，可以有效地提高勘察人員的工作效率。

同時應該看到盡管這3種算法能夠幫助勘察人員進行層位劃分，但都只是一種輔助手段，還需要結(jié)合實際經(jīng)驗及其他數(shù)據(jù)綜合分析。此外這些算法還需要進一步接受實踐的檢驗，目前在同時分析多孔靜探數(shù)據(jù)的效率方面仍有不足，需要在后期的工作中進行改進。