超深靜力觸探試驗(yàn)在昆明巫家壩軟土場地勘探中的應(yīng)用

丁溪泉，劉海軍，郭曉霞，王 新，劉興國

(1.中國建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 渝北區(qū) 401121；2.大連理工大學(xué)，運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部，遼寧 大連 116000)

1 引言

針對不同的地質(zhì)情況存在不同的勘察方法，如在金礦勘查中使用的充電法(羊文，2021)；在礦山開發(fā)中應(yīng)用的遙感技術(shù)(李思發(fā)，2021)；鐵礦勘查中采用的高精度磁法等(黃啟霖，2019)。對于軟土地基最為有效的方法就是靜力觸探法，靜力觸探最早起源于荷蘭，隨后被各國引進(jìn)。1964年，我國成功研制出第一臺(tái)電測式觸探儀(王鐘琦，2000)。靜探測試主要用于軟土場地，通過靜壓力將標(biāo)準(zhǔn)探頭以一定的速率勻速壓入土中，獲取貫入阻力數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行土層分層、液化判別、強(qiáng)度估算和樁基設(shè)計(jì)，具有效率高、速度快、精度準(zhǔn)、成本低等特點(diǎn)(王錦艷，2016；付超，2016；皇富強(qiáng)，2021)。

靜力觸探作為軟土場地常用勘測手段，在各地工程實(shí)踐中取得了豐碩成果。在地鐵車站工程勘察中使用靜力觸探(陳錦，2021)；應(yīng)用靜力觸探對吹填土特性進(jìn)行分析(劉舉，2012)；采用靜力觸探推測滑裂面等(詹旺林，2021)。在超深靜力觸探方面許多學(xué)者也進(jìn)行了有益探索，使用深層靜力觸探估算深長灌注樁單樁承載力，提出新的修正系數(shù)計(jì)算公式(高敬，2016)；引進(jìn)國外先進(jìn)靜探設(shè)備，使陸地靜探測試深度突破100 m(王波，2016)；研究了深層靜力觸探如何預(yù)防孔斜與曲線失真以及貫入不深與斷桿問題，并提出灌水輔助測試的新方法(邵水松，2012)。

我們在前人的探基礎(chǔ)上，采用XY-150型鉆機(jī)結(jié)合DYLC大型靜力觸探設(shè)備進(jìn)行了86.5 m孔深原位測試，對比鉆探成果、周邊測試，結(jié)果表明深處地層靜探測試數(shù)據(jù)與地層鉆探數(shù)據(jù)之間表現(xiàn)出高度符合性，具有較大工程實(shí)踐意義。

2 超深靜力觸探測試

2.1 地質(zhì)概況

試驗(yàn)場地位于昆明市官渡區(qū)巫家壩商業(yè)新中心(CBD)核心地帶，處于昆明沖湖積盆地中南部，地貌單元屬滇池沖湖積盆地平原地貌。場地原為昆明巫家壩機(jī)場停機(jī)坪和停車場，地形平坦開闊。

2.2 設(shè)備選用

本次超深靜力觸探設(shè)備由DYLC履帶式靜力觸探車、KE-2103型靜探微機(jī)、15 cm2雙橋靜力觸探探頭和XY-150型鉆機(jī)組成。

DYLC由一臺(tái)小型柴油機(jī)和單聯(lián)齒輪油泵供提供動(dòng)力，靜探額定貫入力為200 KN，靜探起拔力為240 KN；與靜力觸探車配套的測試設(shè)備為KE-2103型靜探微機(jī)，可用于單、雙橋靜力觸探試驗(yàn)，十字板剪切試驗(yàn)，單、雙橋孔壓靜力觸探試驗(yàn)，超孔隙水壓消散試驗(yàn)等。

圖1 DYLC履帶式靜力觸探車Fig.1 DYLC crawler static probe vehicle

2.3 數(shù)據(jù)采集的方法

在靜力觸探車就位前，平整場地，夯實(shí)地表松散土層，選擇地錨，保證總反力大于貫入力。貫入工作開始時(shí)，由專人控制推進(jìn)油缸的上升與下降，以(20±5 mm/s)進(jìn)行勻速貫入。貫入過程中其他人手動(dòng)松緊卡瓦螺絲、連接探桿配合推進(jìn)油缸工作確保油缸上下連續(xù)不間斷，擰緊每根相連接的探桿，防止絲扣的松動(dòng)，造成脫扣，保證垂直貫入。

深度在30 m以內(nèi)時(shí)，采用常規(guī)靜探方法進(jìn)行試驗(yàn)，通過KE-2103型靜探微機(jī)記錄端阻與側(cè)阻數(shù)據(jù)。當(dāng)靜探深度超過30 m后，鉆桿易發(fā)生彎曲與孔壁間產(chǎn)生較大阻力，阻礙試驗(yàn)進(jìn)行，此時(shí)需要下套管，在套管的固定及保護(hù)條件下進(jìn)行靜探。遇到堅(jiān)硬地層時(shí)將探桿提起，改用XY-150型鉆機(jī)，對原探孔進(jìn)行擴(kuò)孔，觀察取土器中土樣情況并取樣分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)鉆頭穿越堅(jiān)硬底層后重新進(jìn)行靜探，記錄擴(kuò)孔深度以此修正靜探試驗(yàn)曲線。每次遇到堅(jiān)硬地層時(shí)重復(fù)擴(kuò)孔再貫入的操作，直至計(jì)劃深度。

3 超深靜力觸探測試結(jié)果

現(xiàn)場采用雙橋靜力觸探對A2XK72、A2XK104、A2XK106三個(gè)樁位進(jìn)行測試，樁位坐標(biāo)依次為(X=890 068.77，Y=2 567 226.32；X=890 065.10，Y=2 567 150.55；X=890 107.65，Y=2 567 124.61)，靜探深度分別為80.7 m、84.0 m、86.5 m。獲得探孔錐尖貫入阻力(qc)、側(cè)壁摩阻力(fs)及摩阻比(Rf)三項(xiàng)參數(shù)曲線。

試驗(yàn)在眉山中車緊固件科技有限公司完成。轉(zhuǎn)向架制動(dòng)杠桿1、2鉚接位置預(yù)先鉚接完成，試驗(yàn)的檢測對象為轉(zhuǎn)向架制動(dòng)杠桿的4個(gè)鉚接位置(3、4、5、6號位置)的鉚接狀態(tài)。

3.1 淺層地基靜探數(shù)據(jù)特性

圖2 A2XK72號、A2XK104、A2XK106號孔淺層靜力觸探數(shù)據(jù)Fig.2 Shallow static sounding data of drill A2XK72，drill A2XK104 and drill A2XK106

3.2 深層地基靜探數(shù)據(jù)特性

側(cè)摩阻力受深度的影響，且隨深度增加而增加。選取粉質(zhì)粘土作為研究對象，建立探孔中23層粉質(zhì)粘土中心深度與側(cè)摩阻力關(guān)系圖，如圖3所示。其中最小側(cè)摩阻力為22.6 kPa，對應(yīng)深度為11.4 m；最大側(cè)摩阻力為95.58 kPa，對應(yīng)深度為83.55 m。

圖3 粉質(zhì)粘土深度與側(cè)摩阻力關(guān)系散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter diagram of the relationship between silty clay depth and lateral friction

此外為研究摩阻比與深度的關(guān)系，建立粉質(zhì)粘土中心深度與摩阻比關(guān)系圖，如圖4所示。其中最小摩阻比為1.92%，對應(yīng)深度為42.05 m；最大摩阻比為3.62%，對應(yīng)深度為83.55 m。圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)離散分布，未顯示出線性規(guī)律。

圖4 粉質(zhì)粘土深度與摩阻比關(guān)系散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter diagram of silty clay depth and friction ratio

3.3 泥炭質(zhì)土分布特性

泥炭質(zhì)土土層周圍常伴隨粉土層，試驗(yàn)用的3處探孔中共有38層泥炭質(zhì)土，其中有29層與粉土相鄰，此外有4層未臨近粉土的泥炭質(zhì)土段曲線可以分為兩段，一段性質(zhì)類似于粘土，端阻qc曲線比較平緩，有緩慢的波形起伏，局部略有突峰，側(cè)阻fs曲線略有突峰，在曲線右側(cè)且距離較大；另一段位于土層末端，似于粉土，端阻qc值較大，曲線呈短鋸齒狀，齒峰較緩。泥炭質(zhì)土土層末端的靜探曲線突變是粗顆粒引起，只是粗顆粒層較薄，鉆探取芯時(shí)和泥炭質(zhì)土劃分在一起，未被獨(dú)立分層。

圖5 泥炭質(zhì)土靜力觸探曲線及周圍土層Fig.5 Static contact curve of peat soil and surrounding soil layer

4 超深靜力觸探測試數(shù)據(jù)分析

4.1 靜力觸探數(shù)據(jù)與鉆探數(shù)據(jù)吻合度分析

選取場地1 0m以下粉質(zhì)粘土作為分析土層，對比靜力觸探數(shù)據(jù)與鉆探數(shù)據(jù)粉質(zhì)粘土厚度及埋深如表1。

表1 靜力觸探數(shù)據(jù)與鉆探數(shù)據(jù)中粉質(zhì)粘土埋深及深度Table 1 Buried depth and depth of silty clay in static penetration data and drilling data

4.2 淺層地基側(cè)摩阻力影響因素

4.3 深層地基側(cè)摩阻力影響因素

昆明巫家壩超深靜力觸探試驗(yàn)，從同種土的各層之間考慮深度對靜力觸探側(cè)摩阻力的影響，因粉質(zhì)粘土層靜探數(shù)據(jù)較穩(wěn)定且便于識別，取場地中粉質(zhì)粘土作為代表層，分析不同深度的粉質(zhì)粘土之間的側(cè)摩阻力隨深度變化關(guān)系，觀察圖3可得，側(cè)摩阻力隨深度增加而增大且近似成正比，對散點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，如圖6所示，擬合公式如下：

圖6 粉質(zhì)粘土深度與側(cè)摩阻力關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve between silty clay depth and lateral friction

Fs=k1×h+c1

(1)

其中k1=0.59；c1=22.87；

Fs表示側(cè)摩阻力，單位為kPa；

k1為側(cè)摩阻力隨深度的增長系數(shù)，單位為kPa/m；

c1表示深度為零時(shí)的側(cè)摩阻力，單位為kPa。

但是深度對靜探曲線的影響不同于夯實(shí)作用，隨深度的增加摩阻比散點(diǎn)之間沒有明顯規(guī)律，如圖4所示。

4.4 泥炭質(zhì)土地層周圍存在粉土原因

表2 泥炭質(zhì)土物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of peat soils

泥炭土主要形成于淺水湖泊和漬水洼地中。而粉土主要形成于流水地區(qū)，土體中的黏粒被水帶走，留下粉土顆粒。

1.在滇池地區(qū)，高水位處水體表面流動(dòng)不易影響水底，土體平穩(wěn)沉積，形成粉質(zhì)粘土；

2.隨著地殼運(yùn)動(dòng)，氣候等因素影響，水位下降到適當(dāng)高度，表面流動(dòng)能夠影響水底，帶走水底土壤粘粒，同時(shí)水深足夠深不易生長茂密水草，便形成粉土；

3.當(dāng)水位再次下降形成濕地沼澤，土地長期受地表水淹沒，處于水分停滯或僅微弱流動(dòng)的狀態(tài)，一些喜水植被在積水沼澤中密茂生長，當(dāng)植被死亡后植物殘?bào)w來不及分解而呈纖維狀堆積，混和原有的土壤最后便形成了泥炭質(zhì)土(符必昌，2000；丁祖德，2018)。

昆明水體必然要經(jīng)歷上升與下降的階段，形成泥炭質(zhì)土的淺層水階段與粉土的中層流動(dòng)水階段相鄰，因而反映到地層中就是泥炭質(zhì)土和粉土常排布在一起。

5 超深靜力觸探測試結(jié)果驗(yàn)證

選用臨近項(xiàng)目(綠地項(xiàng)目)DZK15號樁位的82.8 m靜探數(shù)據(jù)，對上文提出的三個(gè)結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證：

1.如圖7所示，探頭剛進(jìn)入地層時(shí)受到較大的側(cè)摩阻力，側(cè)摩阻力最大值為140 MPa。靜探至3 m左右深度后，側(cè)摩曲線恢復(fù)正常，數(shù)值回歸到25 MPa左右。此現(xiàn)象驗(yàn)證了結(jié)論一。但是綠地項(xiàng)目場地的地表夯實(shí)程度不如巫家壩(原機(jī)場)項(xiàng)目，因此夯實(shí)影響深度只達(dá)到地下3 m。

圖7 綠地項(xiàng)目DZK15號孔淺層靜力觸探數(shù)據(jù)Fig.7 Shallow static sounding data of drill DZK15 in Lvdi project

2.整理DZK15號樁位內(nèi)部粉質(zhì)黏土層所處深度與靜探側(cè)摩阻力數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)在該孔內(nèi)側(cè)摩阻力同樣隨深度的增加而增加，建立線性擬合曲線如圖8所示，擬合公式如下：

圖8 DZK15號孔粉質(zhì)粘土深度與側(cè)摩阻力關(guān)系曲線Fig.8 Relation curve between silty clay depth and lateral friction of drill DZK15

Fs=k2×h+c2

(2)

其中k2=0.83；c2=33.90；

Fs表示側(cè)摩阻力，單位為kPa；

k2為側(cè)摩阻力隨深度的增長系數(shù)，單位為kPa/m；

c2表示深度為零時(shí)的側(cè)摩阻力，單位為kPa。

3.DZK15號樁探孔內(nèi)共探查出7層泥炭質(zhì)土，其中有5層與粉土層相鄰，這兩種土性的地層在此探孔中也表現(xiàn)出伴生性。

6 結(jié)論

(1)靜探測試數(shù)據(jù)與地層特性符合性高，用于劃分深厚軟土地層準(zhǔn)確、可靠。

(2)在淺層地基中，地表土受夯實(shí)、碾壓處理后，土體密實(shí)、孔隙比小，靜力觸探側(cè)摩阻力偏大。當(dāng)靜探到一定深度后，夯實(shí)效果減弱，側(cè)摩阻力恢復(fù)正常。

(3)在深層地基中靜力觸探側(cè)摩阻力均隨深度的增加而增大，且與深度成比例。因此超深靜力觸探實(shí)驗(yàn)通過側(cè)摩阻力判斷土層性質(zhì)時(shí)，需要對側(cè)摩阻力進(jìn)行修正后才可使用。

(4)深部泥炭質(zhì)土與粉土常相伴出現(xiàn)，與滇池曾經(jīng)歷史水位多次變動(dòng)有關(guān)。