靜力觸探在皖北公路勘察中的應用研究

葉東祥

摘 要 皖北第四系地層是特征比較明顯、結構比較一致的平原區地層，靜力觸探是工程勘察中常用的一種原位測試手段，在皖北的公路勘察中采用靜力觸探的手段可以體現靜探工勘的環保、經濟、快速、勞動強度低等明顯的優勢，也可以發揮靜力觸探的技術優點。本文結合工程實例討論了靜力觸探在皖北公路勘察中的應用。也初探了靜力觸探在公路施工中的應用空間。

關鍵詞 靜力觸探;皖北地層;客觀重現

前言

公路工程是典型的線性工程，其跨越的地貌和地質單元往往較多，針對這個特點，在進行工程勘察時一般動用的勘察手段具有針對性。靜力觸探是工程勘察時常用的一種手段，屬于原位測試手段，可以在土質、粉細砂質等地層中通過貫入方式連續獲得地層的力學性質;并可根據地區經驗引申取得相關的物理參數。皖北地區地貌上地處淮北平原，地質地層分區上屬于淮北平原地層小區，土質、砂質地層厚度較大，在工程勘察中非常適宜運用靜力觸探手段進行勘察。相對于常規的鉆探手段，靜探具備環保、經濟、快速、勞動強度低等明顯的優勢。

1靜力觸探簡介

靜力觸探（CPT，Cone Penetration Test）是工程勘察中一種勘探手段，目前在國際和國內已經比較成熟。它是將一定規格的與傳感器相連的錐形探頭采用靜壓方式按規定的速率勻速貫入土中，同時按一定深度間距測讀探頭所受阻力（比貫入阻力或端阻、側阻）或其他參數的一種原位測試方法。其最常用的分類是按探頭的功能進行分類，當采用僅能傳感測量比貫入阻力的探頭時，我們稱之為單橋靜探;當采用能同時傳感測量錐尖阻力和側壁摩阻力的探頭時，我們稱之為雙橋靜探;這兩種靜力觸探是最成熟也是最常用的靜探。除此之外，當探頭帶有測量孔隙水壓力的傳感器時，就是我們常說的孔壓靜探。隨著科技的進步和傳感器領域的發展，根據勘察的需要已經可以在探頭上增設多種傳感器以測量靜探孔偏斜角度、地下水pH、土層溫度、土層電阻率和土層波速等巖土參數。

2皖北第四系地層特點

皖北第四系地層在分區上屬于華北地層區淮河地層分區淮北平原地層小區。淮河以北地勢較為平坦，是典型的河湖相沉積平原，其第四系地層的形成主要受黃淮兩河的控制，第四紀以來的新構造運動以大面積沉降為主，第四系地層厚度較大，一般在70到220米的范圍內。僅在東北部淮北蕭縣一帶有低山丘陵出露。皖北第四系層的主要組分是河湖的沖洪積形成的黏性土地層和砂層地層，有些區域由于單次沉積的黏性土層、砂層厚度較小，在垂直空間尺度上不易細分，呈互層狀產出。按照公路工程地質勘察規范的定名，皖北的第四系地層的組分主要是由分布在河湖溝塘及其附近新近沉積的軟土、廣泛分布的粉質黏土和黏土、作為皖北特色的因黃淮泛濫成因的粉土以及水力作用沉積的粉細砂層等。這些地層容易被靜力觸探貫入穿過，非常適宜采用靜探手段進行勘察。但是在粉質黏土和黏土地層中，常有鈣質結核和鐵錳結核產出，會對貫入產生影響，貫入偶遇零星的鐵錳結核時，靜探孔的垂直度會受到影響;當鐵錳結核富集成透鏡體或夾層時，靜力觸探往往無法貫入穿過。另外在皖北的某些地區，下臥密實的中粗砂層，靜探的貫入也無法穿過。

3靜力觸探在皖北公路勘察中的應用

靜力觸探的貫入機理十分復雜，貫入過程中被貫入的地層同時存在著壓縮、剪切和空隙水壓力等的變化，目前沒有理想的力學模型貼切地完全描述這個過程，其應用精度依賴于經驗關系的精度，而經驗關系的精度依賴于大量數據的積累。工程界的前輩們在皖北的地層中曾經開展了大量的靜力觸探試驗和鉆探工作，積累了大量的靜探數據并與鉆探成果（包括室內土工試驗）進行了對比，取得了相對精確的經驗公式。這給我們在皖北公路勘察工作中運用靜力觸探手段提供了理想的基礎。下面我們結合具體的工程實例，探討靜力觸探在皖北公路勘察中的應用。

皖北地區某新建二級公路，長度21.75Km，其中擬建大橋1座，中橋2座，小橋2座，涵洞79處，擬選用取土場4處。其初步工程地質勘察的野外工作主要采用了靜力觸探為主，鉆探為驗證和輔助的方式完成，實際主要野外勘察工作量見下表：

路線上的靜探孔采用單橋，主要查明路基有無下臥軟弱土層，以及確定路基的天然承載力，其布設結合涵洞所在位置進行。軟弱土的界定按照比貫入阻力小于1Mpa（一般性黏土）和比貫入阻力小于2 Mpa（粉土）作為界限。

黏土、粉質黏土的天然承載力按照下面經驗公式給出：

f ak =80 P s+40--------（KPa） 當<3Mpa;

f ak =330-150/P s--------（KPa）當 P s≥3Mpa。

粉土的天然承載力按照下面經驗公式給出：

f ak =40P s+40--------（KPa） 當<4Mpa;

f ak = 35ln（P s） +155--------（KPa）當 P s≥4Mpa。

對于橋位區的勘探運用的靜力觸探，采用了雙橋靜力觸探，主要考慮雙橋靜探對皖北地區地層的劃分比較精確，這樣結合機鉆鉆孔，可以較為準確進行分層并給出每層地層的承載力和摩阻力。設計人員甚至可以根據地區經驗公式，直接用雙橋探頭側壁阻力fs測算鉆孔灌注樁單樁承載力。并和傳統方式的根據分層摩阻力測算的單樁承載力進行對比，進行優化和修正。對于取土場，也是采用了雙橋靜探，同樣是為了有利于地層的劃分，方便可用土方量的估算。

在具體的利用靜力觸探曲線進行地層劃分時，皖北的地層對應的雙橋靜探曲線的特征非常明顯。下面依據公路勘察規范的相關定名予以描述（雙橋探頭錐尖阻力和側壁阻力分別用qc、fs表示）：

①軟土、軟弱土：qc數值很小，曲線較平直，fs在qc右側且非常接近，曲線基本無起伏。②黏土：qc曲線起伏變化緩慢，fs在qc右側且距離較遠。③粉質黏土：qc曲線起伏變化緩慢，局部略有突峰，fs大都位于qc右側且距離較近，當土質不均時局部交叉越過qc曲線。④粉土：qc值較大，曲線呈短鋸齒狀，齒峰較緩，fs曲線一般位于qc曲線右側，局部間隔較大，偶爾和qc曲線左右穿插。⑤砂：qc值較大，曲線呈長鋸齒狀，fs曲線一般和qc曲線間隔較小，曲線尖峰處大部分位于qc曲線左側;砂類土顆粒不均勻時qc曲線和fs曲線的尖齒更為劇烈，局部呈不規則的、殘破的大鋸齒狀。

經過具體的工程勘察實踐我們認為靜力觸探在皖北公路勘察中的應用除了具備環保、經濟、快速、勞動強度低等明顯的優勢。相較于單純的鉆探在技術層面上還有著如下的優點：

①測試的指標直接由傳感器獲得，不受類似取樣擾動等人為因素的影響，所得數據直接與土的物理力學性質相關。②試驗的再現性良好，具備客觀重現屬性，在一個靜探孔獲得的靜探曲線，在臨近重新再次試驗時可以獲得幾乎一樣的靜探曲線。③試驗數據采集的連續性和間隔性穩定，數據采集自動化，具備穩定性高、精度可控的屬性，能夠根據需要判讀出薄層和細小夾層，不至于漏層。④根據勘察的需要已經可以在探頭上增設多種傳感器以測量孔隙水壓力、地下水pH、土層溫度、土層電阻率和土層波速等巖土參數。

靜力觸探試驗作為一種相對成熟的工程勘察手段，在皖北地區的工程地質勘察中早有運用[1]。在公路工程地質勘察中的采用也非常適合。作為一種客觀的、重現性良好的勘察技術。在公路勘察設計后的施工中也有運用空間。因為設計階段勘察中的應用主要針對靜態的下臥地層，而在具體施工中的運用更偏重于動態，也就是實時監測評價下臥地層、填方土層在施工中的動態變化。這種施工中的運用也能進一步完善和優化靜力觸探的相關經驗參數和經驗公式。

參考文獻

[1] 強魯斌，王璐. 淺談靜力觸探試驗在工程勘察中的運用[J].人民長江，2007，38（9）：122-124.