計(jì)算機(jī)算法技術(shù)在靜力觸探試驗(yàn)中的層位劃分應(yīng)用

魯國(guó)浩，劉龍飛

（中建三局工程設(shè)計(jì)有限公司 武漢430070）

0 引言

在巖土工程勘察中，對(duì)地下土層進(jìn)行劃分，有助于查明地下土層構(gòu)造及變化情況。目前，在實(shí)際勘察工作中，主要采用鉆探及原位測(cè)試技術(shù)來(lái)了解地下土層的變化情況，靜力觸探試驗(yàn)作為一種原位測(cè)試的方式，具有數(shù)據(jù)連續(xù)，對(duì)土層擾動(dòng)小，深度精確等優(yōu)點(diǎn)，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(shì)。

靜力觸探技術(shù)在我國(guó)發(fā)展較為久遠(yuǎn)，早在20世紀(jì)30 年代就出現(xiàn)機(jī)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(jìn)行了試驗(yàn)研究［2］；1964 年，我國(guó)首創(chuàng)電測(cè)靜力觸探技術(shù)，此項(xiàng)原位測(cè)試技術(shù)在1966 年開(kāi)始全國(guó)推廣，并于20 世紀(jì)70 年代被列入國(guó)家規(guī)范和許多部門(mén)及地方規(guī)范，解決了大量的巖土原位測(cè)試問(wèn)題，取得了重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益［3］。

在目前的工程應(yīng)用中，主要使用的依然是“單橋”探頭和“雙橋”探頭［4］，通過(guò)多年的實(shí)踐積累，目前我國(guó)已經(jīng)形成了針對(duì)這2種類型靜力觸探的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。但是在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，由于缺乏簡(jiǎn)單實(shí)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(jìn)行層位劃分的時(shí)候，主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)的分類公式來(lái)進(jìn)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(duì)這一問(wèn)題，嘗試?yán)糜?jì)算機(jī)編程的手段，在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，歸納相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，開(kāi)發(fā)了一系列簡(jiǎn)單實(shí)用的算法，為利用靜力觸探試驗(yàn)進(jìn)行層位劃分提供參考。

1 研究方法及應(yīng)用

1.1 單橋靜力觸探試驗(yàn)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(gè)類型的數(shù)據(jù)，只依靠這一個(gè)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(lái)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(duì)當(dāng)?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(duì)黏性土層進(jìn)行進(jìn)一步的劃分。

依據(jù)湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范：DB 42/242-2014》［6］的說(shuō)明，武漢地區(qū)室內(nèi)試驗(yàn)的液性指數(shù)與比貫入阻力具有以下統(tǒng)計(jì)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(jiàn)表1），利用式⑴可以確定黏性土狀態(tài)與Ps的對(duì)應(yīng)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(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，編寫(xiě)相應(yīng)算法，在輸出Ps值，繪制靜探曲線圖的同時(shí)，繪制相應(yīng)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(shí)際應(yīng)用

在湖北省孝感市某地區(qū)（靠近武漢）進(jìn)行巖土工程詳細(xì)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(yàn)結(jié)果，對(duì)本區(qū)域靜探孔進(jìn)行層位劃分。選取部分靜探數(shù)據(jù)進(jìn)行分析說(shuō)明。

如圖1所示，J64和J60為本區(qū)域的2個(gè)靜探孔，根據(jù)周邊的鉆孔試驗(yàn)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?qǐng)D1，可以將這部分黏性土按照可塑性分成3 個(gè)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(duì)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(yàn)證算法的可靠性，將在兩靜探孔原位置進(jìn)行鉆探而獲得的土工樣本進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 土工試驗(yàn)表1Tab.3 Geotechnical Test Table 1

對(duì)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(yàn)的分析結(jié)果基本吻合，也驗(yàn)證了該算法的可靠性。

通過(guò)單橋靜力觸探試驗(yàn)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(lái)，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(yùn)算實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)更加的簡(jiǎn)單高效，一目了然，只需要輸入確定的孔號(hào)，就可以自動(dòng)生成相應(yīng)的對(duì)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(kāi)發(fā)所得，目前適用范圍有限，后期需要對(duì)更廣泛的土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)和單橋靜力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的對(duì)比分析，完善算法，擴(kuò)大適用范圍。

1.2 雙橋靜力觸探試驗(yàn)分析算法

單橋靜力觸探數(shù)據(jù)形式單一，應(yīng)用范圍有限，雙橋靜力觸探可同時(shí)獲得錐尖阻力qc和側(cè)壁摩阻力fs兩個(gè)參數(shù)，當(dāng)觸探過(guò)程中遇到相同的qc，可以利用fs的差異性來(lái)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?yàn)椴煌恋膓c和fs值不可能都相同，因而可利用qc和fs/qc（摩阻比）2 個(gè)指標(biāo)來(lái)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(guó)際相統(tǒng)一［8］。

1.2.1 算法原理

經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐和統(tǒng)計(jì)分析，目前已經(jīng)有多種利用雙橋靜探劃分土層的經(jīng)驗(yàn)公式和分類圖表。本文利用文獻(xiàn)［8］中多年來(lái)在靜力觸探實(shí)踐中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式，使用計(jì)算機(jī)編程的方法，開(kāi)發(fā)出一套基于雙橋靜探試驗(yàn)的簡(jiǎn)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(duì)土層進(jìn)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?qǐng)D3 流程設(shè)計(jì)算法，讀取地下相應(yīng)的深度Xr和代表土類別的數(shù)值C，繪制相應(yīng)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(shí)際應(yīng)用

在山東省東明縣某地區(qū)進(jìn)行巖土工程詳細(xì)勘察，采用雙橋靜力觸探試驗(yàn)對(duì)地下土層進(jìn)行分類識(shí)別。根據(jù)鉆孔試驗(yàn)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(shí)際的鉆探過(guò)程中，由于施工技術(shù)的限制，現(xiàn)場(chǎng)勘察人員很難有效區(qū)分粉土和粉砂在地下的準(zhǔn)確變化情況，需要借助雙橋靜力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)一步劃分土層。此處選取部分靜探孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明。

如圖4 所示，SJ219 與SJ220 為同一剖面的兩個(gè)雙橋靜力觸探孔，從圖4中可以看出，分層線C中的每一個(gè)點(diǎn)*都包含著該深度處土的類別信息，根據(jù)每一個(gè)點(diǎn)*的橫坐標(biāo)的數(shù)值，即可判定土的類別。點(diǎn)*的橫坐標(biāo)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(duì)比Fig.4 Comparison of Double Bridge CPT Analysis

通過(guò)這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)靜探對(duì)比分析圖的判定，結(jié)合鉆孔試驗(yàn)的信息及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件的現(xiàn)狀，就可以有效地把該剖面中的2 個(gè)靜探孔進(jìn)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(yàn)表2Tab.5 Geotechnical Test Table 2

表6 土工試驗(yàn)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(duì)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(yàn)證算法的可靠性，將在靜探孔SJ219 原位置進(jìn)行鉆探而獲得的土工樣本進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5、表6所示。

對(duì)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(yàn)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(duì)任意剖面中的任意靜探孔進(jìn)行分析對(duì)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(hào)即可得到相應(yīng)的分析對(duì)比圖，比起利用Excel 數(shù)據(jù)表格等常規(guī)方法來(lái)分析，該方法操作簡(jiǎn)便，結(jié)果直觀，具有對(duì)比意義，同時(shí)也更加靈活，自動(dòng)化程度高，比起利用經(jīng)驗(yàn)來(lái)直接分析判定，該方法更加的準(zhǔn)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(yàn)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(zhǔn)確地判定任意靜探孔的土層變化情況，考慮的是對(duì)有限個(gè)靜探孔或者有限個(gè)剖面的分析對(duì)比。而在實(shí)際的勘察工作中，靜探孔的數(shù)量往往高達(dá)數(shù)百個(gè)，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(biāo)準(zhǔn)地層表，然后再對(duì)每一個(gè)具體的孔位進(jìn)行進(jìn)一步的分析判定，同時(shí)還要考慮到實(shí)際地形的起伏變化情況，此時(shí)只能分析有限個(gè)靜探孔的雙橋靜力觸探試驗(yàn)分析算法就無(wú)能為力了，同時(shí)該算法也忽略了地形起伏的影響，不能體現(xiàn)整個(gè)勘察區(qū)域地層的主要變化情況。

針對(duì)以上問(wèn)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(biāo)準(zhǔn)地層表的確定提供有效的輔助手段，嘗試著開(kāi)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(guò)讀取勘察區(qū)域所有靜力觸探孔的孔號(hào)名稱及地面標(biāo)高，將所有的靜力觸探孔按照?qǐng)D2 的分類方式進(jìn)行土層判定，然后針對(duì)不同的土類別，用不同的顏色進(jìn)行顯示，最后綜合繪制在一張圖譜上，供勘察人員進(jìn)行綜合分析使用。整個(gè)算法的流程如圖5所示。

按照該流程編寫(xiě)全區(qū)域雙橋靜探綜合分析輔助算法，在讀取各個(gè)孔號(hào)名稱及相應(yīng)的地面標(biāo)高之后，即可自動(dòng)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(duì)整個(gè)勘察區(qū)域進(jìn)行綜合分析，確定標(biāo)準(zhǔn)地層表。

1.3.2 實(shí)際應(yīng)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(jìn)行巖土工程詳細(xì)勘察，按照采取土試樣和進(jìn)行原位測(cè)試的勘探孔數(shù)量不應(yīng)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(yīng)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(cè)點(diǎn)，其中共有雙橋靜力觸探試驗(yàn)孔110個(gè)，勘察區(qū)域地形起伏變化較大，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(duì)所有靜探數(shù)據(jù)進(jìn)行土層類別判定之后，按照實(shí)際標(biāo)高和孔位排列序號(hào)繪制全區(qū)域雙橋靜探綜合分析對(duì)比圖，針對(duì)不同的土類別，用不同顏色表示出來(lái)，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(duì)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(gè)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(dá)4 m，地下土層的變化也極為復(fù)雜，如果只根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和部分靜探孔的土層變化數(shù)據(jù)，難以有效且準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)全區(qū)域的地層變化情況，但是通過(guò)算法得到全區(qū)域雙橋靜探綜合分析對(duì)比圖之后，就可以在一個(gè)維度內(nèi)同時(shí)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(shí)際土層變化情況，結(jié)合單個(gè)靜探試驗(yàn)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(shì)，現(xiàn)簡(jiǎn)要概述如下：

①層填土：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(biāo)高73～74 m 的區(qū)域，且層底埋深基本不超過(guò)4 m；③層粉土：只在個(gè)別靜探孔位中出現(xiàn)，且厚度較小，層底埋深基本不超過(guò)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(guò)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(dá)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(duì)全區(qū)域?qū)游坏暮?jiǎn)單劃分主要是基于靜探數(shù)據(jù)的判定得到的，并不能完全反映實(shí)際的地層變化，還需要結(jié)合土工試驗(yàn)、鉆孔信息數(shù)據(jù)、標(biāo)貫試驗(yàn)數(shù)據(jù)、靜力觸探試驗(yàn)端阻qc和側(cè)阻fs等進(jìn)行進(jìn)一步的綜合判定，但是通過(guò)繪制全區(qū)域雙橋靜探綜合分析對(duì)比圖，可以有效地給勘察人員提供參考，尤其是對(duì)粉砂粉土交互沉積地層的劃分提供了極大的方便，為標(biāo)準(zhǔn)地層的確定打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 結(jié)論及建議

本文介紹了3種針對(duì)單橋靜力觸探試驗(yàn)和雙橋靜力觸探試驗(yàn)的分析算法，通過(guò)論述算法原理及流程，同時(shí)結(jié)合實(shí)踐數(shù)據(jù)分析了算法的運(yùn)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(shí)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(shí)應(yīng)該看到盡管這3種算法能夠幫助勘察人員進(jìn)行層位劃分，但都只是一種輔助手段，還需要結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及其他數(shù)據(jù)綜合分析。此外這些算法還需要進(jìn)一步接受實(shí)踐的檢驗(yàn)，目前在同時(shí)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(jìn)行改進(jìn)。