靜力觸探工作原理及其在上海軟土地區工程勘察中的應用

王慶磊

［上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092］

0 引 言

靜力觸探作為一種輕便、高效、快速的原位測試手段，在巖土工程勘察、施工檢測等領域得到了廣泛應用[1]。靜力觸探是通過壓力裝置將標準規格的金屬探頭均勻壓入土層中，并結合探頭傳感器，將土層阻力轉換為電信號，再由儀表測量出來，具有測量精確度高、方便快捷、經濟等優點。目前國內普遍采用的靜力觸探儀探頭有3 種：單橋探頭、雙橋探頭和孔壓觸探頭。

在巖土工程勘察中，靜力觸探主要適用于軟土、黏性土、粉土、砂類土及少量碎石的土層，常用來劃分土層、地基設計、粉土及砂土的液化判別等[2]。

1 靜力觸探測試技術在國內外的發展

1.1 國外靜力觸探研究發展現狀

靜力觸探測試技術在國外的發展現狀見表1。

表1 靜力觸探測試技術在國外發展情況[3]

1.2 國內靜力觸探研究發展現狀

靜力觸探測試技術在國內的發展現狀見表2。

表2 靜力觸探測試技術在國內發展情況[4]

2 上海地區工程地質情況

靜力觸探成果在工程中得到了廣泛的應用，如對土層進行土類判別和力學分層，評定土體力學特性，確定地基土的承載力、土體液化判別等，且都取得了滿意的結果。近年來靜力觸探技術在上海地區的工程應用中取得了顯著成果，特別是在利用地區經驗估算土的強度參數、判定飽和砂土和粉土的地震液化趨勢以及施工實時監測評價等方面。

上海地區埋深50 m 以內的淺砂土、粉土以砂質粉土、粉砂為主。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生流砂、管涌、突涌等現象。因此，對于飽和軟土中深基坑及隧道施工土體強度的測定，特別是黏土、粉質黏土和粉砂的抗剪強度測定，具有很強的工程實際指導價值。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，常常需要借助室內試驗或原位測試技術來測定土體的強度。

上海市《巖土工程勘察規范》（DG J08-37—2012）按照地貌形態、時代成因、沉積環境和組成物質等方面的差異，將境內地貌分為：湖沼平原，濱海平原，河口（砂嘴、砂島），潮坪地帶，剝蝕殘丘五大類型。總體而言，上海地區地基土主要以軟土地層為主。

3 靜力觸探測試技術在上海地區的應用

3.1 土層及土類的劃分

單橋靜力觸探數據成果只能應用于力學土層的劃分，若要進行常規巖土工程分層常結合鉆探孔取樣進行；雙橋靜力觸探的測試成果可直接用于劃分土層及土的類別。

3.2 確定地基承載力

《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)規定地基承載力特征值可由荷載試驗或其他原位測試、公式計算并結合工程實踐經驗等方法進行綜合確定。

3.3 確定單樁極限承載力

依據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）規定，當根據單橋探頭靜力觸探資料確定混凝土預制樁單樁豎向極限承載力標準值時，如無當地經驗，可按下列公式計算：

式中：Quk為單樁豎向承載力特征值，kN；Qsk為單樁總極限側阻力，kN；Qpk為總極限端阻力標準值，kN；u 為樁身周長，m；qsik為用靜力觸探比貫入阻力值估算的樁周第i 層土的極限側阻力，kPa；li為樁身長度，m；psk為樁端附近的靜力觸探比貫入阻力標準值，kPa；Ap為樁端面積，m2。

qsk-ps曲線如圖1 所示。圖1 中：直線（線段gh）適用于地表下6 m 范圍內的土層；折線（線段oabc）適用于粉土及沙土土層以上（或無粉土及沙土土層地區）的黏性土；折線（線段odef）適用于粉土及沙土土層以下的黏性土；折線（線段oef）適用于粉土、粉沙、細沙及中砂。

當根據雙橋探頭靜力觸探資料確定混凝土預制樁單樁豎向極限承載力標準值時，對于黏性土、粉土和砂土，如無當地經驗時可按下式計算：

圖1 qs k-ps 曲線

式中：fsi為第i 層土的探頭平均側阻力，kPa；qc為樁端平面上、下探頭阻力，kPa。

3.4 判斷地基土液化可能性

上海市《巖土工程勘察規范》（DG J08-37—2012）規定，抗震設防烈度為7 度的建筑場地，當地面以下20 m 深度范圍內存在飽和砂土或砂質粉土時，應判定該土層地震液化的可能性，并確定整個地基的液化等級，用于液化判別的靜力觸探試驗孔，每個場地不應少于3 個。

當單橋探頭實測比貫入阻力ps小于臨界比貫入阻力pscr或雙橋探頭實測錐尖阻力qc小于臨界錐尖阻力qccr時，應判為可液化土[5-6]。

式中：ps0、qc0分別為液化臨界比貫入阻力基準值和臨界錐尖阻力基準值，MPa，可分別取2.6 MPa 和2.35 MPa；ds為靜力觸探試驗點深度，m；a、b 為系數，分別取1.0 和0.75。

3.5 測定地基土的物理力學參數

依據上海市《靜力觸探技術規程》（DG/T J08-2189—2015），對地基土的物理力學指標進行測定。

3.5.1 黏性土常用物理性指標

當缺乏鉆探取樣試驗指標時[7]，可采用靜力觸探試驗成果對黏性土的物理性指標進行估算，結果見表3。

3.5.2 軟黏土不排水抗剪強度cu

cu的計算式為：

式中：Nk為錐頭承載力系數，由經驗取得，一般Nk=15～25，對于大多數軟黏性土，可取Nk=20。

3.5.3 砂土密實度及基床系數[8]

通過單橋靜力觸探試驗得到的砂土密實度、砂土和黏性土的基床系數k 及其比例系數m 見表4、表5。

表3 采用靜力觸探試驗成果估算的黏性土常用物理性指標

表4 通過單橋靜力觸探試驗確定砂土密實度、基床系數及比例系數

表5 通過單橋靜力觸探試驗確定黏性土基床系數及比例系數

4 結 語

（1）靜力觸探作為一種輕便、快速、高效的原位測試手段，可以劃分土層界面、土類定名、確定地基承載力和單樁極限承載力、判定地基土液化可能性及測定地基土的物理力學參數等，在上海軟土地區工程勘察中應適當予以考慮。

（2）進行巖土工程勘察時，應用靜力觸探技術時應注意與其他測試手段綜合運用，注意經驗的獲取和積累，從而提高靜力觸探的測試精度。

（3)由于不同地區土層在成因類型、沉積條件、年代等方面的差異性, 決定了不同地區土的力學性質的獨特性。故在靜力觸探成果的應用方面, 不同地區應綜合各種勘察手段建立適合本地區的經驗公式, 使靜力觸探在巖土工程勘察中發揮更大的作用。