靜力觸探試驗在地下車庫基坑工程勘察中的應用

程超群

（蕪湖市勘察測繪設計研究院有限責任公司， 安徽 蕪湖 241000）

0 引言

靜力觸探試驗是通過貫入設備將具有測試功能的錐形探頭貫入土中，通過錐形探頭錐尖和套筒側壁受壓后，內部電子傳感器將壓力信號轉為電信號，并傳輸至電腦經過信號放大和信號轉換，形成和顯示為數值信號，獲得靜力觸探試驗所需的錐尖阻力和側壁摩阻力，并用這兩個測試數據計算摩阻比，進而推求土的物理力學性質，提供土層劃分、確定地基承載力、確定基坑工程計算所需的靜止側壓力系數、估算圍護結構的水平承載力等[1-3]。靜力觸探試驗作為一種豎向測試的原位測試試驗，同時能夠提供眾多原位測試參數，因此，在我國的巖土工程勘察中得到了廣泛的應用，并被我國的國家規范、鐵路行業規范、公路行業規范等收錄[4-5]。

本文依托地下車庫基坑工程巖土勘察項目，在分析場區工程地質與水文地質條件的基礎上，采用雙橋靜力觸探設備對場區的巖土體進行現場測試，研究采用靜力觸探測試數據計算基坑工程設計中最為常用的力學參數，即砂土的內摩擦角、黏性土的不排水抗剪強度以及各層土的靜止側壓力系數，研究成果可為基坑工程的設計提供經驗參數和試驗類比。

1 工程概況

擬建地下車庫為商業住宅小區配套車庫，主要有10棟45層民用住宅、7棟商業樓以及5棟公用房組成，設置2層地下車庫，車庫總面積為9500m2。根據鉆探揭示表明，場區的地層主要為：①層素填土、②-1層淤泥質土、②-2層黏土（Qal）、③-1層粉質黏土（Qel）、③-3層粉質黏土（Qal）、③-5層粗砂。各土層的物理力學指標如下：

表1 各層土的物理力學指標

2 雙橋靜力觸探試驗

現場試驗共布置靜力觸探試驗孔62個，平均測試深度為45m，試驗采用雙橋靜力觸探設備進行測試，探頭尺寸為：探頭直徑35.70mm，探頭截面面積為10cm2，摩擦套筒表面積為200cm2，摩擦套筒長度為7cm，探頭錐角為60°[6]。試驗時，首先采用GPS將試樣孔精確定位，并將貫入設備放置于放孔位置，隨后采用水平尺和鉛錘尺調整基座的標高和平穩程度，貫入反力采用螺旋桿支座，混凝土路面條件下采用安裝膨脹螺栓的形式提供反力，采用液壓貫入設備控制貫入速度為1～2cm/s，數據采集設備按1cm間隔持續采集錐尖阻力值和側摩阻力值，并用兩者的比值計算摩阻比[7]。另外，為了更好地對比試驗成果，在場區內也進行了高質量的原狀樣取土進行室內三軸試驗，以及預鉆式旁壓試驗和十字板剪切試驗。

3 試驗成果分析

3.1 砂土的內摩擦角

砂土內摩擦角的確定方法主要有室內試驗方法和原位測試方法，其中室內試驗方法中最為主要的手段為直接剪切試驗和三軸試驗，但是由于砂土是顆粒狀固體，黏聚力較小，在取樣的時候極易受到擾動，在獲取高質量的原狀樣時，需要大量的時間、人工和經費，因此，一般的工程勘察而言，由于工程費用的限制，獲得的原狀樣質量難于保障，測試的砂土內摩擦角值可信度較差。因此建立原位測試方法與室內試驗之間的相關關系成為砂土這類難于取樣的巖土而言具有十分重要的作用。在砂土的內摩擦角的確定方面，國內的經驗公式主要建立在單橋靜力觸探的比貫入阻力上，對于雙橋靜力觸探錐尖阻力或側壁摩阻力與內摩擦角的相互關系研究較少。Senneset根據圓孔擴張理論建立了錐尖阻力與砂土的內摩擦角的計算公式：

式中：Nq，Nu為利用砂土內摩擦角φ計算的無量綱承載力系數；σvo為總上覆壓力(kPa)；Δu為超孔隙水壓力(kPa)；α′為經驗系數，其數值為：軟的粉土，α′的范圍為0～5，稍硬的粉土，α′的范圍為5～15，硬的粉土，α′的范圍為15～30；松散的砂土，α′為0，中密的砂土，α′的范圍為10～20，密實的砂土，α′的范圍為20～50。

試驗時，對場區內的砂土采取高質量方法進行取樣，并在室內三軸試驗中確定砂土的內摩擦角，由此可以得到靜力觸探試驗與室內三軸試驗確定的內摩擦角關系如圖1所示：

從圖中可以看出，靜力觸探試驗求取的砂土內摩擦將與室內不固結不排水試驗獲取的內摩擦角值十分接近，誤差在±3°以內，因此，在實際的工程中，公式（1）所提供的計算式能夠滿足工程計算要求。

3.2 土體的靜止側壓力系數

靜止側壓力系數是地下室基坑工程圍護結構中計算側向土壓力的重要輸入參數，它反映了側向土壓力與上覆有效土壓力之間的比值，因此在實際的巖土工程勘察中，提供準確的靜止側壓力系數直接關系到圍護結構的計算和土體的變形。Kulhawy和Mayne (1990)在大量的靜力觸探數據的總結和分析的基礎上，對錐尖阻力進行歸一化，然后考慮上覆土壓力的影響提出土體的靜止側壓力系數計算公式如下：

對場區同時采集靜力觸探試驗數據和預鉆式旁壓試驗數據，建立錐尖阻力與靜力觸探試驗靜止側壓力系數之間的相關關系，可以得到兩者的相關關系如圖2所示。從圖中可以看出，錐尖阻力與靜止側壓力系數之間可以線性關系表達，隨著歸一化錐尖阻力的增加，旁壓試驗靜止側壓力系數逐漸降低，且誤差在±0.05范圍之內，滿足工程實際設計要求，兩者的相關方程式表示如下：

圖2 靜力觸探與室內三軸試驗內摩擦角對比

其中，k0為靜止側壓力系數，qcmorm為歸一化錐尖阻力。

3.3 黏性土的不排水抗剪強度

黏性土的不排水抗剪強度是基坑穩定性的重要評價指標。由于黏性土在飽和狀態受剪應力作用，容易產生孔隙水壓力，隨著時間的增長，孔隙水壓力消散，土的有效應力增加，大大地增加土體的變形，因此獲取天然含水率狀態下的黏性土不排水抗剪強度是巖土工程勘察中的重要任務。對場區的土層進行了靜力觸探試驗與十字板剪切試驗，對不排水抗剪強度擬合分析，得到相關關系如圖3所示。從圖中可以看出，錐尖阻力與黏性土不排水抗剪強度之間具有良好的線性關系，黏性土的不排水抗剪強度隨著錐尖阻力的增加而增加，兩者的擬合系數為0.8995。

圖3 靜力觸探與旁壓試驗靜止側壓力系數對比

圖3 黏性土錐尖阻力與不排水抗剪強度相關關系

4 結論

依托地下車庫基坑工程巖土勘察項目，在分析場區工程地質與水文地質條件的基礎上，采用雙橋靜力觸探設備對場區的巖土體進行現場測試，研究采用靜力觸探測試數據計算基坑工程設計中最為常用的力學參數，即砂土的內摩擦角、黏性土的不排水抗剪強度以及各層土的靜止側壓力系數。得出以下結論：

（1）靜力觸探試驗獲取的內摩擦角與室內三軸不排水不固結試驗確定的內摩擦角十分接近，誤差在±3°；

（2）黏性土的不排水抗剪強度與土體的靜止側壓力系數與錐尖阻力具有良好的線性相關關系，擬合關系如圖3、圖4所示。