■ 中鐵上海設(shè)計院集團有限公司 李煒

在巖土工程勘察中，靜力觸探試驗是最為常見的原位測試方法之一，具有操作方便、自動化數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)連續(xù)性好、兼具勘探與測試功能、參數(shù)進度和重復性高、設(shè)備穩(wěn)定等諸多優(yōu)點，在土層劃分、確定土地物理力學參數(shù)、確定地基承載力、樁基承載力和判別砂土液化等方面具有明顯優(yōu)勢[1]—[3]。在我國應用較多的測試設(shè)備為單橋靜力觸探，但由于其測試參數(shù)僅一個比貫入阻力，遠不能滿足要求，且設(shè)備型號與國際通用設(shè)備不統(tǒng)一，不利于成果交流與分享。為此，國內(nèi)逐步采用雙橋靜力觸探試驗設(shè)備進行測試，測試功能逐漸多樣化，參數(shù)包含了錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力和摩阻比，大大提高了設(shè)備測試能力[4]—[5]。

在雙橋靜力觸探研究方面，樊向陽[6]等人在上海地區(qū)2個工程場地進行了單橋靜力觸探試驗與雙橋靜力觸探試驗對比，建立了比貫入阻力與錐尖阻力之間的換算關(guān)系；王輝[7]采用BP網(wǎng)絡(luò)預測方法對長三角地區(qū)全新統(tǒng)沖積層的承載力、粘聚力和內(nèi)摩擦力進行了預測，預測值具有較高精度；王剛[8]等人根據(jù)徐州市某場地的雙橋靜力觸探試驗曲線，嘗試分別利用錐尖阻力曲線和側(cè)壁摩阻力曲線對土層進行劃分，并總結(jié)了兩者在不同地層中的反映；陽小良[9]采用雙橋靜力觸探方法對第四系濱海相黏土進行了測試，建立了雙橋靜力觸探方法與室內(nèi)試驗方法獲取的不排水抗剪強度之間的相關(guān)關(guān)系；姜祺[10]采用雙橋靜力觸探試驗對天津地鐵在建的14個場區(qū)進行測試，并探討了利用錐尖阻力和摩阻比評價砂土液化的可行性。綜合分析可知，國內(nèi)工程勘察采用雙橋靜力觸探試驗已成為主流趨勢，但在土層劃分以及土層物理力學參數(shù)的解譯方面，研究還有待深入，對區(qū)域性土層、空間變異性土層等仍需要展開大量的工程實踐與總結(jié)，使雙橋靜力觸探試驗理論更成熟，應用更廣泛。

本文依托南通市城市軌道交通1號線一期工程太平路站工程勘察，采用雙橋靜力觸探方法對場區(qū)進行數(shù)據(jù)采集和分析，研究了從淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土到中砂一系列土層的土層劃分、壓縮模量以及靜止側(cè)壓力系數(shù)，以期為城市地鐵車站基坑工程設(shè)計或模擬分析提供真實反映土層原位狀態(tài)的計算輸入?yún)?shù)。

工程概況

南通市城市軌道交通1號線一期工程線路，全長39.4km，北起通州區(qū)平潮站，終于崇川區(qū)振興路站，全線共設(shè)置28座地下車站，平均站間距為1.436km。其中，太平路站為南通市城市軌道交通1號線第21座地下車站，與規(guī)劃3號線換乘，車站長370.3m，寬為21.3m，中心里程為右CK32+275.100，采用鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)，車站主體基坑標準段為17.14m、端頭井為18.84m、換乘段為26.64m，采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐圍護型式，地連墻厚度為800mm和1000mm兩種形式，圍護深度在標準段為31.0m，在端頭井為33.0m；附屬結(jié)構(gòu)基坑采用SMW工法樁型式，深度為20.0m。車站基坑以明挖順作法施工為主。

場區(qū)工程地質(zhì)條件

在勘察深度75.0m埋深范圍內(nèi)分布的地層分別為第四系全新統(tǒng)（Q4）地層、第四系上更新統(tǒng)（Q3）地層，自上而下可分為7個工程地質(zhì)單元層、6個亞層、2個透鏡體層。區(qū)內(nèi)第四系全新統(tǒng)（Q4）地層厚度40m～50m，近地表廣泛分布，全新統(tǒng)地層內(nèi)微體化石豐富，下段為河流—河口相，濱海相沉積，中段為濱?！獪\海相沉積，上段為河口、河湖相沉積。從下至上構(gòu)成為完整的海進—海退旋迴；第四系上更新統(tǒng)（Q3）埋深在40m～50m左右，地層厚度一般70m～80m，局部地段50m～60m，下段及上段為河流—河口相沉積，中段為河流相沉積。場地內(nèi)各土層的厚度分布特征如表1所示。

表1 場區(qū)地層厚度特征

雙橋靜力觸探試驗

試驗點布置

在太平路站共布置靜力觸探試驗孔49個，測試延米達到2385m，其中，35m孔11個、40m孔9個、45m孔2個、55m孔18個、60m孔7個、70m孔2個。具體的試驗操作步驟和試驗規(guī)程參考《巖土工程勘察規(guī)范》（2009年版）（GB 50021—2001）[11]、《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》（TB 10018—2003）[12]，探頭面積為15cm2，套筒面積為300cm2，錐尖率定系數(shù)K=4.050kPa/l，側(cè)壁率定系數(shù)K=0.05225kPa/l，采用CTS—3型觸探儀液壓貫入，D310型記錄儀自動記錄，采樣間距為10mm。

試驗成果

從圖1可以看出，錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力測試數(shù)據(jù)變化連續(xù)，錐尖阻力能夠較好地反映土層的力學性質(zhì)，即土層越“堅硬”，錐尖助力值越大，反之則越小。從表2可以看出，同一層土的側(cè)壁摩阻力比錐尖摩阻力的變異系數(shù)大，且各層土之間的錐尖阻力存在差異，這為建立土層的強度參數(shù)諸如不排水抗剪強度指標、剛度參數(shù)諸如壓縮模量和剪切模量等與錐尖阻力之間的相關(guān)關(guān)系奠定了現(xiàn)實基礎(chǔ)。

圖1 場區(qū)典型雙橋靜力觸探試驗曲線（S22XJ36孔）

摩阻比是錐尖阻力與側(cè)壁摩阻力的百分比，綜合反映了土體的豎向壓縮強度與水平向抗剪強度，因此對天然應力狀態(tài)下的土層具有較好的分辨能力，摩阻比曲線呈現(xiàn)良好的土層分層特征。從圖1可以明顯看出，對于③2粉砂層、⑥粉砂、⑦中砂，由于土質(zhì)較均勻，砂土在受到錐頭貫入時，錐尖阻力曲線與側(cè)壁摩阻力曲線的變化具有較好的“協(xié)同性”，此三層土的錐尖阻力值、側(cè)壁摩阻力值的變異系數(shù)均小于0.15，如表2所示。因此，摩阻力曲線表現(xiàn)出較小的波動幅度，而對于存在夾層、互層的“混合土”，如②粉砂夾黏質(zhì)粉土、③1粉砂夾砂質(zhì)粉土、⑤1粉砂夾粉質(zhì)黏土，由于夾薄層較多，受沉積環(huán)境和沉積過程的影響，土質(zhì)空間變異性較大，土層錐尖阻力值、側(cè)壁摩阻力值的變異系數(shù)在0.09～0.26之間，因此出現(xiàn)了摩阻比曲線的劇烈波動。盡管如此，根據(jù)地質(zhì)鉆探揭示的地層劃分來看，同一層土的摩阻比仍具有分層差異，但單一地采用摩阻比對混合土進行土層劃分，分辨率存在一定程度地降低，使得土層分離效果不理想，③ 粉質(zhì)黏土夾砂質(zhì)粉土、④1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾砂質(zhì)粉砂、⑤1t粉質(zhì)黏土夾粉砂的摩阻比也具有類似規(guī)律。

表2 場區(qū)各土層雙橋靜力觸探試驗成果統(tǒng)計

試驗成果分析

土層劃分

圖2為根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》（第五版）[13]中雙橋靜力觸探的分類圖表對場區(qū)的土層進行劃分結(jié)果。從圖中可以看出，圖表綜合了摩阻比和錐尖阻力兩個參數(shù)，提供了較為明確的土層劃分函數(shù)，且函數(shù)呈線性關(guān)系，簡單地將土層切割為軟土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉土和砂土5個區(qū)間，劃分方法粗放。在劃分結(jié)果上，③2粉砂、⑥粉砂、⑦中砂的劃分精度高，對于存在夾層、互層的混合土的劃分上，土層分類精度則呈現(xiàn)不同的結(jié)果。比如，對于③1粉砂夾砂質(zhì)粉土的劃分精度高，點基本上落在了砂土區(qū)間和粉土區(qū)間；對于④1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂劃分精度較高，有80%的點落在了粉質(zhì)黏土和粉土區(qū)間，但無點落在軟土區(qū)間，④2粉質(zhì)黏土夾砂質(zhì)粉土精度較高，存在10%的點落在黏土區(qū)間，10%的點落在砂土區(qū)間；對于⑤1粉砂夾粉質(zhì)黏土的劃分精度中等，有80%的點落在了粉土上，⑤1t粉質(zhì)黏土夾粉砂的劃分精度，近45%的點落在粉土區(qū)間、45%的落在粉質(zhì)黏土區(qū)間；對于②粉砂夾黏質(zhì)粉土的劃分精度差，存在50%的點劃分在了軟土區(qū)間。

圖2 場區(qū)典型雙橋靜力觸探試驗曲線

因此，對于土質(zhì)較均勻的砂土而言，采用圖表法能夠獲得較為可信的土層劃分結(jié)果。而對于存在夾層、互層的混合土的劃分上，采用圖表法對土層劃分仍然存在困難，這是因為圖表法只綜合了2個顯性參數(shù)（摩阻比、錐尖阻力）、1個隱形參數(shù)（摩阻比中的側(cè)壁摩阻力），這些參數(shù)都與土層的力學性質(zhì)相關(guān)，但是對于“混合土”而言，與砂土層存在明顯的不同，土中混合了不同含量的黏土、粉土等，由于在測試過程中存在土層超孔隙水壓力，這些超孔隙水壓力包含在了錐尖阻力中，在雙橋靜力觸探試驗中未有孔隙水壓力測試裝置（孔壓靜力觸探中存在孔隙水壓力測試元件），無法對錐尖阻力進行孔隙水壓力修正，導致混合土的土層劃分存在一定的偏差。因此，在實際應用中，單一地依賴摩阻比或者采用圖表法對土層劃分并不準確，需要綜合場區(qū)的地質(zhì)鉆探進行校正，才能獲得較為準確、可靠的地層剖面。

壓縮模量

壓縮模量是地鐵基坑設(shè)計中最為重要的輸入?yún)?shù)之一，是評價土層壓縮性和計算土層變形的基本參數(shù)。獲取壓縮模量的方法有室內(nèi)試驗（固結(jié)試驗、三軸壓縮試驗）和原位測試方法（靜力觸探試驗、旁壓試驗等）。一般來講，室內(nèi)試驗需要通過大量的現(xiàn)場取樣和室內(nèi)復雜的樣品制備，盡管可以采取有效措施降低從現(xiàn)場取樣器取樣至室內(nèi)試驗測試完成的全過程擾動，但是也需要付出高昂的取樣和測試成本，耗費較多的人力物力。而雙橋靜力觸探試驗方法是在土體天然原位狀態(tài)下進行的測試，獲取的壓縮模量能真實反映土體的力學性能，且成本低廉、快速可靠，因此，建立室內(nèi)試驗壓縮模量與雙橋靜力觸探錐尖阻力之間的相關(guān)關(guān)系，對工程應用來說具有十分重要的意義。本文在室內(nèi)試驗時采用高質(zhì)量取樣設(shè)備對場區(qū)所有類別的土層進行取樣，同時在儲存和運輸過程中采取了防振隔振措施，最大程度地降低了人為因素和制樣設(shè)備對樣品的擾動，同時對場區(qū)內(nèi)49個雙橋靜力觸探孔同一土層同一深度的靜力觸探錐尖阻力與壓縮模量建立對應關(guān)系，參數(shù)選取時，由于雙橋靜力觸探存在“超前滯后”效應，同時又具有高靈敏度，每隔10mm采集一個數(shù)據(jù)點，因此，為避免土層分界面對數(shù)據(jù)分析的影響，剔除土層分解面上下0.3m范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，也剔除存在明顯不合理的異常值。兩者的相關(guān)關(guān)系如圖3所示。

圖3 各土層的錐尖阻力與壓縮模量的相關(guān)關(guān)系

從圖3中可以看出，各層土的雙橋靜力觸探錐尖阻力與室內(nèi)壓縮模量之間存在明顯的線性相關(guān)關(guān)系（R2＞0.88，R2為線性回歸模型中的測定系數(shù)，在0.0～1.0之間變化，其值越接近1.0，表示擬合程度越好）。綜合分析，兩者的相關(guān)關(guān)系可以用統(tǒng)一的方程式進行表達，如公式（1）所示：

式中，a，b為擬合系數(shù)，與土的類別和區(qū)域有關(guān)。

靜止側(cè)壓力系數(shù)

靜止側(cè)壓力系數(shù)是基坑支護結(jié)構(gòu)計算土層水平側(cè)壓力的重要參數(shù)，它反映了土體水平向的側(cè)壓力與豎向土壓力之間的比例關(guān)系，其數(shù)值的準確性直接關(guān)系到圍護樁（墻）、支撐結(jié)構(gòu)的尺寸、深度、間距等參數(shù)。現(xiàn)有的利用靜力觸探數(shù)據(jù)計算靜止側(cè)壓力系數(shù)的經(jīng)驗公式中，Kulhawy等人提出的經(jīng)驗計算公式在工程中的認可度和可靠性較高，如公式（2）所示：

其中，k0為靜止側(cè)壓力系數(shù)；qc為錐尖阻力，MPa；σv0為上覆土壓力，MPa；σv0為有效上覆土壓力，MPa；α為常數(shù)，一般取1.0。

為驗證靜力觸探試驗求取靜止側(cè)壓力系數(shù)的適用性，在場區(qū)內(nèi)靜力觸探鉆孔S22XJ9、S22XJ42附近5.0m范圍內(nèi)分別布置了S22XB1、S22XB2兩個扁鏟側(cè)脹試驗孔，對應土層取樣做室內(nèi)三軸試驗求取k0-LAB，圖4為靜力觸探試驗與室內(nèi)三軸試驗、扁鏟側(cè)脹試驗的靜止側(cè)壓力系數(shù)對比圖，圖中提供了最佳擬合線以及實際擬合的相關(guān)系數(shù)R2（R2為線性回歸模型中的測定系數(shù)，在0.0～1.0之間變化，其值越接近1.0，表示擬合程度越好）。從圖4可以看出，靜力觸探試驗與室內(nèi)三軸試驗結(jié)果的誤差在±10%以內(nèi)，實際擬合線計算值比最佳擬合線計算值略大，而與扁鏟側(cè)脹試驗結(jié)果的誤差在±5%以內(nèi)，實際擬合線與最佳擬合線十分接近。由此表明，室內(nèi)試驗方法土層取樣，釋放土體的天然應力，盡管采用人工邊界條件恢復應力狀態(tài)，但是土樣仍不能完全與其天然應力狀態(tài)相比，而靜止側(cè)壓力系數(shù)正是土體不同方向天然應力狀態(tài)的反映，因此，室內(nèi)試驗測試結(jié)果與原位測試（靜力觸探試驗和扁鏟側(cè)脹試驗）結(jié)果存在一定的誤差，但這個誤差小于±10%，屬于工程可接受范圍，而靜力觸探與扁鏟試驗皆在土體的原位狀態(tài)下進行測試，兩者獲得靜止側(cè)壓力系數(shù)十分接近，因此，在實際巖土工程設(shè)計和計算中，可采用原位測試方法提供的靜止側(cè)壓力系數(shù)進行計算，以獲得更為準確的計算結(jié)果。

圖4 靜力觸探試驗與室內(nèi)試驗、扁鏟試驗成果對比

結(jié)論

本文依托于南通市城市軌道交通1號線一期工程太平路站工程勘察，采用雙橋靜力觸探方法對場區(qū)進行數(shù)據(jù)采集和分析，研究了從淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土到中砂一系列土層的土層劃分、壓縮模量以及靜止側(cè)壓力系數(shù)，研究結(jié)果表明：

（1）對于土質(zhì)較均勻的砂土而言，采用圖表法能夠獲得較為可信的土層劃分結(jié)果，但對于存在夾層、互層的混合土，單一地依賴摩阻比或者采用圖表法對土層劃分不準確，需要綜合考慮地質(zhì)鉆孔分層。

（2）雙橋靜力觸探錐尖阻力與室內(nèi)壓縮模量之間存在著明顯的線性相關(guān)關(guān)系（擬合系數(shù)R2＞0.88），兩者的相關(guān)關(guān)系可以用統(tǒng)一的線性方程式進行表達。

（3）靜力觸探試驗與室內(nèi)三軸試驗結(jié)果的誤差在±10%以內(nèi)，實際擬合線計算值比最佳擬合線計算值略大，而與扁鏟側(cè)脹試驗結(jié)果的誤差在±5%以內(nèi)，實際擬合線與最佳擬合線十分接近。