多功能探头静力触探原位测试在跨海大桥建设中的应用

成利民，陈智勇，陶旭光

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

0 引言

静力触探原位测试的基本原理[1-2]是用准静力将一个内部装有传感器的触探头以匀速压入土中，由于地层中各种土的软硬不同，探头所受阻力也不同，传感器将这种大小不同的贯入阻力通过电信号输入到记录仪表记录下来，再通过贯入阻力与土的工程地质特征之间的物性关系和统计相关关系，来实现取得土层剖面、提供浅基承载力、选择桩尖持力层和预估单桩承载力等工程地质勘察目的。

静力触探原位测试的优点在于人为影响小，测试数据精度高，能够观测土层的连续变化；接入多种功能的探测元件后，能实现多种指标同时试验[3-4]；贯入过程近似预制桩压沉桩的微型试验；在实现电脑自动记录后，数据处理可通过软件快速进行；效率高，成本相对低。经过长期的经验积累，静力触探曲线的解读一般不会出现多解性，其测试指标可用于解决工程应用中多种问题。因此，在场地勘察时，静力触探原位测试越来越受到重视，而且规范中对静力触探原位测试的成果应用也越来越多。但国内在静力触探原位测试应用上一般局限于单桥和双桥，使用范围也主要限于陆域场地。而多功能的触探头并未得到广泛使用，水域由于施工操作难度较大，且反力装置运用不成熟，则很少使用静力触探原位测试。如能将多功能探头静探技术在国内进一步推广，并应用于港口、桥梁建设中，对国内港口、桥梁工程原位测试技术发展将是质的飞跃，意义非凡。

1 应用案例

下面以马来西亚一处跨海大桥的地基勘察为例，介绍静力触探原位测试在桥梁工程中的应用情况。施工区域为拟建24 km长的跨海大桥区域，该区域水深一般在10m以内。此次静力触探原位测试从操作到应用都非常成功，在地基土的分层、桩基承载力估算等方面均取得了良好的效果，并得到了其它方法成果的验证。

本文中的多功能静力触探原位测试所采用的触探头指能同时量测锥尖阻力qc、侧摩阻力fs、孔隙水压力Pw和倾斜度的四桥探头。探头断面面积15 cm2、锥角60°。

1.1 海上施工平台

静力触探设备主要固定在自由升降式平台上。图1为海上施工平台的示意图。

1.2 平台上静探测试操作要点

与陆域静力触探原位测试操作相比，海上施工平台上施工时应特别注意以下问题：

1）将静力触探压力装置牢牢固定在平台中心位置。

2）当平台进入孔位并固定（以平台地面高于大潮汛最高潮位为宜）以后，利用水平尺将平台调平。

3）仔细量测孔位处泥面至平台顶面的高度，换算出泥面的标高。当探杆进入泥面时，准确计算所进入泥面的深度。

4）根据水深情况，先将外层护管（不小于φ108mm）竖直下入海床1～2m深度，以防止探杆受到水流作用发生弯曲。如水流较急或水深较深，可将护管中部（悬空部分）用绳索分别系在平台的四支脚上，既能避免水流影响，又能防止探杆压入过程中挠度过大。

5）探头到达泥面时，作为零点开始记录。因表土层已受护管扰动，因此自护管底端深度开始的数据作为有效数据。

6）压入过程中，连接探头传感器的显示器上可以直接得到四组实测数据曲线，包括锥尖阻力qc、侧摩阻力fs、孔隙水压力Pw和倾斜度。应仔细观察护管是否倾斜、弯曲或剧烈抖动，以及记录仪上反映的4组曲线，尤其是倾斜度曲线。如发现探头倾斜度明显增大，或者护管偏离原位并剧烈抖动，应立即停止压入，以防触探杆折断。起拔触探杆后，用钻机配合清孔至上次贯入深度以上约2～3m，并跟进第二层甚至第三层护管，以确保探杆在轴向受压过程中不因局部挠度过大而折断。

本案例工程中施工操作时遵循了以上操作要点，测试深度最深达入土80m。

1.3 测试成果应用

带测斜、孔压等多功能探头的静力触探原位测试主要用于修正深度、地基土分层、工程地质性质评价、单桩承载力估算、确定土的变形指标、不排水强度、判定砂土液化、孔隙水压力量测等等，本文主要介绍其在修正深度、地基土分层和单桩承载力估算三个方面的应用。

该多功能静力触探测试成果数据直接存储于微电脑中，电脑软件会自动将实测的锥尖阻力和侧摩阻力进行孔压修正，在资料输出时会得到修正后的锥尖阻力qt、修正后的侧摩阻力fs、孔隙水压力Pw和倾斜度4组基本数据。

1.3.1 深度修正及与各参数的关系曲线

通过多功能探头量测到的倾斜度数据，按以下公式进行贯入深度修正[5-6]，从而得到一系列修正后的深度值。

式中：z为贯入深度，m；l为贯入长度，m；Cinc为触探杆的倾斜修正系数。

对于非定向的倾斜仪：Cinc=cosα，其中：α为触探杆轴向与铅垂线的夹角，（°）。

对于定向的倾斜仪：Cinc=（1+tan2α +tan2β）-1/2，其中：α、β分别为触探杆在相互垂直的两个方向上的偏斜角，（°）。

利用其余3组基本数据，计算出摩阻比Rf=fs/qt和除去静水压力的孔隙水压力与锥尖阻力比值（简称孔压比，下文同）（Pw-Ph）/qt，并分别与修正后的深度建立函数关系，并绘制测试成果曲线。图2为大桥区域BH1孔的各参数与深度的关系曲线。

图2 静力触探原位测试成果曲线

静力触探测试时探杆较细，当孔深较深时必然会发生不同程度的弯曲或倾斜，当采用不具备测斜功能的触探头时，很难判断探杆的倾斜程度，而贯入深度也通常采用泥面以下探杆与触探头总长度。显然，经过倾斜度数据修正后的深度值更加准确。

1.3.2 划分土层

与国内常用的单桥或双桥静力触探原位测试成果相比，增加使用孔压比（Pw-Ph）/qt后对土性分类上比单独使用单桥或双桥中的Ps、qc和摩阻比Rf要更加精确，因为孔压比在各种土性上差异非常明显，主要原因有两点：①孔隙水压力在砂土、粉土和黏性土中的差异很大，砂土的透水性很好，一般孔隙水压力消散50%所需要的时间不过几秒钟，粉土消散时间较长，黏性土消散时间则更长；②砂土、粉土和黏性土在锥尖阻力qt的数值上一般随土粒变细而减小。因此，具有测孔压功能的静力触探（CPTU）在划分土性方面更有优越性，这一点可以从图2曲线中得到验证。结合锥尖阻力qt值，便可以准确判断出地基土的名称、工程地质性质，包括黏性土的稠度状态和砂土、粉土的密实程度。

参考整个场地地基土的发育规律，按照孔压静力触探原位测试曲线分层原则，主要将BH1孔划分的土层见表1。

表1 BH1孔地基土分层一览表

为了对比该孔压静力触探孔的成果资料与钻探取样成果资料，在其附近（距离5～10m处）进行了工程地质钻孔BH2。结合静力触探分层结果和临近钻孔的分层结果，绘制出BH1、BH2区段的地质剖面图（图3）。经过对各土层埋深、厚度的对比分析，认为该静力触探测试孔在土层划分上比较准确，而且能把薄夹层土较为清晰地反映出来，比依靠单桥或双桥静力触探测试来分层有了很大的进步。当然，仅靠多功能静力触探孔来分层是不够科学的，仍要结合地质钻孔分层来完成。

图3 BH 1、BH 2区段的地质剖面图

1.3.3 桩基承载力估算

目前国内外普遍采用太沙基（K.Terzaghi）的静力平衡公式Pu=quA+U∑fsihi确定单桩极限承载力，所不同的是不同地区在统计汇总形成的经验公式中修正系数上的差异。下面借鉴国内的规范来估算单桩极限承载力（按桩型PHC1000mm、桩长为入土60m考虑）的估算结果。国内规范中的公式是建立在双桥静力触探测试成果中qc、fs基础上的，为方便起见，以下计算公式中的qc、fs均取根据孔压修正后的qt、fs值。

1）按照铁道部 《静力触探使用技术暂行规定》（1980）推荐的确定打入混凝土桩的单桩极限承载力公式：

式中：α、βi查图4（综合修正系数曲线图）；qc为锥尖上部、下部4m范围内加权平均值qc1、qc2的平均值。

代入对应的各值计算得出该孔所在区域的单桩极限承载力值为10500 kN。

2）按照国家标准JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》5.3.4条计算公式：

式中：α对于黏性土、粉土取2/3，对于砂土取1/2；βi对黏性土、粉土取，对于砂土取；qc为锥尖上部4m、下部1m范围内加权平均值qc1、qc2的平均值。

代入对应的各值计算得出的单桩承载力值为12700 kN。

该工程区域进行了打入式PHC桩的静载荷试验（MLT），试验结果见表2。

表2 试桩成果表

从以上计算结果及表2数据可以看出，试桩成果中的极限承载力值与采用静力触探原位测试qt和fs值估算的单桩极限承载力值较接近，而不同规范中由于采用的修正系数α、βi以及qc值有别，导致估算结果也略有差异。

2 结论

海上静力触探孔的操作比陆域上的操作较复杂，需要注意水深造成的临空面可能导致探杆弯曲而折断的情况，同时考虑到因探杆弯曲或倾斜对实际贯入深度有一定的影响，要获得更准确的深度数据，必须对深度进行竖直方向的修正，所以引入使用倾斜度功能的触探头尤为重要。

多功能探头的静力触探测试成果在土层细分上比地质钻孔更加准确，在了解场地地基土发育规律的基础上，在布置勘探孔时，可以适当增加多功能静力触探原位测试孔的份量。

静力触探成果不仅可以直观、准确地估算单桩极限承载力值，而且能在竖向土层中较连续地反映出沉桩过程中桩穿越各土层的难易程度，对整个桩基施工中沉桩有很重要的指导作用。

不同区域地基土性质存在一定程度的差异，计算公式并不适用于所有地区的地基土。若多功能的静探测试能在国内推广使用，可以根据不同区域的孔压静力触探原位测试与沉桩的对比试验，来确定建立在qt、fs值上的计算公式，以及相应的修正系数α、βi值。

3 结语

早在20世纪60年代我国就成功地研制了电测式单桥静力触探仪，解决了大量的岩土体测试问题，在工程建设中发挥了重要作用，取得了重大的技术经济效益，但一直以来改进甚少。目前，国内多功能探头静力触探技术虽有所发展，但在工程中应用还不够广泛。

从国外工程经验来看，施工中对数据的可靠性、科学性、系统性、自动化程度等要求越来越高，而静力触探原位测试在功能的应用上越来越多，大力发展多功能静力触探原位测试在勘探生产中的应用已经是当今社会的发展趋势。近些年，国内外都在大力发展港口、桥梁建设，如果能在国内港口、跨海大桥建设中广泛采用的话，将加快中国岩土工程技术与世界接轨的步伐，使国内的静探技术向轻便化、标准化、多功能化方向发展，扩大与国外技术人员交流的渠道，从而培养出更多更优秀的国际级岩土工程技术人员。

[1] 张喜发，刘超臣，栾作田，张文殊.工程地质原位测试[M].北京：地质出版社，1989.

[2] 袁聚云，徐超，赵春风.土工试验与原位测试[M].上海：同济大学出版社，2004.

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