双桥静力触探试验在土层划分中的应用研究

王 刚 江 巍 陈宗清 秦双杰 聂礼齐

(空军研究院工程设计研究所，北京 100068)

0 引言

静力触探(CPT)作为一种广泛应用于岩土工程勘察的兼具原位测试和勘探目的的试验[1]，具有结果离散性小、连续性好、精度高和费用低等特点[2-5]，得到了工程界的认可[6-7]。当前，静力触探试验主要应用于土类判别、土层划分、估算地基承载力、检验桩质量和饱和砂土、粉土液化判别等方面[1,8-11]。本文基于徐州南部某场地静力触探曲线，研究试验曲线在土层划分中的应用，力求探究试验曲线在土层划分中规律。

对于土层划分，最常用的方法是USCS系统分类法，但所用的土样多为扰动或重塑样；而利用静力触探试验可获得大量的、连续可靠的原状土试验数据，基于此进行土层划分研究也具有实际意义[12]。一方面，有学者基于USCS分类法，结合统计学中的判别式，提出了土层数值分类法[13]；另一方面，对静力触探贯入阻力和土体物理、力学性质之间关系的分类体系研究较多[14-17]，且有人将研究成果与钻孔和室内试验结果进行对比验证[18]。邱 敏等[19]利用聚类分析结合Robertson和Campanella分类图对土层进行划分和定名。另外，在与计算机技术结合方面，也有学者进行了尝试。例如Abu-Farsakh等[20]结合计算机技术和静力触探试验，基于五种静力触探土体工程分类系统，开发出自动识别和划分土层的程序。

已有文献表明，利用静力触探进行土层划分的研究多集中于探究贯入阻力和土体物理、力学性质之间的关系。本研究根据静力触探曲线特点，利用力学分层法进行土层划分，利用地区经验定名土层。同时总结出场地内土层的锥尖阻力(qc)和摩阻比(Rf)数值分布规律，以及qc-Z(深度)和Rf-Z形态规律。旨在为徐州南部地区土层划分提供参考。

1 场地概况

1.1 场地位置及地形地貌

场地位于江苏省徐州市以南，地貌单元主要为河流相冲积平原，场地高程为37.11～41.63 m，大部分为整平后场地，局部回填，场地地势较为平坦、开阔。

1.2 地层土性

勘察资料显示，场地地层以第四系上更统和全新统河流相冲积粉土、黏土及粉质黏土为主，表层为素填土，成分主要为粉土，含少量黏性土。部分土层的基本物理力学性质见表1。

表1 场地部分土层物理力学参数

1.3 地下水

勘察期间揭露的地下水类型主要以第四系孔隙潜水及承压水为主，含水层均为粉土层，为弱透水层。潜水主要补给来源为大气降水、地表径流及侧向渗流补给，排泄以蒸发和侧向渗流为主。承压水补给和排泄均以侧向渗流为主。稳定水位埋深1.10～5.30 m，标高为36.02～37.24 m，年变幅1.0 m左右。考虑到场地年降雨量较大，有被淹没的可能，根据场地及周边水文条件和安全条件，场地地下水位埋深按自然地面考虑。

2 现场试验概述

2.1 现场试验概况

本次试验钻孔布置见图1，其布孔原则为：以1组标准贯入试验孔(以下简称S孔)为圆心，其余4组静力触探孔(以下简称C1—C4孔)绕圆周按“十”字布设，共计5组试验钻孔，孔位之间的间距1～2 m，试验钻孔深度均为35 m。根据场地周边其余钻孔揭露的地层资料可知，在35 m深度范围内，5组试验钻孔孔位及周边的地层层面坡度小于10%，属均匀场地。由于孔位间距较小，地层厚度变化不大，因此，将标准贯入孔所揭露的地层分布等视为静力触探孔处的地层分布。

本次静力触探试验设备主要包括DYLC-Z25履带式静力触探车和KE-U310型双桥静力触探采集仪，见图2，其中双桥探头横截面积为15 cm2。传感器可自动将qc、fs和Rf数据传输至采集仪中。试验前已对传感器进行了标定，其结果可满足试验要求。

图1 试验钻孔平面布置图

图2 场地所用静力触探试验设备

2.2 现场试验目的

本次试验拟对5个试验孔位处地表下35 m范围内的土层进行划分，将静力触探试验分层结果和钻孔揭露的地层结果进行对比分析，力求总结出双桥静力触探试验在划分土层中曲线特征和数值分布规律。

3 静力触探试验划分地层

本次静力触探试验划分地层的整体思路为先以力学分层进行土层的初步划分，再根据各层Rf平均值进行土层定名，以此综合划分出土层类别。

3.1 初步分层——力学分层

根据《铁路工程地质原位测试规程》(TB10041—2003)[21]10.5.2中土层界面位置确定的规定确定各土层的界面位置。具体的方法借鉴和参考了付 超[22]和郭凌峰等[23]的方法，首先利用qc-Z曲线变化趋势，根据同一土层的曲线趋于稳定的特点，判断其超前和滞后总深度的中点，然后在此点的基础上向软层或者低端阻值(qc较小)方向偏移0.1 m作为土层边界，对于划分出的土层界面，参考表2进行并层。最后利用类似的方法，根据Rf-Z曲线对土层的界面进行补充划分。

表2 qc值并层容许变动幅度(修编自曹文庆[24])

3.2 土层定名——地区经验法

利用徐州地区静力触探土层划分的经验(见表3)，根据2.1节得到的土层力学分层结果，计算出各层内Rf的平均值(扣除超前段和滞后段影响，根据《工程地质手册》[25]中经验值，本文中两段均设置为0.2 m)，利用计算出的Rf值，判别其满足表3中何种关系，进而为该层土定名。

表3 徐州地区静力触探划分土层经验值

3.3 静力触探划分土层结果

利用静力触探试验所得到的数据绘制出qc-Z曲线、fs-Z曲线和Rf-Z曲线，基于qc-Z曲线及Rf-Z曲线，按照3.1节和3.2节的方法对土层进行分层和定名，得到如图3所示C1孔分层结果，参照同样方法得到C2—C4孔分层结果，将4孔分层结果绘制成剖面与S孔柱状图对比，见图4。

3.4 曲线解译和柱状图、剖面图对比分析

(1) 对比图3中(a)、(b)、(c)曲线，可发现qc-Z曲线的变化最具规律性，Rf-Z曲线次之，fs-Z曲线规律性不明显。此结果与付 超[22]和郭凌峰等[23]所得结果一致，说明在双桥静力触探实验曲线中，可利用qc-Z曲线作为土层划分的主要依据，结合Rf-Z曲线进行补充划分，fs-Z曲线规律性不明显，可不考虑其对土层划分的影响。

图3 双桥静力触探划分土层结果(C1孔)

图4 双桥静力触探试验划分土层结果剖面图与钻孔柱状图对比

(2)对比图4中S孔柱状图与qc-Z和Rf-Z曲线分层结果(以C1孔土层划分结果为例)中所获得的土层界面，有以下几点发现：①在划分土层层数方面，利用C1孔土层划分结果，将35 m范围内土层划分为15层，与S孔揭露的柱状图中土层层数相一致；②在土层界面深度确定方面，0～20 m和30～35 m深度范围内，C1孔土层划分结果与S孔柱状图中土层界面深度基本吻合，但在C1孔土层划分结果中，“21.4 m”、“25.5 m”和“27.1 m”三个土层划定界面与S孔柱状图中的对应土层界面有较大差异，说明由于超前和滞后效应的影响，利用静力触探曲线确定薄层土体位置需结合其他手段共同确定；③在土体定名中，C1孔土层划分结果中0.0～1.4 m的黏土和对应S孔柱状图揭露的素填土定名完全不同，其原因为素填土内土体成分较为复杂，土质不均，内部所含粉质黏土和黏土团块影响了静力触探探头和侧壁处阻力值的大小；同时C1孔土层划分结果中2.3～5.0 m、8.3～10.0 m和15.4～17.6 m的粉质黏土与 S孔柱状图中对应土层名称不一致，有一定的差别，其原因分别为，2.3～3.0 m的黏土内局部夹粉土薄层，3.0～5.0 m的粉土内局部夹黏土与粉质黏土薄层，8.3～10.0 m的黏土内局部夹粉土薄层，15.4～17.6 m的粉土内局部夹粉质黏土薄层；可总结为：利用地区经验进行土层定名，若土质较均匀，其定名结果与钻探定名结果一致，若土层内夹性质差距较大的薄层，其定名结果与钻探定名结果产生差异，其定名“居中”，即所定土体名称的性质介于土层内主要土体和次要土体性质之间，若土质很杂(例如素填土等)，则静力触探土层定名结果与钻探定名结果差距较大，土体定名需结合钻探等手段共同确定。

3.5 地层界面划分的对比分析

根据上述静力触探和钻探划分土层界面深度，总结出两种方法划分土层界面深度的绝对误差和相对误差，见表4。

表4 S孔与C1—C4孔划分土层界面深度对比

根据表4可知，划分土层界面时(除划分20～30 m范围内薄层土体界面外)，利用上述方法得到的结果与钻孔揭露的土层界面结果相一致，最大绝对误差0.7 m，平均绝对误差0.24 m，最大相对误差0.54，平均相对误差0.16，表明利用以上方法进行静力触探划分厚度超过1 m的土层较为有效，其结果能很好地反应实际地层界面位置。但该方法对薄层土层界面位置的确定产生较大的误差，最大绝对误差可达3.2 m。因此如何利用静力触探曲线划定薄层土层界面需进一步研究。

根据上述土层划分结果，结合同一类别土层力学性质上具有相同趋势的原理，参考楚立鹏[1]对杂填土、粉土和砂土等土体的静力触探曲线形态总结的成果，结合钻探分层结果，总结出了场地内土层成分以粉土为主的素填土、粉土、粉质黏土和黏土在四个静力触探孔处的qc-Z和Rf-Z形态规律及qc和Rf数值分布规律(见表5、表6)，可作为划分土类的基本依据。

表5 各类土层qc-Z曲线特征及qc数值分布规律

表6 各类土层Rf -Z曲线特征及Rf数值分布规律

4 结论

(1)利用力学分层法和地区经验进行土层界面划分和定名，所得结果与钻孔揭露的地层分布结果相一致，体现在以下方面：①划分土层层数结果相一致；②土层界面深度结果基本一致；③土体定名结果基本一致。说明利用该方法对徐州市南部土体进行分层所得结果，具有参考意义。

(2)对于土质不同的土体，利用地区经验进行土层定名有以下特点：①土质较均匀，其定名结果与钻探结果一致；②土层内夹性质差距较大的薄层，其定名结果“居中”，即所定土体名称的性质介于土层内主要土体和次要土体性质之间；③土质很杂(成分一般超过三种，如素填土)，则其定名结果与钻探结果差距较大，需结合钻探等手段共同确定。

(3)根据静力触探试验土层划分结果，结合钻探结果，总结出了徐州市南部土层成分以粉土为主的素填土、粉土、粉质黏土和黏土的qc-Z和Rf-Z形态规律及qc和Rf数值分布规律，对于土层划分具有借鉴意义。