静力触探工作原理及其在上海软土地区工程勘察中的应用

王庆磊

［上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092］

0 引 言

静力触探作为一种轻便、高效、快速的原位测试手段，在岩土工程勘察、施工检测等领域得到了广泛应用[1]。静力触探是通过压力装置将标准规格的金属探头均匀压入土层中，并结合探头传感器，将土层阻力转换为电信号，再由仪表测量出来，具有测量精确度高、方便快捷、经济等优点。目前国内普遍采用的静力触探仪探头有3 种：单桥探头、双桥探头和孔压触探头。

在岩土工程勘察中，静力触探主要适用于软土、黏性土、粉土、砂类土及少量碎石的土层，常用来划分土层、地基设计、粉土及砂土的液化判别等[2]。

1 静力触探测试技术在国内外的发展

1.1 国外静力触探研究发展现状

静力触探测试技术在国外的发展现状见表1。

表1 静力触探测试技术在国外发展情况[3]

1.2 国内静力触探研究发展现状

静力触探测试技术在国内的发展现状见表2。

表2 静力触探测试技术在国内发展情况[4]

2 上海地区工程地质情况

静力触探成果在工程中得到了广泛的应用，如对土层进行土类判别和力学分层，评定土体力学特性，确定地基土的承载力、土体液化判别等，且都取得了满意的结果。近年来静力触探技术在上海地区的工程应用中取得了显著成果，特别是在利用地区经验估算土的强度参数、判定饱和砂土和粉土的地震液化趋势以及施工实时监测评价等方面。

上海地区埋深50 m 以内的浅砂土、粉土以砂质粉土、粉砂为主。由于上海地下水位埋藏较浅，在基坑开挖和隧道施工过程中极易产生流砂、管涌、突涌等现象。因此，对于饱和软土中深基坑及隧道施工土体强度的测定，特别是黏土、粉质黏土和粉砂的抗剪强度测定，具有很强的工程实际指导价值。然而，由于施工过程中难以直接测定饱和黏土的孔隙水压力，常常需要借助室内试验或原位测试技术来测定土体的强度。

上海市《岩土工程勘察规范》（DG J08-37—2012）按照地貌形态、时代成因、沉积环境和组成物质等方面的差异，将境内地貌分为：湖沼平原，滨海平原，河口（砂嘴、砂岛），潮坪地带，剥蚀残丘五大类型。总体而言，上海地区地基土主要以软土地层为主。

3 静力触探测试技术在上海地区的应用

3.1 土层及土类的划分

单桥静力触探数据成果只能应用于力学土层的划分，若要进行常规岩土工程分层常结合钻探孔取样进行；双桥静力触探的测试成果可直接用于划分土层及土的类别。

3.2 确定地基承载力

《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)规定地基承载力特征值可由荷载试验或其他原位测试、公式计算并结合工程实践经验等方法进行综合确定。

3.3 确定单桩极限承载力

依据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）规定，当根据单桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值时，如无当地经验，可按下列公式计算：

式中：Quk为单桩竖向承载力特征值，kN；Qsk为单桩总极限侧阻力，kN；Qpk为总极限端阻力标准值，kN；u 为桩身周长，m；qsik为用静力触探比贯入阻力值估算的桩周第i 层土的极限侧阻力，kPa；li为桩身长度，m；psk为桩端附近的静力触探比贯入阻力标准值，kPa；Ap为桩端面积，m2。

qsk-ps曲线如图1 所示。图1 中：直线（线段gh）适用于地表下6 m 范围内的土层；折线（线段oabc）适用于粉土及沙土土层以上（或无粉土及沙土土层地区）的黏性土；折线（线段odef）适用于粉土及沙土土层以下的黏性土；折线（线段oef）适用于粉土、粉沙、细沙及中砂。

当根据双桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值时，对于黏性土、粉土和砂土，如无当地经验时可按下式计算：

图1 qs k-ps 曲线

式中：fsi为第i 层土的探头平均侧阻力，kPa；qc为桩端平面上、下探头阻力，kPa。

3.4 判断地基土液化可能性

上海市《岩土工程勘察规范》（DG J08-37—2012）规定，抗震设防烈度为7 度的建筑场地，当地面以下20 m 深度范围内存在饱和砂土或砂质粉土时，应判定该土层地震液化的可能性，并确定整个地基的液化等级，用于液化判别的静力触探试验孔，每个场地不应少于3 个。

当单桥探头实测比贯入阻力ps小于临界比贯入阻力pscr或双桥探头实测锥尖阻力qc小于临界锥尖阻力qccr时，应判为可液化土[5-6]。

式中：ps0、qc0分别为液化临界比贯入阻力基准值和临界锥尖阻力基准值，MPa，可分别取2.6 MPa 和2.35 MPa；ds为静力触探试验点深度，m；a、b 为系数，分别取1.0 和0.75。

3.5 测定地基土的物理力学参数

依据上海市《静力触探技术规程》（DG/T J08-2189—2015），对地基土的物理力学指标进行测定。

3.5.1 黏性土常用物理性指标

当缺乏钻探取样试验指标时[7]，可采用静力触探试验成果对黏性土的物理性指标进行估算，结果见表3。

3.5.2 软黏土不排水抗剪强度cu

cu的计算式为：

式中：Nk为锥头承载力系数，由经验取得，一般Nk=15～25，对于大多数软黏性土，可取Nk=20。

3.5.3 砂土密实度及基床系数[8]

通过单桥静力触探试验得到的砂土密实度、砂土和黏性土的基床系数k 及其比例系数m 见表4、表5。

表3 采用静力触探试验成果估算的黏性土常用物理性指标

表4 通过单桥静力触探试验确定砂土密实度、基床系数及比例系数

表5 通过单桥静力触探试验确定黏性土基床系数及比例系数

4 结 语

（1）静力触探作为一种轻便、快速、高效的原位测试手段，可以划分土层界面、土类定名、确定地基承载力和单桩极限承载力、判定地基土液化可能性及测定地基土的物理力学参数等，在上海软土地区工程勘察中应适当予以考虑。

（2）进行岩土工程勘察时，应用静力触探技术时应注意与其他测试手段综合运用，注意经验的获取和积累，从而提高静力触探的测试精度。

（3)由于不同地区土层在成因类型、沉积条件、年代等方面的差异性, 决定了不同地区土的力学性质的独特性。故在静力触探成果的应用方面, 不同地区应综合各种勘察手段建立适合本地区的经验公式, 使静力触探在岩土工程勘察中发挥更大的作用。