静力触探试验在软土地基沉降推算分析中的应用

邹智军，贺迎喜

（1.中交上海航道局有限公司，上海 200002；2.中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

随着沿海经济发展，土地资源越来越匮乏，中国自20 世纪五六十年代开始围填海活动至今，填海工艺已经发展得非常成熟。位于珠江三角洲东南部的香港，该处软土主要为滨海相沉积软土，这类软土呈现出含水率高、压缩性大、渗透性小、抗剪强度低、灵敏度高等特点。在这类软土地基修建建筑物会经常出现地基承载力不足、沉降过大、沉降不均匀等问题，不利于工程建设[1]。在软土地基上进行工程建设，通常需要在正式施工前研究确定合适的加固方式；在施工过程中需要监测沉降以控制施工加载速率，防止产生挤淤、隆起、滑移等不利现象并确保施工安全和质量。

近海吹填造陆工程中，通常采用沉降板、分层沉降仪等仪器进行沉降监测，这些仪器往往需要在回填出水后实施安装，无法监测到回填出水前的地基沉降。实际上，前期水力吹填和陆推施工过程中，原海床面以下的软弱淤泥土地基持续发生沉降。香港国际机场第三跑道工程（简称香港三跑工程），研究通过静力触探试验分析新回填料与原状土海相沉积软土的分界面，并成功推算出施工过程中的地基沉降量。

1 工程概况

香港三跑工程位于现有双跑道北侧，香港口岸人工岛项目西北侧。该工程包括面积约650 hm2的填海拓地以及上部的客运大厦、跑道、滑行道、旅客捷运系统、行李处理系统等机场配套基础建设、道路网及交通设施。

其中填海工程规模相当于4 个香港人工岛，为消除差异沉降，控制工后沉降在目标值之内，确保工程质量安全，工程采取了一系列的地基处理措施：水下塑料排水板（Marine PVD）、水下深层水泥搅拌桩（Marine DCM）、陆上深层水泥搅拌桩（Land-based DCM）、高压旋喷桩（Jet Grouting）及其组合地基处理措施。地基处理工艺分布如图1 所示。

图1 地基处理工艺分布图Fig.1 Lay out of foundation treatment

一般项目通常在陆域回填达到水位以上再安装监测仪器进行沉降监测。与本工程地理位置毗邻的港珠澳大桥香港人工岛项目中则是在砂垫层铺设完成后在水下安装沉降板，在陆域出水后钻孔连接沉降杆。安装沉降板与连接沉降杆时2 次的标高差即为期间发生的沉降，接杆后通过沉降板可连续监测此后的沉降量。此种方法理论上可以获取砂垫层铺设完成之后所发生的沉降数据，沉降板在施工回填过程中由于施工挤淤、地基沉降、DCM 隆起物以及施工船舶等干扰影响会产生一定的水平和垂直位移；由于回填厚度较大，通过磁力定位装置也无法准确定位沉降板位置[2]，这导致在后续陆域出水钻孔找到沉降板的成功率较低。根据设计要求[3]，本工程在前期实施过程中亦采用香港港珠澳大桥人工岛的方法，但由于多标段交叉施工干扰大，高峰期现场逾百艘施工船舶，导致后期找到沉降板的成功率仅14.6%。为了全面准确地监测整个施工区的沉降情况，需探寻一种可靠的监测或推算方法。

2 静力触探试验推算沉降原理及设计

2.1 静力触探试验推算沉降的原理

静力触探是将一种内部装有传感器的金属锥头，通过探杆匀速缓慢地压入土体之中，依据探入阻力随贯入深度变化的曲线来取得土体相关的物理力学性质的一种岩土工程地质勘探方法和测试技术手段。静力触探试验在工程上已有广泛运用，如推算不排水强度[4]，运用在跨海大桥建设[5]、水运工程建设等。

Robertson 等在1986年首先提出了根据静力触探数据，用测得的孔压数据对锥尖阻力进行修正，并用CPT 端阻qt进行划分的土体分类图[6-7]。Robertson 分类图对黏性土和砂土的分类结果比较理想，结合室内土工试验以及钻孔资料可对土类进行精细判别。

本工程施工区域地基土组成包括：

1） 第一层为新回填材料，全部为粗粒土，包括海砂和机制砂，部分采用香港本地公众填料；

2） 第二层地基土为原状土，绝大多数为细粒土（黏土或粉土），主要为海相沉积软土（厚度12～32 m）。

新回填料（砂料）与原海床面以下淤泥土的物理性质差异明显，可通过CPT 端阻qt分析确定回填层与原状土淤泥土的分界面。通过对比当前淤泥层顶面标高与工前淤泥层顶面标高的差值，即可计算获得期间发生的沉降值。CPT 端阻qt随高程变化曲线见图2。

图2 CPT 端阻力qt-高程曲线Fig.2 CPT qt-elevation cure

为验证静力触探判别回填料与海相淤泥分界面的准确性，在设计上采用钻孔辅助验证。

1） CPT 端阻qt判断标准的确定

根据已有的地质资料分析，施工区域原状软弱淤泥土的CPT 端阻qt绝大多数均小于1 MPa，为了分析确定回填砂与原状淤泥土分界面的CPT端阻临界值，选取18 组CPT 检测结果，对自CPT 端阻qt＜1 MPa 起1 m 深度范围内的土样CPT端阻qt平均值进行统计，统计结果见表1。统计结果显示，CPT 端阻qt平均值为0.64 MPa，标准差σ 为0.11。由于各地海相淤泥土的CPT 端阻存在一定差异，因此结合香港大屿山滨海区域海相淤泥土的强度特点，设计确定将CPT 端阻qt≤0.8 MPa 作为新回填砂与原状淤泥土分界面CPT 端阻临界值，即当某标高H0以下CPT 端阻qt持续小于0.8 MPa，可判别该标高H0为回填砂与淤泥土分界面。

表1 CPT 端阻qt 统计表Table 1 Statistics table of CPT qt

2） 钻孔辅助验证

为了监测回填区的沉降情况，参考原沉降板布置密度，在回填区均匀布置CPT 检测点。为了进一步验证静力触探判别回填料与海相淤泥分界面的准确性，在CPT 检测完成后，在原位进行钻孔取样获得土样送往试验室切开样板（见图3），辅助判别验证。CPT 及钻孔仪器设备主要性能参数见表2。

图3 钻孔取样照片Fig.3 Soil samples by borehole

表2 CPT 及钻孔仪器设备主要性能参数Table 2 The main performance parameters of CPT rig and drilling rig

2.2 沉降监测设计

1） 第一阶段沉降量S1

第一阶段沉降量S1按式（1）计算：

式中：H0为砂垫层施工前测量海相淤泥土顶面（原海床面）标高。H1为回填至+3.0 mPD，采用CPT 检测数据推算出回填砂与海相淤泥土的分界面标高。

2） 第二阶段沉降量S2

砂垫层施工结束后水下安装沉降板，回填至+3.0 mPD，钻孔连接沉降板，采用沉降板监测后续沉降量，即第二阶段沉降量S2。

3 沉降监测结果分析

3.1 静力触探试验推算沉降结果分析

采用静力触探CPT 试验结合钻孔取样的方式，对20 个分区第一阶段沉降数据统计见表3。

表3 沉降分区数据统计表Table 3 Statistical table of the settlement of subzone

由于常规钻孔取样法（双管或三管取样）多适用于黏土、泥岩、砂岩和软岩等地质，本工程回填料主要为中粗砂，采用钻孔获得回填砂与海相淤泥土分界面有一定难度，20 个钻孔仅有10 个钻孔成功获得回填料和海相淤泥的分界面（占比50%）。因此第一阶段沉降量主要以CPT 数据作为推算依据，钻孔获得的分界面标高数据作为参考辅助。

3.2 沉降量与回填加载和时间的关系研究

为了研究该地区软土地基沉降规律，利用CPT 数据，推算回填施工过程中的第一阶段地基土沉降量S1；利用水下沉降板（安装在砂垫层顶部）监测数据，获得第二阶段地基土沉降量S2。针对本项目某典型区域开展沉降监测和分析，该施工区第一阶段（间隔时间24 个月）沉降量S1为3.0 m；采用沉降板监测第二阶段（间隔时间6 个月）沉降量S2为0.3 m。回填26 个月以后，根据沉降板监测数据可知沉降逐渐趋于收敛，第24 个月和第30 个月总沉降量分别为3.20 m 和3.30 m，地基沉降曲线如图4 所示。

图4 沉降量与加载关系图Fig.4 Relationship between settlement and loading

3.3 静力触探试验分析沉降的局限性

1） 采用CPT 方法推算沉降量，仅适用于原状土和新回填料土性差异较大，例如原状土为细粒土（粉土或黏土），新回填料为粗粒土（砂土），CPT 方法可较为准确判别原状土与新回填料的分界面。当原状土和回填料性质相似，CPT 方法不适用。

2） 如果回填和后续地基加固施工对原状土与新回填料分界面造成较大扰动，CPT 方法也不能用于判别原状土与新回填料的分界面。由于本工程部分区域采用了深层水泥搅拌桩（DCM）加固地基[8]，DCM 施工完成后，回填料与大部分浅表层原状淤泥已经被扰动，无法分辨较为准确的分界面位置。

3） 采用静力触探试验通常仅能分析一个时间段内发生的总沉降，如需连续监测沉降情况，则需连续进行静力触探试验。

4 结语

静力触探技术可以实现连续测试，并得到完整的土层静力触探贯入曲线、贯入阻力力学剖面以及物理力学指标等相关资料。静力触探试验方法适用于扰动较小的软土地基沉降分析，该方法获得业主、设计和施工的一致认可，替代和补充了原设计中沉降板监测方法，成功地应用在香港三跑工程施工过程中的沉降量推算和计量。该方法为以后类似填海工程的沉降分析和沉降计量提供了重要的借鉴意义。