超深静力触探试验在昆明巫家坝软土场地勘探中的应用

丁溪泉，刘海军，郭晓霞，王 新，刘兴国

(1.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，重庆 渝北区 401121；2.大连理工大学，运载工程与力学学部，辽宁 大连 116000)

1 引言

针对不同的地质情况存在不同的勘察方法，如在金矿勘查中使用的充电法(羊文，2021)；在矿山开发中应用的遥感技术(李思发，2021)；铁矿勘查中采用的高精度磁法等(黄启霖，2019)。对于软土地基最为有效的方法就是静力触探法，静力触探最早起源于荷兰，随后被各国引进。1964年，我国成功研制出第一台电测式触探仪(王钟琦，2000)。静探测试主要用于软土场地，通过静压力将标准探头以一定的速率匀速压入土中，获取贯入阻力数据，从而进行土层分层、液化判别、强度估算和桩基设计，具有效率高、速度快、精度准、成本低等特点(王锦艳，2016；付超，2016；皇富强，2021)。

静力触探作为软土场地常用勘测手段，在各地工程实践中取得了丰硕成果。在地铁车站工程勘察中使用静力触探(陈锦，2021)；应用静力触探对吹填土特性进行分析(刘举，2012)；采用静力触探推测滑裂面等(詹旺林，2021)。在超深静力触探方面许多学者也进行了有益探索，使用深层静力触探估算深长灌注桩单桩承载力，提出新的修正系数计算公式(高敬，2016)；引进国外先进静探设备，使陆地静探测试深度突破100 m(王波，2016)；研究了深层静力触探如何预防孔斜与曲线失真以及贯入不深与断杆问题，并提出灌水辅助测试的新方法(邵水松，2012)。

我们在前人的探基础上，采用XY-150型钻机结合DYLC大型静力触探设备进行了86.5 m孔深原位测试，对比钻探成果、周边测试，结果表明深处地层静探测试数据与地层钻探数据之间表现出高度符合性，具有较大工程实践意义。

2 超深静力触探测试

2.1 地质概况

试验场地位于昆明市官渡区巫家坝商业新中心(CBD)核心地带，处于昆明冲湖积盆地中南部，地貌单元属滇池冲湖积盆地平原地貌。场地原为昆明巫家坝机场停机坪和停车场，地形平坦开阔。

2.2 设备选用

本次超深静力触探设备由DYLC履带式静力触探车、KE-2103型静探微机、15 cm2双桥静力触探探头和XY-150型钻机组成。

DYLC由一台小型柴油机和单联齿轮油泵供提供动力，静探额定贯入力为200 KN，静探起拔力为240 KN；与静力触探车配套的测试设备为KE-2103型静探微机，可用于单、双桥静力触探试验，十字板剪切试验，单、双桥孔压静力触探试验，超孔隙水压消散试验等。

图1 DYLC履带式静力触探车Fig.1 DYLC crawler static probe vehicle

2.3 数据采集的方法

在静力触探车就位前，平整场地，夯实地表松散土层，选择地锚，保证总反力大于贯入力。贯入工作开始时，由专人控制推进油缸的上升与下降，以(20±5 mm/s)进行匀速贯入。贯入过程中其他人手动松紧卡瓦螺丝、连接探杆配合推进油缸工作确保油缸上下连续不间断，拧紧每根相连接的探杆，防止丝扣的松动，造成脱扣，保证垂直贯入。

深度在30 m以内时，采用常规静探方法进行试验，通过KE-2103型静探微机记录端阻与侧阻数据。当静探深度超过30 m后，钻杆易发生弯曲与孔壁间产生较大阻力，阻碍试验进行，此时需要下套管，在套管的固定及保护条件下进行静探。遇到坚硬地层时将探杆提起，改用XY-150型钻机，对原探孔进行扩孔，观察取土器中土样情况并取样分析，当发现钻头穿越坚硬底层后重新进行静探，记录扩孔深度以此修正静探试验曲线。每次遇到坚硬地层时重复扩孔再贯入的操作，直至计划深度。

3 超深静力触探测试结果

现场采用双桥静力触探对A2XK72、A2XK104、A2XK106三个桩位进行测试，桩位坐标依次为(X=890 068.77，Y=2 567 226.32；X=890 065.10，Y=2 567 150.55；X=890 107.65，Y=2 567 124.61)，静探深度分别为80.7 m、84.0 m、86.5 m。获得探孔锥尖贯入阻力(qc)、侧壁摩阻力(fs)及摩阻比(Rf)三项参数曲线。

试验在眉山中车紧固件科技有限公司完成。转向架制动杠杆1、2铆接位置预先铆接完成，试验的检测对象为转向架制动杠杆的4个铆接位置(3、4、5、6号位置)的铆接状态。

3.1 浅层地基静探数据特性

图2 A2XK72号、A2XK104、A2XK106号孔浅层静力触探数据Fig.2 Shallow static sounding data of drill A2XK72，drill A2XK104 and drill A2XK106

3.2 深层地基静探数据特性

侧摩阻力受深度的影响，且随深度增加而增加。选取粉质粘土作为研究对象，建立探孔中23层粉质粘土中心深度与侧摩阻力关系图，如图3所示。其中最小侧摩阻力为22.6 kPa，对应深度为11.4 m；最大侧摩阻力为95.58 kPa，对应深度为83.55 m。

图3 粉质粘土深度与侧摩阻力关系散点图Fig.3 Scatter diagram of the relationship between silty clay depth and lateral friction

此外为研究摩阻比与深度的关系，建立粉质粘土中心深度与摩阻比关系图，如图4所示。其中最小摩阻比为1.92%，对应深度为42.05 m；最大摩阻比为3.62%，对应深度为83.55 m。图中数据点离散分布，未显示出线性规律。

图4 粉质粘土深度与摩阻比关系散点图Fig.4 Scatter diagram of silty clay depth and friction ratio

3.3 泥炭质土分布特性

泥炭质土土层周围常伴随粉土层，试验用的3处探孔中共有38层泥炭质土，其中有29层与粉土相邻，此外有4层未临近粉土的泥炭质土段曲线可以分为两段，一段性质类似于粘土，端阻qc曲线比较平缓，有缓慢的波形起伏，局部略有突峰，侧阻fs曲线略有突峰，在曲线右侧且距离较大；另一段位于土层末端，似于粉土，端阻qc值较大，曲线呈短锯齿状，齿峰较缓。泥炭质土土层末端的静探曲线突变是粗颗粒引起，只是粗颗粒层较薄，钻探取芯时和泥炭质土划分在一起，未被独立分层。

图5 泥炭质土静力触探曲线及周围土层Fig.5 Static contact curve of peat soil and surrounding soil layer

4 超深静力触探测试数据分析

4.1 静力触探数据与钻探数据吻合度分析

选取场地1 0m以下粉质粘土作为分析土层，对比静力触探数据与钻探数据粉质粘土厚度及埋深如表1。

表1 静力触探数据与钻探数据中粉质粘土埋深及深度Table 1 Buried depth and depth of silty clay in static penetration data and drilling data

4.2 浅层地基侧摩阻力影响因素

4.3 深层地基侧摩阻力影响因素

昆明巫家坝超深静力触探试验，从同种土的各层之间考虑深度对静力触探侧摩阻力的影响，因粉质粘土层静探数据较稳定且便于识别，取场地中粉质粘土作为代表层，分析不同深度的粉质粘土之间的侧摩阻力随深度变化关系，观察图3可得，侧摩阻力随深度增加而增大且近似成正比，对散点进行线性拟合，如图6所示，拟合公式如下：

图6 粉质粘土深度与侧摩阻力关系曲线Fig.6 Relationship curve between silty clay depth and lateral friction

Fs=k1×h+c1

(1)

其中k1=0.59；c1=22.87；

Fs表示侧摩阻力，单位为kPa；

k1为侧摩阻力随深度的增长系数，单位为kPa/m；

c1表示深度为零时的侧摩阻力，单位为kPa。

但是深度对静探曲线的影响不同于夯实作用，随深度的增加摩阻比散点之间没有明显规律，如图4所示。

4.4 泥炭质土地层周围存在粉土原因

表2 泥炭质土物理性质Table 2 Physical properties of peat soils

泥炭土主要形成于浅水湖泊和渍水洼地中。而粉土主要形成于流水地区，土体中的黏粒被水带走，留下粉土颗粒。

1.在滇池地区，高水位处水体表面流动不易影响水底，土体平稳沉积，形成粉质粘土；

2.随着地壳运动，气候等因素影响，水位下降到适当高度，表面流动能够影响水底，带走水底土壤粘粒，同时水深足够深不易生长茂密水草，便形成粉土；

3.当水位再次下降形成湿地沼泽，土地长期受地表水淹没，处于水分停滞或仅微弱流动的状态，一些喜水植被在积水沼泽中密茂生长，当植被死亡后植物残体来不及分解而呈纤维状堆积，混和原有的土壤最后便形成了泥炭质土(符必昌，2000；丁祖德，2018)。

昆明水体必然要经历上升与下降的阶段，形成泥炭质土的浅层水阶段与粉土的中层流动水阶段相邻，因而反映到地层中就是泥炭质土和粉土常排布在一起。

5 超深静力触探测试结果验证

选用临近项目(绿地项目)DZK15号桩位的82.8 m静探数据，对上文提出的三个结论进行验证：

1.如图7所示，探头刚进入地层时受到较大的侧摩阻力，侧摩阻力最大值为140 MPa。静探至3 m左右深度后，侧摩曲线恢复正常，数值回归到25 MPa左右。此现象验证了结论一。但是绿地项目场地的地表夯实程度不如巫家坝(原机场)项目，因此夯实影响深度只达到地下3 m。

图7 绿地项目DZK15号孔浅层静力触探数据Fig.7 Shallow static sounding data of drill DZK15 in Lvdi project

2.整理DZK15号桩位内部粉质黏土层所处深度与静探侧摩阻力数据，可以发现在该孔内侧摩阻力同样随深度的增加而增加，建立线性拟合曲线如图8所示，拟合公式如下：

图8 DZK15号孔粉质粘土深度与侧摩阻力关系曲线Fig.8 Relation curve between silty clay depth and lateral friction of drill DZK15

Fs=k2×h+c2

(2)

其中k2=0.83；c2=33.90；

Fs表示侧摩阻力，单位为kPa；

k2为侧摩阻力随深度的增长系数，单位为kPa/m；

c2表示深度为零时的侧摩阻力，单位为kPa。

3.DZK15号桩探孔内共探查出7层泥炭质土，其中有5层与粉土层相邻，这两种土性的地层在此探孔中也表现出伴生性。

6 结论

(1)静探测试数据与地层特性符合性高，用于划分深厚软土地层准确、可靠。

(2)在浅层地基中，地表土受夯实、碾压处理后，土体密实、孔隙比小，静力触探侧摩阻力偏大。当静探到一定深度后，夯实效果减弱，侧摩阻力恢复正常。

(3)在深层地基中静力触探侧摩阻力均随深度的增加而增大，且与深度成比例。因此超深静力触探实验通过侧摩阻力判断土层性质时，需要对侧摩阻力进行修正后才可使用。

(4)深部泥炭质土与粉土常相伴出现，与滇池曾经历史水位多次变动有关。