中国现行标准中利用静力触探划分土层土类综述

何风雨,马淑芝

(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司,湖北 武汉 430050; 2.中国地质大学(武汉) 工程学院,湖北 武汉 430074)

0 引 言

静力触探作为一种重要的土体原位测试技术,在工程勘察工作中扮演着重要的角色[1-3]。静力触探适用于软土、黏性土、粉土、砂类土及含少量碎石的土层,可划分土层界面、土类定名、确定地基承载力和单桩极限荷载、判定地基土液化可能性及测定地基土的物理力学参数等[1,2,4-6]。近年来,随着勘察工作精准性要求的提高,静力触探愈加受到工程界关注,各行业和地区发布实施了涉及静力触探测试技术的各类标准,主要有:铁道行业标准(TB 10018-2018《铁路工程地质原位测试规程》[5],以下简称《铁路规程》)、水运工程行业标准(JTST 242-2020《水运工程静力触探技术规程》[6],以下简称《水运规程》)、土木学会标准(T/CCES 1-2017《孔压静力触探测试技术规程》[7],以下简称《土木规程》)、冶金行业标准(GBT 50480-2008《冶金工业岩土勘察原位测试规范》[8],以下简称《冶金规范》)、有色金属工业协会标准(YS/T 5223-2019《静力触探试验规程》[9],以下简称《有色规程》)、安徽省地方标准(DB34/T 3944-2021《静力触探应用技术规程》[10],以下简称《安徽地标》)、上海市地方标准(DG/TJ 08-2189-2015《静力触探应用技术规程》[11],以下简称《上海地标》)、江苏省地方标准(DB32T 2977-2016《孔压静力触探技术规程》[12],以下简称《江苏地标》)等。

根据探头功能划分,中国工程勘察中使用的静力触探有单桥、双桥和孔压3种类型[1,3,5]。单桥静力触探只能测试一个参数比贯入阻力Ps,双桥静力触探能够测试锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs两个参数,三桥孔压触探可以测试qc、fs和孔隙水压力u三个参数。静力触探测试表明:土类及其成因、时代、密实度不同,其锥尖阻力或比贯入阻力、孔隙水压力通常也有明显不同;此外,不同土类(如砂土和老黏土)由于某种原因,可能有相同的qc(或Ps),而fs和u大不相同[2]。因此,在土层土类划分方面,单桥静力触探比较粗糙,双桥静力触探精度比单桥静力触探高很多。三桥孔压触探在用于土层土类划分时精度最高,在求取土体固结系数、评价土的应力历史、估算土的渗透系数和变形参数、确定桩基承载力等方面具有无可比拟的优势[13-15]。国际上,孔压静力触探(CPTU)的应用较成熟[15]。中国的孔压触探在土分类方法方面取得了显著的成果,刘松玉、杜宇等通过引入新的应力修正方法和修正土分类边界线,建立了适合中国水运工程的CPTU土分类方法[2,16]。

在静力触探测试技术的实际工程应用中,一般先综合静力触探测试结果及其他资料进行土层划分,然后进行每个土层中的触探参数统计分析,最后根据工程项目要求采用的相应技术规程中的分类图确定土的工程类别。本文从“土层界面确定”和“土类定名”两大方面综述中国现行各相关标准中的条款及说明。

1 土层界面确定

在利用静力触探确定土层分界面时,需结合钻探和地域经验,并需要注意静力触探的界面效应问题,根据静力触探的曲线形态和触探参数数值大小等特征进行土层界面的确定。

1.1 结合钻探与地域经验

单独根据贯入阻力曲线或参数所实现的分层为力学分层,结合钻探取样资料或当地经验则进一步将力学分层变为工程地质分层[2]。不同地区的土层在成因类型、沉积条件、年代等方面的差异,决定了不同地区土质的独特性,因此静力触探分层应考虑地域差异。由于静力触探是一种间接勘探手段,不能揭露土层,缺乏经验数据的地区仅根据静力触探成果划分土层可能不够准确,甚至会出现错漏,需要结合钻探、室内试验和其他原位测试等成果综合考虑,确定工程地质分层[6,10-11]。在与静力触探测试技术有关的标准中大都提到这一原则[5-12,17],如《水运规程》建议:采用孔压静力触探测试参数进行土的分类与土层划分时,宜结合钻孔资料和当地经验确定,在区域地质资料和工程经验丰富的地区也可直接应用。

1.2 界面效应

静力触探探头在成层土中贯入,至土层界面上下一定范围时,静力触探参数特别是端阻值会受界面对侧方土体密度、状态等工程性质的影响,使其数值在土层界面上、下一定深(高)度内提前变大或变小,即静力触探测试中存在的“界面效应”[2,5-6]。下卧土层对上覆土层贯入阻力(qc或Ps)的影响高度称为超前深度,上覆土层对下卧土层贯入阻力的影响深度称为滞后深度[5-6]。

界面效应的实质与探头对土的破坏机理有关,贯入阻力(qc或Ps)是土强度及变形性质的综合反映,其测试结果对界面效应的反映更明显,而fs和u的测试结果则基本能即时反映测试位置处的土体性质[2,6]。因此,在工程实践中利用静力触探划分土层时,不同的触探参数应遵循不同的标准。当用孔压静力触探的u或孔压参数比Bq划分土层时,应将贯入曲线的突变点位置定为土层界面[5-11];而当采用单桥的比贯入阻力Ps、双桥触探或孔压静力触探的qc(经孔压校正后的总锥尖阻力qt)划分土层时,应考虑“界面效应”,根据超前深度和滞后深度确定土层界面[5-8]。

不同标准对于土层划分时考虑“界面效应”的规定差别不大,见表1。

表1 采用贯入阻力曲线确定分层界面位置的规定

1.3 静力触探曲线形态

静力触探在不同土类中的贯入曲线特征有较明显的不同。在利用静力触探贯入曲线做土层力学分层时,不仅需要考虑触探参数的数值大小,还需要考虑曲线形态上的差异。《安徽地标》的附录D和附录E中分别给出了单桥静力触探贯入阻力与深度关系曲线形态和双桥锥尖阻力和侧壁摩阻力与深度关系曲线形态。

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1.4 依据贯入阻力变化幅度

静力触探分层采用同一层具有相似的贯入曲线或参数统计结果,不同土层间曲线和参数不同。进行单孔力学分层时,每层中最大贯入阻力和最小贯入阻力之比应在一定范围值内,按贯入阻力变化幅度的力学分层标准见表2。

表2 按贯入阻力变化幅度的力学分层标准

2 土类定名

利用静力触探测试结果进行土类定名,一般先进行静力触探参数的分层统计,然后在考虑每层贯入曲线形态的基础上,根据统计结果按工程分类图确定土类名称。

2.1 触探参数分层统计

在进行各土层的静力触探参数统计前,需根据实际情况,剔除曲线中异常值(往往是由黏性土或粉土中的姜石、湖沼软土中的贝壳、泥炭质土中的朽木、混合土中个别大颗粒物质等造成)[5,8],取舍土层界面效应的影响段内的数值(土层厚度h≥1 m且土质比较均匀时,统计平均值时应扣除其上部滞后深度和下部超前深度范围内的静力触探参数值;对于土层厚度h<1 m的均质土层,软层应取最小值、硬层应取较大值)[5,8,12]。

在确定各土层的静力触探参数统计值时,根据土层性质是否均匀、静力触探数据离散性大小,宜采用不同的统计方法。性质均匀、静力触探数据离散性小的土层,可选用算术平均值或厚度加权平均值;性质不均、静力触探数据离散性大的土层,宜选用最小平均值[10-11]。若土层由单层厚度在30 cm以内的粉砂或粉土与黏性土交互沉积层组成,应分别计算各静力触探参数的大值平均值和小值平均值[5,8]。

2.2 静力触探曲线形态

如1.3节所述,触探参数的贯入曲线在不同土类中往往呈现不同的形态特征。静力触探曲线线形起伏小,可判为黏性土;静力触探曲线的线形起伏大,呈3个以上峰状时,可判断为粉土、砂类土[9]。因此,在进行土类定名时,综合考虑静力触探曲线形态特征,可以大大提高土类识别的准确率。《安徽地标》通过实际工程中的数据对比得到:仅采用规程中的分类图判别土类的准确率约60%,再结合曲线特征可提高准确率至约70%。对于单桥静力触探,相同的比贯入阻力值,曲线形态不一样,可能属于不同土类,则更需要通过贯入曲线的形态去判断。对于双桥静力触探,除根据锥尖阻力及摩阻比的数值按分类图分类外,还可“以锥尖阻力与深度关系曲线形态为主,以侧壁摩阻力和摩阻比与深度关系曲线形态为辅”划分土类[10]。

2.3 工程分类图

2.3.1 双桥静力触探的土工程分类图

《铁路规程》给出的基于双桥静力触探参数锥尖阻力qc和摩阻比Rf判别土类的分类图,如图1所示。

图1 《铁路规程》双桥静力触探土工程分类[4]

2.3.2 孔压静力触探的土工程分类图

现行标准中孔压静力触探的工程分类大致可以分为qt-Bq(总锥尖阻力-超孔压比)分类法、Qtn-Fr(归一化锥尖阻力-归一化摩阻比)分类法和《水运规程》分类法3类。

(1)qt-Bq分类法。《铁路规程》给出了基于孔压静力触探的工程分类图(图2),该分类图包括作为主判别的q-Bq分类图和作为辅助判别的t50-Bq(固结度达50%的孔压消散历时-超孔压比)分类图。根据孔压探头上孔隙水过滤器的不同位置,采用不同的主判别qt-Bq分类图(图2(a)和图2(c))。当实际工程中遇到“硬黏土被错判为粉质黏土、硬塑的粉质黏土被错判为粉土”时,采用辅助判别的t50-Bq分类图(图2(b)),该分类图既适用于过滤器在锥面处的孔压静力触探,也适用于过滤器在锥肩处的孔压静力触探[5]。

qt=qc+(1-a)u2=qc+β(1-a)u1

(1)

Bq=Δu/(qt-σvo)

(2)

式中:qt为总锥尖阻力(其他标准中也称锥尖阻力修正值、经孔压修正后的锥尖阻力),kPa;qc为实测锥尖阻力,kPa;a为探头有效面积比;u1、u2分别为过滤器位于锥面处和锥肩处测得的孔隙水压力,kPa;β为孔压换算系数,即u2和u1的比值,与土质状态有关,取值参见《铁路规程》或《有色规程》有关规定;Bq为超孔压比(其他文献中也有称孔压参数比);Δu为探头贯入时土的超孔隙水压力,等于测得的孔隙水压力(u2或u1)减去静止孔隙水压力(uw),kPa;σvo为土的总自重应力,kPa。

图2 《铁路规程》孔压静力触探土工程分类[5]

(2)Qtn-Fr分类方法(也称Ic分类法)。刘松玉等提出了适用于中国《岩土工程勘察规范》中土分类方法和名称的Qtn-Fr工程分类图(见图3)[2]。因分类图中大部分土类界线都用土类指数Ic来表征,因此该分类法也称为基于土类指数Ic的分类方法。

(3)

(4)

(5)

式中:Ic为土类指数;Qtn为归一化锥尖阻力;Fr为归一化摩阻比,%;pa为标准大气压(参考压力),取100 kPa;σ′vo为土的有效上覆压力,kPa。

图3 基于CPTU的中国国标土分类[2]

《江苏地标》建议的分类图和图3一致。《土木规程》给出的分类图与图3的差别是没有细砂和粉砂的分界线。《铁路规程》的条文说明中所给出的分类图和《土木规程》相同。

(6)

(7)

(8)

图4 《水运规程》土的工程分类[6]

《水运规程》分类在软土的划分上较为精细,以qn值将软土细分为流泥(qn≤0.08 MPa)、淤泥(0.08 MPa

3 工程实例

海太过江通道位于长江三角洲冲积及冲海积平原区,靠近三角洲平原近前缘地带,其地貌单元为长江河漫滩。场地内覆盖层主要为第四系淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉土、粉砂、粉细砂、粗砂、含砾石中细砂、含砾中粗砂等,覆盖层厚度大于300 m。海太过江通道在工程勘察阶段,采用多功能孔压静探测试技术(CPTU)进行地层的划分和土类判别,研究了土的原位状态和应力历史、变形、抗剪强度、水力传导特性等方面,与钻探成果进行对比验证,对场区工程地质条件作出定性定量评价。

由于贯入阻力是土强度及变形性质的综合反映,而端阻(锥尖阻力)又是最常用的一个参数。不同土层可能有相同的端阻,而孔压值和侧壁摩阻力可能大不相同。因而在划分土层时,在综合考虑土层的界面效应、曲线形态的基础上,以端阻为主,结合孔隙水压力、孔压参数比及摩阻比等参数予以划分,以同一分层内的触探参数基本相近为原则。

海太过江通道在使用CPTU划分土层时,以《土木规程》为主,参考其他行业规程和地方规程[5-12],总结出3点技术要求:① 优先使用孔压指标,以孔压u2和孔压参数比Bq值的突变点所在深度处为土层界面;② 使用土类指数Ic划分土层,在上、下土层过渡区域Ic=1.87,2.10,2.32,、2.65,2.90和3.45的点所在深度处为土层界面;③ 孔压变化不明显,则使用锥尖阻力、侧壁摩阻力和摩阻比,根据超前深度、滞后深度划分土层。

如表3及图5所示,实践结果表明孔压静探与钻孔鉴定岩土类别具有良好的对应关系,这对建立土层与原位数据的相关关系具有指导意义。

表3 CPTU基本数据

图5 CPTU曲线

4 结 论

随着中国静力触探测试技术的大力发展,岩土工程勘察类规范中的有关静力触探的条文规定更细致。为便于工程技术人员使用相关规范、突出需要注意的技术因素,综合相关标准中有关土层划分与工程分类的内容,得到以下结论。

(1) 基于静力触探确定土层界面时,应综合考虑地域经验、钻探等勘探成果、触探贯入曲线形态特征、触探参数数值相对大小,并应注意静力触探的土层界面效应。

(2) 静力触探用于土层划分与工程分类时,需要结合静力触探贯入曲线的形态,提高判识结果的准确率。

(4) 各标准中对触探参数数值相对大小、土层界面效应处理、土工程分类图等的具体规定有差异,在实际工程中优先采用工程项目要求的技术标准,并可参考其他标准。