基于静力触探数据的绍兴平原地区土层参数分析评价

吴早生 白浩东 胡春东 沙 鹏 黄 曼 张 鑫 王天佐

（1.华汇工程设计集团股份有限公司，浙江绍兴 312000；2.绍兴文理学院土木工程学院，浙江绍兴 312000）

0 引言

原位试验是岩土工程勘察中确定岩土体工程特性的重要手段，包括标准贯入试验、圆锥动力触探及静力触探等，其中静力触探具有快捷、经济、直观等优点[1]。静力触探设备从最早的机械式已经发展成为包括各种多功能探头的电测式设备，实现数字化的同时也能够测试更多的参数。近年国内正在研发和优化无缆静力触探设备[2-3]，将更加简化试验工序和提高工作效率。在静力触探设备发展的同时，理论研究也逐渐成熟，主要包括锥头贯入阻力分析理论、模型试验研究[4-6]和数值模拟[7]技术研究。随着设备和理论研究发展，静力触探在房屋建筑、铁路道路、地下空间开发及海洋工程等领域对获得土层工程性质指标和确定桩基参数都起到了重要作用[8-9]。总结分析静力触探参数与地层基本力学特性参数之间的关系具有重要工程意义。

国内已有多个地区根据不同理论、不同参数和不同模型推导出适合当地的经验公式[10]。针对江苏地区土质特性，基于静力触探参数进行了软土分层、判断砂土液化及黏土的固结与渗透等方面的研究[11-13]，并总结了岩土工程性质指标的计算公式[14]。么玉鹏等[15]采用孔压静力触探对珠江口地区岩土层工程地质特征及物理力学性质进行研究，总结了多个物理力学参数的经验公式。周剑波等[16]对开封地区静力触探的土层分类方法进行研究，得出在开封地区采用土类指数分层最为合适。在辽东、上海、合肥等地区都已形成符合当地工程地质条件的且较为成熟的经验公式，推进了静力触探应用研究在国内的发展。

由于各个地区土层的地质历史、气候环境及成因类型不同，因此每个地区的土质特性也不相同，在国内形成统一地基土参数的计算公式并不现实，通过静力触探研究不同地区的土质特性具有重要的实用价值。因此，研究静力触探参数在绍兴地区的应用具有一定的实用意义。本研究针对绍兴平原地区典型地层进行土层参数分析及评价研究，总结了不同土层的静力触探曲线特征，拟合了适合绍兴平原地区的静力触探参数与地基土的物理力学指标经验公式，以期服务绍兴市工程建设。

1 工程地质概况

绍兴市位于浙江省中北部，全境处于浙西山地丘陵、浙东丘陵山地和浙北平原三大地貌单元的交接地带，地层主要为第四系冲湖相、海相及湖沼相沉积物。根据绍兴市的地貌单元可将其分为3 个基本区，从北到南依次为滨海区、平原区和丘陵区[17]，如图1 所示。

本文针对绍兴平原区进行数据统计和参数研究。平原地区位于绍兴市偏北部，为泻湖湖沼平原区，主要分布在绍兴市越城区、上虞区和柯桥区界内，地貌主要为湖沼平原，属杭州湾南岸萧绍平原地貌。该区地层特点为：基岩埋深起伏大，局部淤泥质粉质黏土厚度较大，一般均超过15 m。

以地层的成因时代、岩性特征、埋藏条件及物理力学性质差异等作为工程地质层的划分依据，结合区域地质资料和地质调查测绘成果，并考虑到静力触探的适用性，将绍兴市平原区的岩土层划分为7 个工程地质层组，分别用①-⑦表示，具体各层土的特征见表1。其中：①、②属于全新统上组（Q43），③属于全新统中组（Q42），④、⑤属于全新统下组（Q41），⑥属于上更新统上组（Q32），⑦属于上更新下组（Q31）。对同一时代中不同成因、岩性的地层，进一步细分为工程地质亚层。

表1 绍兴市平原地区土层特征表

2 静力触探现场试验

2.1 试验设备

静力触探试验采用LMC-D310 型静探设备，该设备由履带式静探车、双桥静力触探探头、探杆及贯入装置等组成。双桥静力触探探头尺寸符合《岩土工程勘察规范》（GB 50021-2001）要求[18]，锥底直径为43.7 mm，摩擦筒长度218.5 mm，摩擦筒侧面表面积300 mm2，锥底截面积15 cm2。通常静力触探试验是通过人工手持水平尺来判断探头贯入方向是否倾斜。采用人工测量容易产生误差，可能导致测得的锥尖阻力和侧摩阻力数值不够准确，影响土层判别；不能够实时掌握探头的偏离角度，探头若发生偏离，则探头与探杆连接处就会产生力矩，且角度越大，力矩越大，很容易导致探头受力因超过其承受能力而报废甚至折断。因此，在探头与探杆连接处配置了一个倾角传感器模块，该倾角传感器选用加速度计与陀螺仪结合的专业姿态角度测量模块，能够实时监测探头在贯入过程中的倾斜角度，同时，设置角度报警值为8°，确保静力触探试验数据采集准确及保护设备不被破坏（见图2）。

图2 静力触探设备及角度监测

2.2 现场试验方法

静力触探试验时由履带式静力触探车的自重提供反力，且设备能够在贯入深度较大时通过下地锚增加反力，探杆匀速垂直压入土中，贯入速率为1.2 m/min，当贯入深度为0.5～1.0 m 时，提升探杆5 cm，要求量测仪无明显温漂后记录初值和调零，才能正式贯入。当贯入深度超过30 m，或穿过厚层软土后再贯入硬土层时，采取措施防止孔斜或断杆。每完成一个静探孔，都将探头卸下进行泥沙冲洗，防止出水孔堵塞。

2.3 试验场地

此次试验在平原地区共选取8 个场地（上虞区3 个，越城区2 个，柯桥区3 个），共150 个静力触探孔，且所选场地土层均包括本前述典型土层，具体位置见图1。

3 基于静力触探典型土层划分

3.1 静力触探参数曲线分析

从试验孔中选取其中一个具有绍兴市平原地区典型土层特征的静力触探孔，其贯入过程中具体参数变化如图3 所示。

图3 静力触探参数曲线

（1）在贯入地面后，锥尖阻力和侧摩阻力均发生激增，其中侧摩阻力在1.1 m 处达到这个阶段的极值81 kPa，随后整体呈下降趋势，端阻力则历经两次激增后呈下降趋势，在3 m 左右达到稳定状态，在这个阶段整体波动较大，无明显规律，符合杂填土土质性质差异较大、均匀性差的特征。

（2）锥尖阻力和侧摩阻力在3～8 m 整体处于平稳状态，随深度增加变化不大，且数值较上个阶段减小，锥尖阻力维持在0.6～2.3 MPa，摩阻比在1.0%左右波动，证明土层均匀性有所提高，且土层较软，表明土体为黏质粉土。

（3）贯入深度达到8 m 时，侧摩阻力有短暂的激增，考虑到土层中存在变异性和时间较短，故不做分析，9.1～17.4 m 锥尖阻力和侧摩阻力均存在明显的降低，且侧摩阻力呈下降趋势，摩阻比明显增加，特征表明该土层为淤泥质粉质黏土。

（4）17.5～25.2 m 随着深度的增加，锥尖阻力呈缓慢增加趋势，侧摩阻力在18.6 m 急剧增大，达到56.1 kPa 后又急剧下降到18.1 kPa，随后呈缓慢增加趋势，考虑激增原因与（3）相同。

（5）侧摩阻力在25.3～30 m 有激增和下降的过程，锥尖阻力随深度的增加也有明显增大，表明土层可能含有砂质夹薄层，随后锥尖阻力呈平稳趋势，侧摩阻力存在波动，摩阻比也存在突起现象，特征表明为该段土层为粉质黏土。

（6）从34 m 开始至42 m，阻力值皆呈平稳状态，其中锥尖阻力均值为1.40 MPa，侧摩阻力均值为23 kPa，摩阻比也较稳定，符合黏土特征。

（7）当贯入深度达到42.4 m 时，阻力值突然急剧增大，随后开始波动且幅度较大，区间内阻力值的最小值也远远大于之前贯入过程，充分表明了该段土层为粉细砂层。

3.2 典型土层划分的静力触探参数统计

通过对上述150 个静探孔的数据进行整理、筛选、分析，结合岩土勘察资料，对绍兴平原地区的典型土层进行了静力触探参数统计，部分数据见表2。

表2 粉土静力触探参数

黏质粉土土层局部黏粒含量较高，变相为粉质黏土。由表2 可得出，②-1 黏质粉土（Q4l-h）土层锥尖阻力qc分布范围为0.62～2.47 MPa，平均值为1.68 MPa，侧摩阻力fs分布范围为11.4～40.8 kPa，平均值为28.39 kPa，摩阻比Rf的分布范围为0.7%～2.4%，平均为1.72%。②-2 黏质粉土（Q4l-h）土层锥尖阻力qc分布范围为0.63～1.51 MPa，平均值为1.16 MPa，侧摩阻力fs分布范围为7.9～21.3 kPa，平均值为12.80 kPa，摩阻比Rf的分布范围为0.8%～1.7%，平均为1.12%。

淤泥质粉质黏土（Q4m）含较多腐殖质，局部为淤泥、淤泥质黏土，其静力触探参数统计见表3。由表3可得出，淤泥质粉质黏土土层锥尖阻力qc分布范围为0.50～0.84 MPa，平均值为0.70 MPa，侧摩阻力fs分布范围为10.2～14.2 kPa，平均值为12.10 kPa，摩阻比Rf的分布范围为1.4%～2.3%，平均为1.84%。

表3 淤泥质黏质粉土静力触探参数统计

粉质黏土土层局部为黏土，其静力触探参数统计见表4。由表4 可得出，粉质黏土（Q4al-l）土层锥尖阻力qc分布范围为1.79～2.70 MPa，平均值为2.32 MPa，侧摩阻力fs分布范围为48～69.6 kPa，平均值为54.76 kPa，摩阻比Rf的分布范围为2.1%～2.9%，平均为2.36%。粉质黏土（Q4m）土层锥尖阻力qc分布范围为1.04～2.02 MPa，平均值为1.70 MPa，侧摩阻力fs分布范围为23.4～45.6 kPa，平均值为31.08 kPa，摩阻比Rf的分布范围为1.6%～3.3%，平均为1.81%。黏土（Q3m）土层局部软可塑，土层锥尖阻力qc分布范围为1.23～1.68 MPa，平均值为1.43 MPa，侧摩阻力fs分布范围为19.1～23.4 kPa，平均值为21.1 kPa，摩阻比Rf的分布范围为1.2%～1.8%，平均为1.47%。

粉细砂层级配较差，局部相变为粗砂、砾砂，局部粉黏粒含量较高，其静力触探参数统计见表5。由表5 可得出，粉、细砂层（Q3al）土层锥尖阻力qc分布范围为14.31～22.13 MPa，平均值为17.5 MPa，侧摩阻力fs分布范围为80.6～140.2 kPa，平均值为105.3 kPa，摩阻比Rf的分布范围为0.4%～0.8%，平均为0.6%。

表5 砂层静力触探参数统计

将上述表格和参数统计进行整理得到绍兴市平原地区土层划分范围，如表6 所示。绍兴市平原地区静力触探参数平均数值与土层种类的关系比较明朗，整体表现为土层越硬，阻力值越大，摩阻比越小。通过对比《岩土工程勘察规范》（GB 50021-2001）和《工程建设岩土工程勘察规范》（DB33/T 1065-2009）中锥尖阻力和摩阻比的划分范围，本次统计的值域范围较小，对绍兴市平原地区的土层划分更加精确。

表6 绍兴市平原地区土层划分范围

4 静力触探参数的经验应用研究

通过收集绍兴平原地区土工试验数据及静力触探资料[19-20]，归纳分析本地区静力触探锥尖阻力qc与黏性土（粉质黏土和黏土）的液性指数IL、压缩模量Es和黏聚力c的相关关系，同时进行了单桩承载力估算，并拟合出相关经验公式。

4.1 黏性土的液性指数IL 与锥尖阻力qc

液性指数所表现的为土的软硬程度，因此与静力触探的阻力值参数存在相关性，总结分析静力触探锥尖阻力qc与黏性土的液性指数IL的相关关系如图4（a）所示。可以看出，qc与IL呈负相关线性关系，拟合得到经验公式为：

图4 研究区静力触探参数与地基土物理力学指标关系

决定系数R2=0.91，故相关性显著。

4.2 黏性土的压缩模量Es 与锥尖阻力qc

土的压缩模量直接表现为土的压缩性，作为判断图土的压缩性和计算地基压缩变形量的重要指标之一，分析锥尖阻力与其之间的关系也具有重要意义。静力触探锥尖阻力qc与黏性土的压缩模量Es的相关关系如图4（b）所示。由图可以看出，锥尖阻力主要以1.0～2.5 MPa 为主，且qc与Es呈正相关线性关系，拟合得到经验公式为：

决定系数R2=0.87，故相关性显著。

4.3 黏性土黏聚力c 与锥尖阻力qc

黏聚力的测试方法为固结快剪，静力触探锥尖阻力qc与黏性土的黏聚力c的相关关系如图4（c）所示。由图可得出，黏聚力分布区间为 14～20 kPa，锥尖阻力以 0.2～2 MPa 为主，且qc与c呈正相关线性关系，拟合得到经验公式为：

决定系数R2=0.88，故相关性显著。

4.4 单桩承载力估算

单桩承载力估算可根据浙江省标《建筑地基基础设计规范》（DB33/T 1136-2017）推荐的公式进行计算[21]：

式中：Ap为桩底端横截面面积，m2；qpa、qsia为桩端阻力特征值、桩侧阻力特征值，kPa；up为桩身周围长度，m；li为第i层岩土厚度，m。

国内确定桩端阻力的取值范围如表7 所示[22]。根据绍兴平原地区的特点，取桩端阻力值为桩端平面以上4D和桩端平面以下1D的锥尖阻力的平均值（D为桩端直径），再对两个值进行平均。对桩侧阻力特征值与静力触探侧摩阻力进行非线性拟合，得到qsia与fs的关系如图4（d）所示。由图可得出，侧摩阻力范围与上述统计黏性土范围基本相同，桩侧阻力特征值主要分布在7～34 kPa，且qsia与fs呈非线性指数型关系，拟合得到经验公式为：

表7 国内静力触探锥尖阻力确定桩端阻力取值范围

决定系数R2=0.89，故相关性显著。

5 结论

（1）总结了绍兴市平原地区7 个典型工程地质层组，自上而下依次为杂填土、黏质粉土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土（Q4al-l）、粉质黏土（Q4m）、黏土（Q3m）和粉细砂层，给出各层组埋深、层厚及基本特征。

（2）结合一个含有典型土层的静力触探孔，经对静探参数曲线分析发现：①在杂填土贯入过程中，阻力值多次激增和速降，整体波动较大，无规律；②贯入淤泥质粉质黏土过程中，阻力值都会有明显的下降，其中锥尖阻力保持在0.5～0.8 MPa；③粉质黏土贯入过程中的特征表现为锥尖阻力和侧摩阻力值随着深度增加明显增大，且波动较大，其中摩阻比在1.6%～3.3%波动；④粉细砂层贯入过程的特征表现为阻力值突然急剧增大，随后开始波动且幅度较大，区间内阻力值的最小值也远远大于之前贯入过程。

（3）通过归纳总结150 个静力触探孔数据，对绍兴平原地区经典土层划分的阻力值和摩阻比的区间进行更加精确的划分。

（4）在黏性土范围内，归纳分析本地区静力触探锥尖阻力qc与黏性土的液性指数IL、压缩模量Es和黏聚力c的相关关系，进行了单桩承载力估算，并拟合出相关经验公式。