静力触探应用

静力触探试验在工程勘察中的应用贾文华11 前言静力触探试验简称CPT，是岩土工程勘察使用最广泛的原位测试方法之一，其基本原理是利用静力将一定规格带有电阻应变片的探头压入土中，在贯入过程中使土层发生剪切破坏，在探头上反映的作用力就是该土层的极限破坏强度，通过特定的仪器将电信号转换成贯入力进行记录，形成一条或数条随深度变化的曲线，由于贯入阻力的大小与土的性状和类别有关，通过相关的经验公式，可以间接得出土层的承载力、模量等地基基础设计参数。

CPT的发展与社会科技发展水平相伴随，在我国大体经历了三个阶段。

初期试验加压系统为螺旋丝杠机械式，使用电阻应变仪记录贯入力，每10cm人工记录一次；这期间已出现了双桥探头，时间大致是七十年代至八十年代初。

第二阶段重要的标志是记录系统使用了可以自动记录的电子电位差计，能够连续记录土层随深度变化的贯入力曲线，加压系统也改用液压加压，贯入能力大为改进。

在研究领域，能同时测量孔隙水压力的三桥探头开始出现。

可以说，上世纪八十年代～九十年代是静力触探试验大发展的时期，各个地区和系统在普及应用的基础上，推出了大量的经验公式；同期的研究资料很多，并列入当时国家和地方的规范规程。

第三阶段大致从九十年代初开始，最显著的进步是使用数字化仪器采集存储数据，并与一些勘察软件兼容对接，实现在微机上进行绘图、统计及分层等内业资料处理工作，工作效率和精度都有很大的提高。

近三十年来，我院的CTP应用紧随这项技术发展步伐，在同行业中处于先进水平，特别是从九十年代中期开始，在本地区率先使用第三代仪器，具有显著的技术优势。

相信随着广大技术人员应用水平的提高，这种原位测试方法在我院勘察主业中会发挥越来越大的作用。

2 CPT的特点及应用现行《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）第三章3.0.3条第二款规定：地基评价宜采用钻探取样、室内土工试验、触探，并结合其它原位测试方法进行。

并明确指出，不论地基基础设计等级如何，触探都是一种不可缺少的勘察手段。

但在实际工作中，并非采用了任何一种触探就能满足规范的要求，应考虑几种不同触探方法适用条件。

一般情况下，重型、超重型动力触探（DPT）适用于碎石土，标准贯入试验（SPT）在砂土地层中使用最为有）对浅层的新近沉积土及素填土适用。

而CPT的适用范围较之上述手效，轻型动力触探（N10段更为广泛，可以用于除碎石土以外的各类地层，在一般粘性土、粉土、软土、新近沉积土、素填土和各类砂土地层中均可以使用，除此之外，CPT还具备以下几个显著的特点：1. 中国兵器工业北方勘察设计研究院1）可以连续贯入，精度可达0.10m，试验结果可信度高，基本不存在其他触探方法的人为干扰因素。

2）采用数字化自动采集系统，能够在计算机上直接处理成果资料。

3）试验成本较低，效率约为常规钻探的一倍，耗费仅是技术钻孔的二分之一左右。

4）除连续记录土层的力学性质外，还可以进行地层划分。

该方法的主要缺点是不能直接观察地层，仍属于间接的模拟试验，并且对地区经验依赖较大。

有关CPT设备规格以及现场操作规程，从事试验的人员必须熟练掌握，使用资料的技术人员也应有所了解。

具体内容可参见手册或规程，本文不再详述。

在制定勘察方案阶段，应用CPT首先要考虑场地和地层条件，在有经验地区，可以单独使用静探孔，否则，应作一部分对比孔，在满足勘察深度要求条件下，静探孔可视为技术孔。

对于条件适宜的建筑群或平原地区规模较大的建筑场地，静探孔可占勘探孔总数的三分之一，且不少于六个，对单栋建筑勘察，至少不少于三个；试验深度与其他勘探孔要求一致，应大于3倍条形基础最大宽度（或1.5倍矩形基础最大宽度）加基础埋深；对要求变形验算的勘察对象，试验深度应满足变形计算要求。

3 验资料的处理与整理按照国家现行规范要求,试验或测试数据在参加统计时，样本个数不少于6个。

对CPT 指标而言，每个试验孔的各层试验指标为一个子样，其指标的代表值采用标准值。

以锥尖阻力qc为例：先计算某一层位参加统计的qc 平均值μ、标准差σ和变异系数δ，然后计算qc的统计修正系数ΨqcΨqc=1-[1.704/SQRT(n)+4.678/n2]]·δ锥尖阻力标准值qck =Ψqc·μ在统计样本数量方面，除上述国家规范规定外，《河北省建筑地基承载力确定技术规程》（送审稿）另有细化规定：对单栋建筑物，不宜少于3个。

这主要是针对小规模的单栋建筑勘察而言，在此情况下，数据的统计可参照载荷试验统计方法，在满足各子样值极差不超过其平均值30%时，取平均值作为代表值。

但依笔者经验，由于试验数据个数少，出现偶然性事件的概率比较大，取其最小平均值，即平均值与最小值之和的二分之一，作为该指标的代表值为宜。

另外，在进行统计之前，应对各个子样的曲线特征逐一考察分析，剔除其中的异常因素。

最常见的是，在某些层位中夹有坚硬土薄层或碎石、姜石等刚性块体，表现在试验曲线上，就会出现凸起的峰值，其中的高点是硬夹层或块体引起的异常值，不能代表该层的自然属性，应该予以剔除。

而目前使用的分层统计软件，在给出某一地层下限时，计算机不能判断这种异常，只是按照10cm的步长统计出该层的算术平均值，其中包含着这部分异常成分，这就造成了子样数值偏高的现象，在此基础上统计出的代表值也就或多或少地失真。

要解决这个问题，可以从两方面入手，一是人机对话分层时，将峰值出现的深度上下限作为强制分层界限，以此排除出异常值，然后将有代表性的若干小层进行平均得出该子样的的平均值，这个过程繁琐一些，但精度较高。

另一种方法是在已完成的分层柱状图上，用比例尺按比例量出具有代表性的数值，而不管峰值的大小及个数，这样精度要差一些，但比较简单实用。

与上述峰值型曲线相反，有时在一个比较厚的层位中也会出现异常的小值，曲线上表现为凹形，对此要进行综合分析，如果是在相近的标高有规律的出现，则可能是一软弱夹层，一般情况下，当夹层厚度大于0.3m ，应将其单独分为一薄层或透镜体，如果只是偶然出现或不属于软弱土层，则可以忽略不计。

4 划分地层用CPT 划分地层,是该项试验的主要功能之一，在有成熟经验地区，用CPT 方法划分层位，其精度和可靠性比钻探分层还要高。

对缺乏经验的勘察场地，应有一定数量的对比孔，从已知曲线的对比结果推算单孔的地层。

以目前最常用的双桥探头分层为例，通过试验得出二组数据，锥尖阻力q c （单位：MPa ）和侧壁摩阻力f s （单位：kPa ），由此间接计算出摩阻比R f =f s /q c *100%（分层软件自动计算）。

分层时，摩阻比R f 是最重要的指标，其次是锥尖阻力q c ，使用这两个参数，就可以比较准确地划分各类不同的地层。

在实际工程中，一般可将土层分为四类：软土（淤泥和淤泥质土），粘性土（包括粘土和粉质粘土），粉土，砂土。

这四类土层反映特征是：锥尖阻力q c 依次增大，摩阻比R f 则相反，呈依次减小的趋势。

将这一规律加以量化，结合本地区多年的工程经验，归纳出以下的分层准则。

表1给出了一般性的分层标准，具体应用时，对R f 和q c 两个指标既要同时考虑，也要有所侧重。

比如，当q c ＜1.0 MPa 时，即使R f 值异常，也可以界定为软土；对R f ＜1.2的地层，极松散的砂土可能q c 达不到标准，但仍可将划为砂土。

总之，在用静探分层时，应遵循的原则是：有对比孔资料时，分析对比孔相同层位的曲线特征，包括R f 和q c 两个指标的量化反映，以此为参考推断单孔地层的归属。

如果是单独的静探孔，砂土以R f 为主要判别依据，软土则主要看qc值；而对于最常见的粘性土和粉土，界定起来比较复杂一些，对一般冲洪积成因的土层，粉土的Rf 一般小于2.5，而qc多高于粘性土。

另外，在确定分层界限时，还要考虑“提前”和“滞后”效应，这是由探头剪切破坏机理所决定的，当探头从坚硬土层进入软土层或相反时，在试验曲线上会有提前或滞后的反映，这个距离一般为0.1～0.2m。

所以，分层时要考虑这一因素，将界限上移或下推相应的距离。

5 试验指标的应用早期使用的单桥探头获取的测试结果为比贯入阻力Ps，近年来，普遍使用了双桥探头，测试指标是锥尖阻力qc 和侧壁摩阻力fs。

有对比资料显示，在相同的地层中，Ps略大于qc，二者的关系约为Ps≈1.1qc。

在应用经验公式时，有不少是基于比贯入阻力Ps的经验公式，在此情况下，可认为Ps≈qc，这样做有一定的安全储备。

经过多年经验积累，静探指标与土的物力性质及参数之间已建立了不少经验公式，应用范围十分广泛。

归纳起来，大致有以下七个方面：1）确定地基土承载力；2）确定土的压缩摸量ES 或变形摸量EO，3）推算砂土的相对密度；4）估算砂土的内摩擦角；5）估算饱和软粘土的不排水剪强度Cu；6）判别饱和砂土和饱和粉土的地震液化；7）估算单桩承载力。

除此之外，有关的经验公式还很多，可详见《工程地质手册》和《岩土工程试验监测手册》相关章节，本文不再列举，现仅就石家庄地区常用承载力和模量的地区经验作一介绍。

粉质粘土或粉土 f=36.1*（10*qc）0.481………①ES=4.37* qc – 2.03砂土 f=20.0*（10*qc）0.51ES=1.5 * qc式中f0单位：Kpa ；ES、qc 单位均为Mpa 。

经多年工程实践检验，该经验公式具有一定的使用价值，安全系数比较高。

除此之外，《河北省建筑地基承载力确定技术规程》（送审稿）按不同的土类，给出了以下的经验数据。

软土承载力特征值表相比较而言，表2、表3给出的值比公式①计算结果偏高，使用时应谨慎考虑。

还应注意的是，在一个新的地区开展勘察工作时，要认真收集当地的地区经验，对于某些物理指标（如塑性指数）相似的土层，由于成因、结构不同，反映在土的计算参数上，也会产生较大的差异。

可以说，没有一个公式是万能的，可以反映所有地区土层的力学属性；从这个意义上讲，地区经验就显得尤为重要。

6 操作程序与步骤为便于技术人员应用CPT结果，列出具体的操作流程如下：1）制定勘察方案，配置静力触探孔，要考虑勘察场地和地层的适宜条件，并注意与其他类型的勘探孔间隔分布。

2）按照方案实施野外测试，完成后将采集数据输入电脑，剖面图单独成图使用ZZT1软件，与理正等勘察软件对接时用ZZT2。

打印原始曲线，提交工程负责人进行分层，然后在ZZT平台上输出柱状图或在理正等软件上输出带有曲线的剖面图，作为勘察报告的成果图表。

3）进行指标分析统计，每孔的每层为一个样本，先分析样本可靠性，剔除或处理其中的异常值，然后按本文第3节进行统计计算。

4）选择适宜的经验公式，将统计得出的代表值代入，求解承载力、模量等参数。

通常情况下，一个工程勘察项目会有多种手段，确定承载力等设计参数时，应考虑各种手段方法的可靠程度、影响因素并结合地区经验综合确定,在分析不同的方法在某一特定地层的适用性基础上，按不同的权重有所侧重。