刘先林，米德才

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029)

静力触探在广西花岗岩地区沟谷相软土的试验研究与应用

刘先林，米德才

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029)

文章以广西贵港至合浦高速公路项目为依托，开展了花岗岩沟谷相软土的静力触探试验工作，重点研究了静力触探在划分土层类别、估算地基承载力、不排水抗剪强度、土层变形指标、天然重度和判定塑性状态等方面的应用，总结和筛选了适用于该高速公路软基的触探经验公式，并基于现场试验数据，得出花岗岩地区典型沟谷相软土地层和水泥搅拌桩复合地基的承载力特征值，与现场荷载试验结果较为一致，同时通过对试验数据的线性回归分析，归纳了该地区的静力触探经验公式，可为类似工程提供参考。

花岗岩沟谷相软土；静力触探试验；地基承载力；经验公式；软基勘察；试验研究

0 引言

静力触探兼备勘探和测试的双重功能，与常规软基勘察方法钻探、取样、室内试验相比，具有操作省力、数据连续、指标可靠等优点，特别是针对地层变化较大的复杂场地，以及不易采取原状土样的流塑～软塑状淤泥、淤泥质粘土和饱和松散砂土地层的勘察，更具有独特的优势，能在原位状态下较好地反映软土竖直剖面方向上的物理力学性质及其变化规律，避免了软土在取样、运输、制样过程中的扰动和含水量减少[4][9]。

静力触探作为一种原位测试手段，在我国江苏、浙江、上海、广东等省份具有较为成熟的经验，但在广西公路勘察中却应用极少。笔者利用从事贵港至合浦高速公路施工后期服务的机会，结合软基施工中所遇到的问题和“广西公路软土处治技术标准化研究”课题，开展了典型软土地基的静力触探补充试验工作，较为深入地查明了沿线软土的特性，为软土施工动态优化设计提供可靠依据，取得了良好的效果，值得广西在后续高速公路软土地基勘察、设计、施工和检测中广泛推广应用。

1 基本原理与方法

静力触探试验的工作原理是用加压装置将触探头以一定的速率压入土体中，由于土层具有阻力，使探头受到一定的压力，利用探头中的阻力传感器，将土层的阻力转换为电信号，然后由仪表记录下来，因贯入阻力的大小与土层的性质有关，故通过贯入阻力即可了解土层的地质特性[7]。该方法适用于软土、粉土、砂土和含少量角砾或碎石的土层，按探头类型可分为单桥、双桥和带孔压的三种静力触探，主要相关设备包括加压装置(手摇式、齿轮机械式或液压式)、反力装置(地锚、堆重或车辆荷载)、记录仪(电阻应变仪、静探微机或自动记录仪)，以及与探头连接的探杆和电缆线[5]。

贵港至合浦高速公路软土补充勘察主要采用单桥和双桥探头，具体规格见表1。

静力触探用途广泛，可根据触探数据划分土层类别，估算地基承载力、预制桩单桩承载力、软土不排水抗剪强度、土层变形指标、饱和粘性土天然重度、砂土内摩擦角，判断粘性土塑性状态、砂土密实程度和砂土液化等方面。

表1 试验探头规格表

2 工程概况

贵港至合浦高速公路为广西“四纵六横三支线”高速公路网中“纵三”线三江至北海公路的主要构成路段，是黔、湘、桂重要的出海通道。路线全长约143.182 km，为双向四车道高速，设计速度120 km/h，路基宽度为28 m。线路主要途经花岗岩区域，沿线发育十分典型的花岗岩沟谷相软土，具有软土范围广、厚度大、物理力学性质差等特点，主要分布于山间沟谷或冲沟等负地形，由于地势低洼，地下水丰富，致使土质因长期受水浸泡而软化，并伴随着有机物的淤积而形成。该项目软基前期勘察以钻探、麻花钻、轻型触探、标贯等手段为主，每一沟槽均有控制点，其中K0+000～K92+642段软基勘察工作量详见表2[1]。

表2 软基前期勘察工作量表

沿线软土类型以饱和淤泥、淤泥质粘土、淤泥质砂土等，一般呈流塑～软塑状，厚度为2～6 m，局部达8 m。软土地基处治方案为清淤换填和水泥搅拌桩复合地基，其中清淤换填路段长约45.8 km，搅拌桩路段长约7.6 km，桩数约287 055根，桩长1 607 682 m，平均桩长约5.6 m。利用前期勘察与室内试验资料，对照《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》(JTG/T D31-02-2013)表3.1.5整理出贵合高速软土的软土鉴别指标如表3所示[6]。

表3 软土鉴别(特性)指标表

从表2可知，软土前期勘察做了大量的工作，但软土取样数量偏少，这说明软土取样条件差，大部分软土取不了原状土样；表3反映出场地软土各项指标变形范围较大，试验结果具有一定的离散性；同时，在不具备取样条件的位置，虽进行了大量的标贯试验，但标贯击数多在1～5之间，不足够以精确地判断软土的特性，这也反映出常规软土勘察方法存在的弊端。

3 静力触探成果应用与分析

3.1 静力触探与相关工作情况

为深入研究分析软土的特性和力学指标，确保贵合路软土处治质量，课题组选择了14段重点典型软土补充了静力触探和十字板剪切试验，科研路段还增加了钻探取样工作，静探进尺约420 m，十字板剪切约42组。实践证明，静力触探配合十字板剪切、钻探、标贯、取样使用的方法效果良好，相对于常规钻探勘察提供了更为准确的设计参数，使软土设计更加精细化和标准化。

3.2 静力触探划分土类

静力触探贯入阻力是土层的综合力学指标，可利用单桥比贯入阻力或双桥锥尖阻力随深度变化对土层进行力学分层和确定黏性土种类，具体详见表4和图1，分层时，应考虑静探曲线的形态变化，并结合地区经验和钻探情况综合划分[2]。

表4 按贯入阻力分层或确定黏性土种类表

图1 双桥触探参数划分土类图

通过对贵港至合浦高速公路沿线软土静力触探曲线与前期勘察资料及施工揭示地质情况的对比分析，发现不同软土地层的静探曲线形态具有如表5所示的特征和规律性，单桥比贯入阻力ps与双桥锥尖阻力qc一般为1.0～1.5倍关系，粘性土的双桥侧壁阻力fs一般在锥尖阻力qc右侧，砂性土的侧壁阻力fs一般位于锥尖阻力qc左侧，但土质不均的复杂地层两者多具有相互交错现象。

表5 贵合路典型软土层静探曲线特征表

3.3 静力触探确定地基承载力

静力触探能较为客观地反映地基土的承载力，是一种较好的确定地基承载力方法[7]。国内外通常是根据静探试验与荷载试验、室内试验、标贯等对比分析试验结果提出特定区域的经验公式，再利用经验公式确定地基承载力[4][5]，表6是经过笔者筛选后基本适宜贵港至合浦高速公路软土的经验公式。

表6 静力触探承载力经验公式表

3.3.1 静力触探确定典型软弱土层承载力

利用表6中经验公式对贵合路沿线软土的静力触探数据进行归纳、整理与分析，即可得到典型软弱土层的静探参数和承载力范围，总体表现为淤泥①和粘性土②规律性较好，而砂土层③和④由于分布不均匀，数据离散性相对较大，详见表7所示。

3.3.2 静力触探估算复合地基承载力

(1)静探试验条件

K71+520～K71+660段为水田，据钻探揭示，上层为灰、暗灰色软塑状冲积淤泥质粘土或淤泥质砂土，厚0.8～3.8m，其下为松散砂层，成分不均，局部夹薄层淤泥，软土平均厚约5.6m，以下为可～硬塑状砂质粘土或全～强风化花岗岩。

(2)估算桩间土承载力

该段软基处治方案为水泥搅拌桩，桩长6.5m，桩径50cm，桩间距1.3m，为研究复合地基的加固效果，分别进行了桩间土水泥搅拌桩加固前后的静力触探试验，双桥触探曲线见下页图2，利用表6经验公式估算桩间土承载力如下页表8所示。

表7 贵港至合浦高速公路软土层静探参数与承载力表

图2 复合地基桩间土加固前后静力触探曲线图

序号土层深度天然承载力(kPa)K71+580加固后承载力(kPa)K71+570K71+620100～10909589210～20577665320～30578590430～40789280540～50115142151

从表8可知，0～1.0m由于水泥搅拌桩施工铺设了填土垫层，具有一定承载力，1.0～4.0m为主要软土层，水泥搅拌桩施工后，桩间土承载力提高1.1～1.6倍，砂质含量较高的地方承载力最明显，可能为水泥浆沿含砂地层渗透所致。将表8的承载力试验数据加权平均，即可得出桩间土天然承载力为79.4kPa，加固后承载力为96.5kPa，平均提高1.2倍。

(3)确定复合地基承载力

水泥搅拌桩复合地基承载力一般通过现场单桩复合地基载荷试验确定，根据设计文件，该段复合地基承载力设计值为150kPa，对应极限荷载为300kPa。荷载试验参照《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)执行，荷载点频率为总桩数的0.2%，其中，K71+620处单桩复合地基荷载试验Q-S曲线如图3所示，取沉降板的沉降量S与直径d的比值等于0.01所对应的压力为承载力特征值，实测复合地基承载力特征值≥150kPa。

图3 K71+620复合地基荷载试验Q-S曲线图

同时，根据上述桩间土静探试验结果，复合地基的承载力特征值还可按公式(1)和(2)计算[10]：

(1)

Ra=ηfcuAp

(2)

式中，fspk——复合地基承载力特征值；m——面积转换率；Ra——单桩竖向承载力特征值；Ap——桩的截面积；β——桩间土折减系数(取值0.9)；fsk——桩间土承载力特征值；fcu——水泥土试块抗压强度平均值；η——桩身强度折减系数(取值0.3)。

根据设计参数：桩直径50cm，中间间距1.3m，即可计算得面积转换率为13.5%，桩身混凝土抗压强度fcu取2.0MPa(利用水泥搅拌现场抽芯和室内抗压强度结果)，由公式(2)得单桩承载力特征值为118kN，利用静探试验确定的表8数据加权平均可得加固后的桩间土承载力为96.5kPa，由公式(1)得复合地基承载力特征值为156.3kPa。

由此可见，只要桩身抗压强度(现场抽芯试验)、桩间土折减系数、桩身强度折减系数取值合理，单独利用静力触探也可较为准确地确定水泥搅拌桩的复合地基承载力特征值，而这些系数可以通过现场大量的试验数据统计分析出来。

3.4 静力触探确定不排水抗剪强度cu值

利用静力触探求饱和软粘土的不排水综合抗剪强度cu，目前主要是通过静力触探成果与十字板剪切成果对比，建立两者间相互关系，以求得cu值，常用相关公式详见表9[4]。

表9 软土cu与ps、qc经验公式表

通过对贵港至合浦高速公路软土静力触探和十字板剪切补勘数据分析，由于花岗岩沟谷相软土成分复杂，不均匀，淤泥、淤泥质粘土及细～中粗砂交错出现，故大多软土路段的十字板剪切强度较高，静力触探与十字板剪切数据相关性不明显，仅局部土质均匀的流～软塑淤泥质粘土两者具有一定的相关性。

将土质相对较均匀的软土场地中筛选15组静力触探ps值与对应深度的十字板剪切强度cu值进行一元线性回归分析，可得出关系图见图4。

图4 cu与ps散点及关系曲线图

通过图4的线性回归分析，利用最小二乘法原理，可得到贵港至合浦高速公路在均匀软粘土的不排水抗剪强度与静力触探关系经验公式：

cu=93ps-3

(3)

式中，50kPa≤ps≤400kPa，统计分析的相关系数为0.86，当cu≤10～15kPa时，公式(3)与表9中的经验公式计算结果较为一致，说明表9中的公式主要是根据极软粘土试验而得来。

3.5 静力触探确定土层变形指标

根据静力触探成果数据，可利用表10中的经验公式确定土层的压缩模量和变形模量等变形指标参数，结合贵合高速软土取样室内试验结果，主要软土层一般为1.67≤Es≤4.22[2-5]。

表10 土层Es、E0与ps经验公式表

注：Es为压缩模量，E0为变形模量。

3.6 静力触探判定粘性土的塑性状态

根据静力触探数据，结合软土室内试验的液性指数参数，可利用表11中的经验公式划分粘性土的塑性状态[2-5]。

表11 比贯入阻力与粘性土塑性状态关系表

注：Ps单位为MPa，IL为液性指数

从表11中可判断贵合路软土多呈流塑～软塑状，这与前期勘察成果资料一致。

3.7 静力触探估算饱和粘性土的天然重度

利用静力触探Ps值，结合贵合路的土质情况，可初步估算饱和粘性土的天然重度，详见表12[2-5]。

表12 比贯入阻力与饱和粘性土的天然重度关系表

4 结语

通过以上静力触探在贵合高速软基中的试验研究与应用分析，可以得出以下几点结论：

(1)静力触探是一种操作省力、试验指标可靠的原位测试方法，特别适用于软土、粉土和砂土等地层，值得广西公路勘察领域推广应用。

(2)在前期软土勘察基础上，施工期间补充了大量的静力触探试验工作，获取了淤泥及含砂淤泥质粘土的原位测试参数，解决了常规勘察方法取样困难、扰动、试验结果离散性大的问题，提供了更为准确的设计参数。

(3)结合贵港至合浦高速公路软基的实际情况，重点研究了静力触探在划分土类、地基承载力、不排水抗剪强度、土层变形指标、粘性土塑性状态、天然重度等方面的应用，为软基施工动态优化设计提供了直接依据，确保了工程建设质量。

(4)总结和筛选了适用的静力触探相关经验公式，并基于现场测试数据，通过线性回归分析，得出了贵港至合浦高速公路特有的静力触探关系式，可为后续类似工程提供参考。

(5)各经验公式均有一定的适用条件，故在工程应用中，建议优先采用适用当地的经验公式和经验表格，并结合钻探、土层室内试验物理力学参数、十字板剪切、标贯等指标综合考虑。同时，为进一步完善静力触探地区经验公式，还应继续开展不同类型软土的静力触探相关研究工作。

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Experimental Research and Application of Static Sounding in Ditch-Valley Phase Soft Soil of Guangxi Granite Region

LIU Xian-lin，MI De-cai

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Based on Guangxi Guigang-Hepu Expressway project，this article carried out the static cone pene-tration test work for granite ditch-valley phase soft soils，focusing on the application of static sounding in soil type dividing，foundation bearing capacity estimate，undrained anti-shear strength，soil layer deformation index，natural density，plastic state determination and other aspects，it summarized and screened the empirical sounding formula applicable to the soft foundation of this expressway，and based on field test data，it ob-tained the bearing capacity eigenvalue of typical ditch-valley phase soft soil layer and cement mixing pile composite foundation in granite region，which are almost consistent with the field load test results，moreover，through linear regression analysis of test data，it summed up the static sounding empirical formula of this area，which can provide a reference for similar projects.

Granite Ditch-valley phase soft soil；Static sounding test；Foundation bearing capacity；Empirical formula；Soft foundation survey；Experimental study

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.002

1673-4874(2015)04-0005-06

2015-03-06

刘先林，工程师，主要从事公路勘察设计工作。

交通科技项目“广西公路软土地基处治技术标准化研究”(201402 03)