旁壓試驗和靜力觸探成果分析0前言工程勘察作為工程施工的重要組成部分，需要為工程施工和使用期間提供全面的工程指標，確保工程設計方案安全、經濟、合理，為施工的順利進行提供保障。巖土工程勘察應提供各項巖土性質指標，巖土的強度參數、變形參數、地基承載力的建議值等。原位測試是獲許這些相關信息的重要手段之一。1旁壓試驗旁壓試驗可用于確定土的臨塑壓力和極限壓力，以評定地基土的承載力；自鉆式旁壓試驗可確定土的原位水平應力或靜止側壓力系數；估算土的旁壓模量、旁壓剪切模量、側向基床反力系數，估算軟粘性土不排水抗剪強度以及估算地基土強度、單樁承載力和基礎沉降量等。旁壓試驗得到的土體壓力與變形的對應關系，用曲線有幾種表示方法。即壓力-孔壁土被壓縮的體積變化量，P-V曲線；壓力-孔徑徑向變化值，P-r曲線；壓力-表示孔壁土體積壓縮的測管水位下降值，P-s曲線。這些曲線所表示的含義是一樣的，它們之間有固定的轉換關系。從物理概念講P-V曲線和P-r曲線更明確。同時考慮到利用旁壓孔穴體積增加一倍確定極限荷載和計算旁壓模量Em的方便，本次詳勘階段采用P-V曲線比較合適，試驗成果圖如圖1所示。通過P-V曲線圖，我們可以求取出旁壓試驗特征值。主要包括P0—地層原始水平壓力、Pf—臨塑荷載、P1—極限荷載，并通過公式求出旁壓模量Em。本次試驗報告結果已直接給出P0、E式中：Em----μ----土的泊松比；Vcm----P—?P?V通過這幾個特征值，可以進一步計算出巖土工程性質的一些相關參數。圖1旁壓試驗成果示意圖1.1旁壓試驗成果計算（1）確定粘性土的不排水抗剪強度C（2）確定砂土內摩擦角?=（3）確定旁壓剪切模量G式中：Vc----V0----P—V曲線的直線段延長與V軸相交，其交點定義為V?V----旁壓曲線直線段體積增量；?P----旁壓試驗直線段壓力增量。（4）確定地基承載力1．采用旁壓臨塑壓力f式中：fka----地基承載力標準值P0----Pf----λ----臨塑壓力修正系數，取0.7~1.0。2．旁壓試驗求出的地基承載力極限值fu可按式（1.6）計算，并按式（1.7K式中：K0----Ip----b．用P0靜止側壓力系數是原始應力狀態下水平向主應力與豎向主應力之比。針對旁壓試驗定義為：K式中：γ----土的容重；h----地表到旁壓器中心的距離；u----孔隙水壓力。2靜力觸探根據靜力觸探資料，利用地區經驗，可進行力學分層，估算土的塑性狀態或密實度、強度、壓縮性、地基承載力、單樁承載力、沉樁阻力，進行液化判別等。根據孔壓消散曲線可估算土的固結系數和滲透系數。2.1靜力觸探結果分析2.1.1土的物理指標（1）地基土的密度1．砂土的相對密度大量的研究表明：對各類砂土，相對密度、原始有效應力及貫入阻力之間沒有一個確定的關系，因為其他因素如土的壓縮性也影響貫入阻力。倫納等對中細石英砂通過室內三軸標定罐的實驗，建議：D式中：qc----適用于正常固結的干砂，也可用于飽和砂。肖爾曼建議DrD對于超固結的砂土，可用肖爾曼所建議的方法，將原位超固結的砂土qc值轉換為正常固結的端阻qq式中：qcncqcocOCR----超固結比，OCRβ其中kcockcnc肖爾曼建議β取0.42；倫納建議β取0.45。（2）土的天然重度國內外實驗研究表明，比貫入阻力Ps與砂土的γd、Drγ=γ式中：n----土的孔隙率，n=1-γGs----Sr----γw----對飽和土，Srγ=γ由于造巖礦物的Gs差別不大，對粘性土而言，Gs均在2.7左右；γw可恒取10KN/m3γ≈0.既然在一定條件下，γd與Ps有良好的對應關系，則Ps與γ的統計關系也就存在。《鐵路工程地質原位測試規程》（TB10018-2003）第10.5.8Ps<400kPa≤P4500kPa≤P（3）粘性土的稠度粘性土的稠度表征其軟硬程度，因而與貫入阻力存在相關性。這方面的經驗成果如表1所示。表1用比貫阻力P判定稠度狀態表公式來源經驗公式適用條件原北京綜勘院IPs武漢冶勘公司I粘土、亞粘土鐵四院1PsPPs（4）土的強度參數1.粘性土的不排水抗剪強度C探頭在飽和粘性土中貫入時，土體處于不排水條件（?=0），其不排水抗剪強度CuC式中：qc----σ0----Nk----研究資料表明，由于地區性土質性狀的差異以及研究者取得Cu試驗手段的不同導致了Nk變化幅度較大。國外一些研究成果見表2。國內研究成果見表表2靜力觸探估算粘性土的不排水抗剪強度關系式土類來源建議者N=11+飽和粘性土（各向同性，無應變軟化）理論（穩定流）Baligb(1975)N=1.33線彈性應變硬化孔穴擴張理論Vesic(1975)N=4.5~5.8應變軟化孔穴擴張理論Ladanyi(1967)N非裂隙性超固結粘土CuKjekstad(1978)Nk=5~21;

N軟~中等粘土Baligb(1980)Nk正常固結海相粘土CuLunne和Kleven(1981)NCuJamiolkowski等(1982)表3不排水抗剪強度Cu與qc、關系式土類來源建議者C理論華東電力設計院Cq濱海相軟粘土Cu同濟大學CP飽和軟粘土Cu武漢聯合研究組四川建研所C上海、廣州軟粘土q經驗四川建研所C天津新港軟粘土P交通部一航院C天津新港軟粘土鐵三院CSt《鐵路工程地質原位測試規程》注：由于十字板實驗的剪切速率較地基負荷后產生的剪切變形速率快得多，建議設計時對由十字板實驗得到的Cu乘以0.9折減系數（2）砂土的內摩擦角?大量資料表明，砂土的Ps值與內摩擦角?有良好的相關性，不同類別的砂土其關系不盡相同。鐵道部科學研究院及長沙鐵道學院的研究表明：用單一指標Ps（或qc《鐵路工程地質原位測試規程》（TB10018-2003）第10.5.12提出了可按表4估算砂土的內摩擦角?。表4按比貫入阻力Ps估算內摩擦角Ps12346111530?(°)2931323334363739（3）土的變形參數1.粘性土的壓縮模量E一般均表示為E式中：a----經驗系數。米切爾和格登匯總了桑格瑞特等的a值列于表5。表5各種土類的a值土類qca低塑性粘性土(CL)<77~20>203~82~51~2.5低塑性粘性土(CL)<20>201~33~6高塑性粉土和粘性土(MHCH)<202~6有機質粉土(OL)<122~82.粘性土的變形模量E粘性土的變形模量E0和Es屬排水固結性質的模量，與不排水的qc國內有關估算粘性土的變形模量E0的經驗關系見表表6估算粘性土的E0單位經驗關系適用范圍適用土類武漢聯合實驗組EE0.3≤P3≤P淤泥、淤泥質土、一般粘性土老粘性土原北京綜勘院EEEPPP淤泥、淤泥質土、一般粘性土一般沖積土粉土鐵一院EEEEE0.5≤P0.5≤P0.5≤P1≤P1≤P新近沉積土（Ip粘性土及新近沉積土（Ip新黃土（東南帶）新黃土（西北帶）新黃土（北部邊緣帶）鐵四院E0.085≤P軟土、一般粘性土國外對這方面的報道很少，僅前蘇聯CH-448-72規范中，對有機質含量<10%的粘土和粉質黏土，提出下式估算：E3.飽和粘性土的不排水楊氏模量Eu《鐵路工程地質原位測試規程》（TB10018-2003）第10.5.19規定，對Ps≤1.MPaE式中Eu為剪應力水平大50%4.砂土的壓縮模量Es、初始切線模量Eia.壓縮模量E常用的估算砂土的壓縮模量EsE式中a為1.4~4.0，低a值用于正常固結砂土。《鐵路工程地質原位測試規程》（TB10018-2003）第10.5.18提出了估算砂土Es的經驗值，見表7表7按比貫入阻力Ps估算砂土壓縮模量Ps0.50.711.31.82.534Es2.6~5.03.5~5.44.1~6.05.1~7.56.0~9.07.5~10.29.0~11.511.5~13.0Ps56789111315Es13~1515~16.516.5~18.518.5~20.020.0~22.524.0~27.028.0~31.035.0b.初始切線模量E對正常固結的砂土倫納等提出：qc<1010<qcqc>50對超固結砂土（OCR>2），則qc<50qc>50以上兩式中qc、Ei的單位均為C.變形模量E可參照表8估算。表8估算E0提出單位關系式說明鐵一院E粉、細砂遼寧煤礦設研院E中、細砂2.1.2樁基承載力理論計算和實踐經驗表明，靜力觸探所測的參數不能直接作為樁的承載力，必須加以修正，修正的方法主要分以下兩類：第一類首先根據靜力觸探測試結果通過回歸分析和土的某一個強度指標如不排水抗剪強度Cu（或Su）、有效垂直應力σ第二類采用半經驗、半理論的修正系數方法，根據試樁資料和靜探指標綜合分析，通過不同的修正方法將觸探的錐尖阻力或錐尖阻力和錐側阻力根據土的分類、土的埋藏深度等與樁的端阻、側阻分別建立修正函數關系，因為靜力觸探和樁的應力場的不同，靜力觸探指標和樁端側阻的修正函數國內外一般選取的是土的強度的遞減函數。國外近期的大部分成果和國內所有成果基本上采用本方法實現靜力觸探參數和樁的承載力轉換。2.1.3國內外研究成果對于工程應用來說,需要確定土的工程性質主要可歸結為四個方面：土的初始狀態；變形特性；強度特性(抗剪強度)；滲流與固結。表9是國際CPT成果應用及其可靠性一覽表。表10是我國CPT成果應用情況表。通過上述對比不難發現,我國CPT技術的應用與國外有較大差距:國際CPT測試成果在確定土工程性質的四個方面均有應用,且成果一致性和可靠性穩定。指標方面，我國主要用qc、fs、ps，而國外則已普遍采用Bq、Rf表9國外CPT應用及可靠性注：表中fs為側阻力；qc為錐尖阻力；u為由CPTU測得的孔隙水壓力(u2);Rf=fsqc×100%，為摩阻比；Fr=fsqt-σv0，為修正摩阻比，式中qt=qc+u1-a，a為修正系數Qt=qt-σv0σv0'，式中σv0為原位豎向應力，σv0'為原位有效豎向應力；Bq=u-u0qt-σv0，為孔壓比，式中u0為靜水應力；PPD為孔隙壓力差，PPD=u1-u2u0，u1、u2分別為探頭錐尖和錐肩所測出孔隙水壓力；M=6sinφ'3-sinφ'；Ns為實驗常數，一般取5~10；Nc為理論錐尖因子；σ0為土體原位總應力σ0=σv0；qe為凈錐尖阻力，qe=q1-u2；Nke為錐尖因子，正常固結粘土取10~15,超固結土取15~19；N?u為實驗常數，可查文獻[8]表5.25求得；αm為修正系數，根據土性和qc值取值；pa為參考應力(100kPa)；γw為水的容重；RR為超固結范圍內的再壓縮比，一般0.005<RR<0.02；ch為水平固結系數；d為探頭半徑(17.8mm)；Ir為剛度系數(Gsu)；Du為探頭透水石位置修正系數，當透水石在錐尖時取Du=1.63，在錐肩時取Du=1.15，在大于5倍半徑以上時取0.62；m為孔隙水壓力消散與時間開平方線性關系的梯度；C0、C1、C2為土的常數，查圖表求得；qc1為無量綱錐尖阻力，qu=qcpaσv'pa；Qc為壓縮因子，0.91<Qc<1.09；QOCR為超固結因子，QOCR=OCR0.18；QA為結構因子；K0(oc)、表10我國的CPT應用情況注：表中ps為單橋靜力觸探比貫入阻力；qc為雙橋探頭錐尖阻力；fs為側摩阻力；Rf為摩阻比；a、b為系數，與土類有關，當16<fs<80kPa時，a=12.14，b=32.77，當1<fs<9kPa時，a=5.47，b=3.810；Rk預制樁、單樁豎向承載力標準值(kN)；k為安全系數，一般取2；αb為樁端阻力修正系數，可查表；psb為樁端附近單橋探頭靜力觸探比貫入阻力平均值；Ap為樁身橫截面面積(m2)；up為樁身周長(m)；fi為用單橋探頭靜力觸探比貫入阻力ps值估算的樁周各層土的極限摩阻力標準值；li為第i層土中樁身高度；α為樁尖阻力修正系數，對粘性土取2/3，對飽和砂土取1/3；qc為樁端上、下探頭阻力(kPa)；βi為第3結論1.通過旁壓試驗計算得出的地基承載力，與初勘報告中給出的承載力值相比，旁壓試驗得出的值大于報告中給出的值。2.通過旁壓試驗計算得出的壓縮模量值與報告中給出的值較為相近，但個別數值差距較大，估計是由于土的類型不同而導致參數選取上有誤差。3.單樁承載力的計算存在的影響因素較多，不僅與試驗數據相關，還與樁自身的一些數據有關，計算出的值應該僅適用于初步估計，不適用于具體計算。4.其余一些土體參數的計算方法，大多數取決于地區經驗，各地區差異較大，沒有一個統一的計算公式，僅供參考。參考文獻[1]《工程地質手冊》編寫委員會.工程地質手冊(第3版)[M].北京:中國建筑工業出版社,1992.[2]劉松玉,吳燕開.論我國靜力觸探技術（CPT）現狀與發展[J].巖土工程學報,2004,26(4):553-556[3]孟高頭.土體原位測試機理方法及其工程應用[M].北京:地質出版社,1997.[4]辛蕊,趙瑞武,楊愛武等.自鉆式旁壓儀測定黏土原位水平應和K0值,中國港灣建設,2011.[5]羅晶.利用旁壓試驗參數確定地基土承載力和模量.水文地質工程.2001.[