静力触探与扁铲侧胀试验在工程勘察中的综合应用

皇富强

（江苏中煤地质工程研究院有限公司，江苏 常州213000）

扁铲侧胀试验与静力触探试验作为岩土工程测试领域中重要的两种原位测试方法， 在岩土工程勘察中得到广泛的应用［1-3］。 扁铲侧胀试验能够提供土体横向力学性能测试参数， 而静力触探试验则可以提供土体垂向的力学性能测试参数， 综合两种测试手段应用于岩土工程勘察， 可以大幅度地提高所提供参数的可靠度， 降低单一方法所带来的原理和设备产生的误差， 同时把两种测试方法所得的测试参数进行对比， 综合考虑各种测试方法的局限性和优势互补， 进而可为岩土参数的综合分析提供更加合理的解决方案［4-5］。 另一方面，扁铲侧胀试验和静力触探试验都是对土层扰动较小的原位测试方法，能够在原地较完整地保持土体的天然结构状态、 天然含水率等原始特性， 降低了由于现场取样和室内制样产生的扰动对室内试验结果的影响［5-6］，因此，可以利用两者测试方法的优势， 观测分析两种测试参数之间的相互变化规律， 为工程实际计算和参数的选取提供可靠依据。

本文结合武汉市轨道交通12号线工程勘察项目，综合应用扁铲测试和静力触探测试方法，获取了大量的原位测试数据， 在综合分析个参数的变化规律基础上，分别对黏性土、粉土和砂土的刚度计算参数压缩模量、强度计算参数不排水剪强度进行研究，研究成果可为类似工程提供基础资料和参考借鉴。

1 测试方法和设备

扁铲侧胀试验是利用贯入设备将铲形探头贯入预定深度的土体中，对铲形探头侧壁安装的60mm钢薄膜进行施加气压，读取钢薄膜分别膨胀至0.05mm，1.10mm和恢复至0.05mm位置时的气压，进而利用理论和经验公式计算相关物理力学参数。 测试设备采用意大利MARCHETTI FLAT DILATOMETER设备，如图1。

图1 扁铲侧胀试验仪器

单桥静力触探（CPT）是我国特有的一种静力触探方法， 测试时静力触探探头以一定的速率压入土中，利用探头内的力传感器，通过电子量测器将探头受到的贯入阻力记录下来。 由于贯入阻力的大小与土层的性质有关，因此通过贯入阻力的变化情况，可以达到了解土层工程性质的目的。 测试设备采用WSY-B双缸液压静力触探机， 探头直径为10cm，贯入速度：0.9～1.2m/min，如图2。

图2 静力触探试验设备

2 工程概况及地质条件

2.1 工程概况

武汉市轨道交通12号线为武汉市轨道交通中唯一的环线，联通武汉三镇；经由武昌火车站和汉口火车站并与十多条地铁线路实现换乘。 12号线全线长度约为60.7km （地下线长约54.6km， 过渡段长约0.7km，高架线长约5.4km），共设车站36座，平均站间距约为1.69km。 本线两次穿越长江，一次穿越汉江、沙湖和墨水湖。

本次勘察工作线路起点接后湖大道石桥站 （不含），沿后湖大道向东至中一路站后折向东南，穿国际百纳小区、黄孝河、紫竹园小区、后湖华庭小区进入兴业路，沿兴业路向东布设，经后湖四路站、兴业路站、百步亭站后折向南，穿方舟花园、货场、新湖路一村后至终点丹水池站（不含），即解放大道；共4站5区间。 该区间右线起点里程为右AK2+685.847，终点里程为右AK10+26.909，长度约7.34km。

2.2 场区地质条件

根据本次勘探成果， 拟建场地覆盖层由近代人工填土层（Qml）、第四系全新统湖积（）、冲积（）、冲洪积（）淤泥、一般黏性土、淤泥质土、互层土、砂土及碎石类土组成；下伏基岩主要为白垩-下第三系东湖群（K-Edn）砂砾岩、粉砂质泥岩，少数钻孔揭露灰岩。根据本次勘探成果，结合室内土工试验成果报告， 场区内经扁铲侧胀与静力触探试验测试的主要地层由新至老分述如下：

①-1杂填土（Qml）：杂色，湿～饱和，主要由黏性土、砂土夹砖块、碎石、块石、炉渣等建筑组成，局部夹少量生活垃圾，该层地表普遍有厚度15～50cm厚的混凝土地坪。 该层土结构不均、土质松散，场地内普遍分布。 钻孔揭露层厚0.50～7.10m。

③-1黏土（）：黄褐色、灰褐色、饱和，呈可塑状，含少量铁锰质氧化物，局部含大量螺壳，切面较光滑，属中等压缩性土。 该层场地均有分布，钻孔揭露厚度0.50～7.40m，层顶埋深0.50～7.10m，层顶标高13.90～20.80m。

③-4淤泥质黏土（）：灰褐色，饱和，软～流塑状态，富含有机质，具流变性，有腐臭味，属于高压缩性土。 该层土全线普遍分布， 钻孔揭露层厚0.70～19.80m，层顶埋深1.60～9.80m，层顶标高10.62～19.40m。

③-5粉质黏土、粉土、粉砂互层（）：褐灰色、灰色，饱和；粉质黏土主要呈软～流塑状，局部可塑状，粉土呈中密状，粉砂呈松散～稍密状，属高压缩性土。 粉土、粉砂单层厚度0.10～2.30m，粉质黏土、粉土、粉砂总厚度所占比例分别为75%～85%、5%、10%～20%。 此层全线普遍分布，层厚变化较大。 钻孔揭露层厚1.10～27.80m， 层顶埋深3.60～24.50m， 层顶标高-4.08～18.20m。

④-1粉砂（）：褐黄色、青灰色、饱和、呈稍密状态，矿物成分主要为石英、长石，少量云母片，局部混少量黏性土，属中等压缩性土。 钻孔揭露层厚0.90～21.60m， 层顶埋深5.60～30.40m， 层顶标高-9.98～14.66m。

④-2粉细砂（）：青灰色，饱和，呈中密状态，砂质较均匀，矿物成分主要为石英、长石，少量云母片，局部含木屑，属于中等偏低压缩性土。全场分布，钻孔揭露层厚1.60～19.00m，层顶埋深14.20～36.20m，层顶标高-15.51～6.47m。

3 综合测试成果分析

3.1 参数测试成果

图3为场区典型单桥静力触探数据曲线，并根据钻探揭示各土层厚度将曲线划分为各段， 从图中可以看出，比贯入阻力与土层的力学性质有关，各段的曲线能够较好地反映土层的力学性质，在①-1杂填土层，由于土层成份不均，含有砖块、碎石等硬质颗粒组成，因此其数据曲线起伏变化较大，而③-1黏土、③-4淤泥质黏土为第四系新近沉积土， 土质均匀，因此比贯入阻力曲线起伏变化不明显，且逐渐增加，而③-5粉质黏土、粉土、粉砂互层、④-1粉砂、④-2粉细砂层，由于土质不均，含有夹层或互层等因素，造成比贯入阻力曲线起伏剧烈，但总体上来说，对各层的比贯入阻力进行标准值统计，可以看出，比贯入阻力逐渐增加，如表1。

图3 典型静力触探比贯入阻力实测曲线与钻探分层对比

表1 静力触探试验各层土比贯入阻力统计

图4为场区扁铲侧胀试验实测曲线，从图中可以看出，A值、B值、C值随着深度的增加而逐渐增加，而B值与A值的差值与土性有关， 黏性土差值较小，而砂土的差值较大，且随着深度的增加差值逐渐加大。

图4 典型静力触探比贯入阻力实测曲线与钻探分层对比

图5为扁铲侧胀试验各指标参数曲线，从图中可以看出， 扁铲侧胀试验只需要测试A值、B值、C值，即可以通过理论或经验公式计算出土体的土类指标、水平应力指数、静止侧压力系数、不排水剪切强度、侧胀模量、压缩模量及侧向反力基床系数，获取的物理力学参数远远大于静力触探试验。 从图中可以看出，根据土类指数能够准确划分土层，在12m深度处的黏性土与砂土的分界面处， 曲线变化明显，而水平应力指数曲线与静止侧压力系数曲线变化趋势相似，且可以看出水平应力指数是静止侧压力系数在一定程度上的放大，这是由于扁铲侧胀试验的铲形结构特征引起的结果。 不排水剪切强度、侧胀模量、压缩模量以及侧向反力基床系数随着深度的增加而增加。

图5 扁铲侧胀试验各参数指标曲线

3.2 参数相关关系分析

图6为各类土的比贯入阻力与压缩模量关系曲线，从图中可以看出，对于黏性土、粉土、砂土的压缩模量皆可以用比贯入阻力的幂指数关系进行表达，如方程（1）～（3）：

图6 压缩模量与比贯入阻力关系曲线

图7为扁铲侧胀试验与静力触探试验压缩模量与土类指数的关系对比，从图中可以看出，对于黏性土（土类指数ID≤0.6），扁铲侧胀试验与静力触探试验压缩模量值较为集中， 且数值相近， 而对于粉土（0.6＜土类指数ID≤1.8），随着土类指数的增加，扁铲侧胀试验获取的压缩模量逐渐偏离静力触探试验获取的压缩模量范围界限（图中实线），且数值偏大，而对于砂土（1.8＜土类指数ID），扁铲侧胀试验与静力触探试验获取的压缩模量离散型较大。

图7 扁铲侧胀与静力触探试验压缩模量对比

图8为土类指数小于0.6时的不排水剪切抗剪强度对比， 从图中可以看出静力触探获取的土体不排水抗剪强度普遍比扁铲侧胀试验大， 而对于土类指数大于0.6的土体，规律不明显，此处不再赘述。 因此，对于黏性土的抗剪强度值选取和分析过程中，应特别注意区分不同测试方法造成参数的不同。

图8 扁铲侧胀与静力触探试验不排水剪强度对比

4 结语

（1）扁铲侧胀试验仅需测试3个参数，即可通过经验公式计算土体的土类指标、水平应力指数、静止侧压力系数、不排水剪切强度、侧胀模量、压缩模量以及侧向反力基床系数， 可以获取较多的土体侧向物理力学参数。

（2）不同性质土层压缩模量皆可用比贯入阻力的幂指数关系进行表达，具体如公式方程（1）～（3）所示。

（3）对于不同性质的土层，扁铲侧胀试验与静力触探试验获取的压缩模量之间的差异明显， 随着土类指数ID的增加，两者的数值由相近变为逐渐偏离，最后变为无明显规律。

（4）对于黏性土，静力触探试验获取的不排水抗剪强度普遍比扁铲侧胀试验大， 而对于土类指数大于0.6的土体，规律不明显。