静力触探在上海地区的工程应用研究*

上海建工集团工程研究总院 上海 201114

1 静力触探试验简介

岩土工程原位测试技术在工程建设中有着不可替代的作用，在探测地层分布、测定岩土特性、确定地基承载力等方面有着突出的优点。其中，静力触探试验（Cone Penetration Test，简称CPT）具有速度快、劳动强度低、清洁经济等优点，而且可以连续获得地层的强度和其他方面的信息，不受取样扰动等人为因素的影响，是使用最广泛和最成熟的原位土体测试技术之一[1]。

2 CPT在上海地区的工程应用

工程应用中确定土的工程性质主要包括土体的强度、变形和渗流固结特性。CPT成果在工程中得到广泛的应用，如对土层进行土类判别和力学分层，评定土体力学特性，确定地基土的承载力、土体液化判别等，都取得了满意的结果。近年来静力触探技术在上海地区利用地区工程应用取得了显著的成果，特别是在利用地区经验估算土的强度参数、判定饱和砂土和粉土的地震液化势以及施工实时监测评价等方面。

2.1 土体强度参数估算

上海地区埋深50 m以浅砂土、粉土主要有第④3层砂质粉土、½2砂、粉性土层和⑧层粉砂，由于上海地下水位埋藏较浅，在基坑开挖和隧道施工过程中极易产生流砂、管涌、突涌等现象。因此，对于饱和软土中深基坑及隧道施工土体强度的测定，特别是黏土、粉质黏土和粉砂的抗剪强度测定，具有很强的工程实际指导价值。然而，由于施工过程中难以直接测定饱和黏土的孔隙水压力，常常需要借助室内试验或原位测试技术来测定土体的强度。

CPT技术在技术层面上有以下优点[2]：

1）试验数据自动采集，精度高、稳定性好、连续性强，能够划分出夹层或薄层；

2）试验重现性好，具客观性；

3）测试指标（比贯入阻力、锥头阻力、侧壁阻力等）直接与土的工程性质相关联，且不受取样扰动等人为因素的影响。

正是由于CPT原位测试具有以上优点，马海鹏等[3]结合上海地区19 个工程共201 组数据，根据上海地层的空间分布，通过统计CPT比贯入阻力ps、不同土类室内固结快剪试验黏聚力cu和摩擦角φu、孔隙比e和塑性指数Ip沿土层深度的变化，得出上海地区不同土类，ps与土体抗剪强度Su相关关系不同，这主要是由土体的物理力学性质及应力状态决定的，在工程初步勘查阶段，建议采用相关关系（单位均为MPa）：黏土为Su=0.065ps，粉质黏土为Su=0.060ps，粉砂为Su=0.023ps。

2.2 饱和砂土、粉土的地震液化判别

在地震作用下饱和砂土或砂质粉土往往会产生液化现象，造成重大地质灾害，危及建筑物安全。上海地区埋深20 m 以浅的砂土、粉土主要受地震液化影响的土层为④3层砂质粉土。因此，上海市工程建设规范《岩土工程勘察规范》（以下简称规范）中强制条文规定：抗震设防烈度为Ⅶ度的建筑场地，当地面以下20 m深度范围内存在饱和砂土或砂质粉土时，应判定该土层地震液化的可能性，并确定整个地基的液化等级。

规范中采用单桥CPT的比贯入阻力ps与小于临界比贯入阻力pscr或双桥CPT的实测锥尖阻力qc与小于临界锥尖阻力qccr的关系进行判别，pscr与qccr采用以下两式计算：

式中：ps0、qc0——分别为液化临界比贯入阻力基准值和临界锥尖阻力基准值（MPa），可分别取2.60 MPa和2.35 MPa；

ds—— 静力触探试验点深度（m）；

dw——地下水位埋深（m）；

a、b—— 系数，分别取1.0和0.75；

ρc——黏粒含量百分率，小于3时取3。

当ps＜pscr或qc＜qccr时，判定土体液化。

文献[4]通过对上海地区300余项工程的CPT试验总结分析认为：砂质粉土和黏质粉土很难通过ps值区分，因为ps值不仅反映了土的密实度，还反映了土的结构性，不同类型的土可能有相同的ps值，反之相同的ps值，也可以代表着不同的土类；ps≤3.0 MPa时可判断土层液化的概率很高；黏粒含量与ps值的关系有待进一步的研究。

文献[5]中采用双桥静力触探研究了上海地区薄层黏性土（或黏质粉土）夹层对液化判别的影响。由于在夹层处锥尖阻力减小，摩阻比明显增大，因而摩阻比的变化能较好地反映砂质粉土或粉砂层中黏性土及黏质粉土夹层分布。采用下式判别不液化土层：

式中：Rf——双桥静力触探试验摩阻比（%）。

同时，土层Rf与黏粒含量也具有较好的相关性。

2.3 施工实时监测评价

上海地区土体具有含水量高、孔隙比大、强度低、压缩性高、渗透性低以及触变性等典型的软土地区不良工程性质。因而，在工程建设中发生砂、粉性土的流砂、软土地基变形、基坑突涌水等的施工风险增大，同时也面临因施工引起的变形、稳定等环境扰动问题。因此，在工程建设过程中必须采取合理有效的监测评价措施，动态评价工程活动自身安全性及其对环境扰动程度，从而保障工程建设顺利安全进行，减轻以致避免扰动对环境产生危害。

室内试验和工程实践表明：当土体受到扰动后，土体应力状态和内部结构将发生变化[6]。由于静力触探的贯入阻力不仅能够反映土体的工程力学特性的变化，而且也反映了土体结构性的变化。因而，静力触探是一种有效的原位检测技术。朱忠隆等[7]利用CPT监测盾构推进动态施工过程中地层的变化，通过实测的P-s曲线换算成各层土体的压缩模量，并作为评价指标，分析地层在施工过程中的变化规律，结果表明盾构推进引起一定范围内土体的结构性破坏，使得土体的变形评价指标（压缩模量）发生变化，同时土体的强度指标c、φ值也相应地发生变化，由于试验是随着盾构推进施工动态地进行的，试验包含了一种时间和空间的变化，能够真实反映实际土层受扰动的动态变化，实现了对盾构推进过程中的实时监测评价。此外，静力触探还成功应用于盾构推进过程中和沉桩瞬时孔隙水压力监测、测管幕箱涵顶进过程中迎土面的端阻力监测以及机场跑道的固结系数监测。

3 CPT技术未来发展的趋势

1）CPT作为一种已经成熟的应用技术，其实际价值应在于实际工程应用，CPT的发展在于地区实用经验的总结，也标志着CPT地区应用的成熟程度。

2）CPT不仅是一种测试技术，更应是一种与施工过程紧密结合的实时监测评价手段，不应只局限于对土层的静态研究，或土层初始与终了状态的静态对比，而应与施工过程紧密结合，通过CPT研究施工动态过程对土层的影响。

3）CPT的贯入机理较为复杂，贯入过程中土体既有压缩，又有剪切，既有挤密，又有剪胀，既有固结，又有塑滑，任何单一的力学模型都无法描述这种过程。CPT的评价指标是多种力学作用的组合，其应用是经验关系的总结，而经验关系的总结依赖于海量数据的积累，因此要建立CPT海量数据库和编制基于海量数据分析的高性能数据处理评价系统。