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摘要：静力触探技术( CPT)是工程勘察中比较常用的一种原位测试技术，具有快速便捷、不需取样、采集数据量大、干扰小及费用低廉的优点，尤其适用于在高速公路、铁路这种线性分布、延伸范围较广的工程中推广。本文就静力触探在江苏软土地区的研究应用与发展进行研究
关键词：静力触探；江苏；软土地区
1 静力触探技术的原理及仪器设备
1.1静力触探技术的原理
静力触探的基本原理是通过一定的机械装置，用准静力将标准规格的金属探头垂直均匀地压入土层中，由于土层的阻力，使探头受到一定的压力，土的强度愈高，探头所受的压力也愈大[1]。通过探头传感器，将土层的阻力转换为电讯号，然后由仪表测量出来，为了实现这个目的，运用了三个方面的原理，即材料弹性变形的虎克定律、电量变化的电阻定律和电桥原理。探头传感器受力后要产生变形，根据弹性力学原理，当应力不超过材料的弹性范围，其应变的大小与土的阻力大小成正比，而与传感器截面积成反比，因此只要将传感器的应变大小测出即可知土阻力的大小，从而求得土的有关力学指标。为了测得传感器应变量，在传感器上牢固的贴上电阻应变片，当传感器受力变形时，应变片也随之产生相应的应变从而引起应变片电阻产生变化，根据电阻定律，应变片阻值变化，与应变片的长度成正比，与应变片的截面积成反比，这样就将钢材的变形转化为电阻的变化;但由于钢材在弹性范围内的变形很小，不易测量出来，为此在传感器上贴上一组应变片，组成一个桥路，使电阻的变化转化为电压的变化，通过放大就可以测量出来。因此静力触探就是通过探头传感器实现了一系列量的转换，土的强度一土的阻力一传感器的应变一电阻的变化一电压的输出，最后由电子仪器放大和记录下来，达到测定土强度和其它指标的目的[2]。
滑移线理论将平衡与屈服准则联立给出土体的一组表征塑性平衡的微分方程，由滑移线法求解，画出滑移线网格，通过对滑移线的分析得到破坏荷载，乘以锥头形状系数可得到锥尖阻力，滑移线法得到的应力场在滑移线区域内能够满足屈服准则和平衡方程，但是在滑移区域外却是未知的。
承载力理论的优点是相对简单，缺点是忽略土的变形，不能反映土的刚度和压缩性对锥头阻力的影响，同时忽略了探头贯入过程中探杆周围土的初始应力状态的影响，尤其探头贯入以后探杆周围水平应力增加的影响[5]。
1.2.2应变路径理论
应变路径理论基本思想是通过观察探头在饱和软勃土中的不排水贯入，假设在深贯入过程中存在严格的运动限制(上覆压力大，探头周围土体在高应力水平下深度重塑、强制性流动及不排水条件下的土体不可压缩等)，探头周围土体的变形和应变受土的抗剪性质影响很小。应变路径法为解决深贯入问题开辟了一条新路经，是一种将应变场和应力场分开计算的分析方法，，同时该方法也得到了一些研究成果，如估算承载力系数和超孔隙水压力。
目前，应变路径法仅限于饱和土的不排水情形，因为对摩擦型土，初始流场的估计是很难的，虽然麻省理工学院在将应变路径法用到砂土方面做了大量的工作，需进一步研究[6]。
1.2.3孔穴扩张理论
孔穴扩张和锥头贯入之间的类似性最早由Bishop等人(1945)提出的，他们观察到:在弹塑性介质中产生一个孔洞需要的压力与相同条件下扩张为相同体积的孔穴所需的压力是成比例的[7]。此理论源于弹性理论无限均质各向同性弹性体中圆柱形或球形孔穴受均布压力作用问题，该理论最初用于金属压力加工分析，随后引入土力学中，用柱状孔穴扩张解释旁压试验机理和沉桩，用球形孔穴扩张来估算深基础承载力和沉桩对周围土体的影响;球穴在均布内压P作用下的扩张情况如图4所示，当P逐步增加时，孔周区域将由弹性状态进入塑性状态，塑性区随P值的增加而不断扩大，设孔穴初始半径为Ro，扩张后的半径为Ru，塑性区最大半径为Rp，相应的孔内压力最终值为Pu，在半径Rp以外的土体任保持弹性状态。圆柱形孔穴在内压力下的扩张情况类似，只不过一个属于球对称情况，一个属于轴对称情况[8]。
图4 球型空穴附近的塑性区域
用孔穴扩张理论来研究CPT的机理有两种实用成果:估算静力触探的贯入阻力和在饱和勃土中不排水贯入时初始孔隙水压的分布。孔穴扩张方法根据以下两个原因比承载力理论更理想:
(1)孔穴扩张理论可以考虑探头贯入时土体的弹性及塑性变形;
(2)孔穴扩张理论能够近似地考虑，初始应力状态时探头贯入过程时所受到的影响以及锥尖周围应力的旋转效应。
但孔穴扩张理论用于静力触探的机理分析主要有两点不足：一是静力触探时的土体位移实际上并不是球对称或轴对称的；二是随着探头的贯入，孔穴中心实际上是在不断向下移动的，而并非是固定在平面处一个位置。
目前还没一种理论能很完美地解释静力触探的贯入机理。因此，静力触探在实际工程的应用中，常常用一些相关公式把贯入阻力与土的物理力学指标联系起来，建立经验公式；或根据对贯入机理的认识做一些定性的分析(如模式分析、因子分析等)，在此基础上建立半经验的公式，要把试验数据与土的力学参数之间建立理论关系是十分困难的，在工程中广泛采用的是经验对比，在静力触探理论分析的基础上建立统计分析，根据当地土的性质建立适合当地的经验公式。
2静力触探在江苏软土地区的应用
近些年随着公路、码头等基础设施以及其他工程建设蓬勃发展，在岩土工程勘察、设计、施工等方而均有大量需要对该地区软土进行研究的课题。由于软土具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、承载力低、流变性大等工程特点，因此原位测试方法可以获得较为准确的软土物理力学参数。目前，静力触探作为一种先进的原位测试技术已越来越被广大岩土工程技术人员所接受。利用静力触探资料，可进行现场分层划分、工程土质分类、地基承载力确定、液化场地判别等等。但在工程设计中，主要采取地基土的物理力学指标进行设计，不少研究者根据各地区的工程资料，采用统计分析的方法，获取静力触探参数与土的各种工程性质指标之间的相关关系。对于江苏软土，也已有不少学者建立了物理力学指标间的相互关系，但是就静力触探参数与土的物理力学指标的关系还未见报道。
本文在分析江苏地区地质条件的基础上，着重对静力触探测试数据进行数理统计分析，建立各指标间的相关方程，以期从静力触探参数得到软土的其他工程指标。并通过具体工程对相关性进行了验证，论证了经验方程的正确性[9]。
2.1江苏软土工程地质性质
江苏地区整个地势自西北向东南倾斜，平均海拔高度为1 ~4m密布河流和渠道。在地质历史上广泛沉积了一套灰一灰绿色流塑淤泥及淤泥质黏土。随着第四纪新构造运动、河流作用、海侵地质作用，形成了一套广泛分布的、典型的以海积作用为主，以冲海积、残坡积为辅的软土层。冲海积软土层，多见有粉土、粉砂薄层，具冰平交错不规则交错层理，呈山碴薄饼状，同时在夹层中见有典型冲积形成的褐色黏土薄层，粘粒含量中等；海积软土呈灰一灰绿色，有少量不规则交错层理，粘粒含量较高，超过60% 。
江苏地基软土具有如下特征:
（1）天然含水量高：淤泥的天然含水量多为 40%～85%，最大达 90%，液限一般为 30%～50%。（2）孔隙比大：淤泥的天然孔隙比一般为 1.0～2.0，最大达 2.5。其饱和度一般大于 95%。（3）压缩性大：淤泥的压缩系数一般为 0.40～2.50MPa-1，最大达 4.1MPa-1，属高压缩性土。（4）抗剪强度低：淤泥的固结快剪的粘聚力c一般为2.0～18.0kPa，内摩擦角φ一般为1.0°～8.0°。（5）前期固结压力一般比自重压力大，软土属于正常固结-微超固结土，其超固结比 OCR 值一般在 0.8～2.6之间。（6）灵敏性高：江苏软土属于中等-高灵敏土，十字板试验测得的灵敏度最大值为 10.1，最小值为 1.6，灵敏度平均值为 4.47，表现出一定的结构性[10]。
2.2静力触探参数相关性分析
静力触探是一种得到广泛应用的原位测试技术，根据设备在贯入过程中所获得的相关数据，绘制贯入曲线，根据贯入曲线的线型特征，结合相邻地区的钻孔资料和经验，划分土层和判定土类；计算各土层静力触探有关试验数据的平均值，对数据进行统计分析，提供静力触探数据的空间变化规律，实现获得土层地质结构、提供地基承载力、选择桩端持力层等工程地质勘察目的。
结合江苏地区已有工程的勘察资料和某在建高速公路的地质资料，对江苏地区淤泥的静力触探参数和室内试验物理力学指标进行了统计。
2.2.1 十字板剪切强度与静力触探锥尖阻力相关性统计
利用已有十字板剪切试验结果与静力触探试验结果，经统计得到软土十字板剪切强度 cu与双桥静力触探锥尖阻力 qc的相关关系。从图5不难发现，淤泥的十字板剪切强度 cu与静力触探锥尖阻力 qc呈线性正相关关系，即随着锥尖阻力的增大，十字板抗剪强度也随之增大。
从表 1 中可见，孔隙比、粘聚力、压缩模量、十字板剪切强度与锥尖阻力的经验关系的预测与实测值的误差较小；而塑性指数、液性指数、内摩擦角与锥尖阻力的经验关系的预测与实测值的误差较大。
分析了其中的原因，可能是因为统计样本的数量较少，所反映出的规律不具有代表性，使得预测值与试验值有一定的误差，但是可利用进行初步的计算，与试验结果相互验证。
2.4小结
（1） 江苏地区淤泥的十字板剪切强度 cu与静力触探锥尖阻力 qc呈线性正相关关系，即随着锥尖阻力的增大，十字板抗剪强度也随之增大。
随着静力触探锥尖阻力 qc的增加，则淤泥的孔隙比 e、液性指数 IL、塑性指数 Ip、压缩系数 a 减小，它们之间呈负相关关系；而淤泥的抗剪强度参数 c，φ 值，以及压缩模量 Es则随之增大，它们之间呈正相关关系。
（2） 利用某高速公路试验场地的静力触探试验、十字板试验、室内土工试验的结果，对建立的江苏地区软土静力触探参数与土层物理力学性质参数之间的相关方程进行了验证。
对比结果表明，经验方程可靠性好，可利用静力触探测试参数推算该地区软土的物理力学性质指标，为工程应用提供依据。
3结论
关于静力触探在软土地区的应用研究，特别是确定天然地基土承载力、压缩模量的经验关系研究，国内外学者已经进行了许多广泛、深入的研究工作，也取得了大量的研究成果。本文在前人研究成果的基础上，在分析江苏地区软土特性的基础上，对江苏地区静力触探试验参数以及软土物理力学性质参数进行相关分析，建立了针对江苏地区软土静力触探参数与软土物理力学性质参数之间的相关方程。结合某高速公路试验段场地的静力触探试验、十字板剪切试验、钻孔取样室内试验的结果，对经验公式进行了验证。结果表明，利用静力触探测试参数预测该地区软土的物理力学性质指标可靠性好，经验公式可为工程应用提供依据。
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论文作者:李志,曾令波
论文发表刊物:《防护工程》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/12
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