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原位测试技术在天津地区岩土工程勘察中的应用

摘 要：本文简要介绍原位测试技术在天津地区的使用现状及应用经验，对常用的标准贯入试验、静力触探试验方法，总结了研究成果，提出了试验成果的作用及测试中应注意的问题。
关键词：原位测试 标准贯入试验 静力触探试验
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0 前 言
原位测试是岩土工程勘察中的重要手段，应用范围日益广泛。新的原位测试技术发展很快，并很快在勘察中推广应用。为了系统地总结天津地区岩土工程勘察中应用原位测试技术经验，天津市建委、科委组织开展的“岩土工程系列研究及岩土工程规范研究”课题中，将“应用原位测试评价天津市地基土性质”作为其中的一个二级子课题，于1998年完成。该课题研究的主要内容是：十字板试验在天津地区的应用经验；用静力触探评应用价天津市地基土性质；用标贯评价天津市地基土承载力。课题研究中注意了其它原位测试的发展及应用情况。本文重点介绍课题的研究成果，并结合近几年勘察技术进展情况，简介新的原位测试技术应用情况，提出对原位测试试验及成果应用中应注意的问题，今后的研究方向作了探讨。
1 静力触探试验
1.1 设备及使用情况
目前天津市主要采用车载静力触探仪，双桥探头，最大贯入深度约60米，一般在40米左右。更大的深度一般要触到一定深度后再钻孔，主要是反力问题未能很好的解决。场地狭小时采用静力触探十字板两用仪等简易触探设备，深度一般不超过15米。
目前孔隙水压力探头也已应用，但仅在少数工程中采用，并不普遍，主要是试验周期、探头饱和问题以及可以提供的参数实用价值问题，需综合考虑。天津市各勘察单位触探设备上的差异不大。
1.2 试验及成果使用中的问题
试验中发现，触探孔深度超过25米时，探杆偏斜问题较突出，深度25～30米时，土层界面差异达1～2米，个别的相差达3米以上。一方面触探车就位时应平稳，保证前几米的垂直度，同时，深孔侧斜是必要的。另外，触探探头温度、率定问题亦应重视，触探成果中可见同一土层，综合场地室内试验及其它试验资料分析，并无大的变化，但单孔触探成果反映有无规律的较大差异，分析是探头温度、率定问题影响所致。

触探成果均已采用计算机处理，曲线成果中一般可纳入天津市地方规范关于利用双桥静探指标划分土层、确定土类、f0及ES经验。但尚未统一成果的标准，多数单位都使用自编的软件，有的成果中图件比例不恰当，难以深入土层性质。天津市勘察院对触探成果的表现方式成熟可靠，如推广使用，对提高触探成果的使用价值很有益处。
1.3 不同贯入速率对静探成果的影响
规范规定静力触探贯入速率为(1.2±0.3)m/min。天津市静力触探施工贯入速率难以按上述标准进行，一般分快、慢两档，快档为（6～7）m/min，慢档(1.94～2.22)m/min。即使系统调压，也很难符合规范要求。为研究贯入速率对静探成果是否有影响，影响有多大，在天津市区进行了专门的试验，作了7个静力触探对比孔，进行不同速率的对比，系统地对比了用快慢两档施工与按标准速率施工所得锥尖阻力侧壁摩阻力的相对误差，及查表所得f0、ES的相对误差，得出用快慢两档施工所得指标与用标准速率所得指标误差在10％左右，对评价地基土性质影响不大。但过慢，如贯入速率降到(0.42～0.18)m/min时，误差很大，锥尖阻力将较慢档增加一倍左右，粉质粘土指标将变为粉土指标，不能反映土质实际。厚层粉土、砂土中，探头进入土层一定深度后，触探贯入速率很慢，甚至几分钟贯入不到一米，与土层的密实度有关。从大量的标贯击数与触探锥尖阻力的对比分析，此时虽贯入速率小，但总体上仍能反映土质的密实程度。20米以下的贯入速率与规范相近，目前按快慢两档试验，不会引起太大的误差。对设备加压贯入系统进行改造更新，按规范要求控制贯入速率，将有利于触探试验技术的发展。
1.4 静力触探成果的应用
静力触探成果应用范围很广，多种文献中都提出用触探成果可以得出土的多种性质，包括定性的定量的，但都是建立在统计基础之上。在天津地区主要用静力触探划分土类、分析土层变化情况、确定土的f0及ES、确定桩端持力层、钢筋混凝土预制桩单桩垂直承载力。天津市勘察院、天津大学和天津建研院等对上述应用情况做过大量研究工作，完成系列课题。94年“应用原位测试评价天津市地基土性质”课题组主要工作之一是对其适用情况进行验证修订总结。对钢筋混凝土预制桩单桩垂直承载力成果验证研究中，共收集了军粮城、天津开发区和大港共六个场地36根预制桩静载荷试验资料及相应的静力触探资料。通过估算值与静载荷试验值对比得出原课题中提供的公式：（1）可用于军粮城地区，且A式较B式效果好；（2）不适用于大港地区，其计试比较大；（3）静力触探资料的不同整理方法对估算结果影响较大。对《利用双桥静探指标划分土层、确定土类、f0及ES》（吴秋炎、韩富恒）成果的验证研究中，通过收集原有科研资料397个子样、近期报告中334个子样，对天津市区及滨海地区土层中应用情况进行了验证，结果如下：尽管原“综合土分类图”主要由市区15米以上资料
研究所得，但在滨海地区应用效果同市区无差别，即“综合土分类图”亦适用于滨海地区；“综合土分类图”用于市区15米以下土层效果亦较好，说明可用于15米以下土层。 用静力触探资料确定土的f0及ES：采用qc、fs、Rf由原“关系表”确定土层的压缩模量ES和承载力f0，由相应的物理力学指标由规范查表，估算其相对误差方法，对比了在市区埋深15米以上及以下下土层、滨海地区埋深15米以上土层中的相对误差，得出原成果中“关系表”估算f0在市区埋深15米以上土层中应用效果较好，15 米以下土层中多较实际偏小（最大达40％），对滨海地区估算15米以上软土多偏大（最大达40％），对粉质粘土效果较好。‘关系表”对软土、粘土值ES应用效果差，估算值多较实测值偏大，粉值质粘土、粉土的应用效果好与软土及粘土。
2 标准贯入试验
2 十字板剪切试验
2.1 十字板强度随深度变化规律
收集塘沽、开发区、保税区及军粮城共22个孔的十字板测试资料，统计出了各地区CU～h关系，得出CU随深度变化规律与土质条件、土的固结历史密切相关，不能给出天津市统一的CU～h关系。
2.2 十字板试验与室内试验的关系
根据保税区、天津开发区、军粮城十字板试验与室内试验抗剪强度对比，得出十字板强度一般较室内试验值大，保税区内十字板强度与直剪固结快剪相近。
3 用标准贯入试验评价地基土性质
研究中收集了天津市多年来有标贯试验及原状取土孔室内试验的64个大型场地，总计有744个取土孔、397个标贯孔，同时收集了“天津市地基土承载力研究”科研用的24组载荷试验及相应的取土室内试验、标贯资料，对上述资料进行细致分析、数理统计，作为研究用标贯评价天津地基土承载力及其他指标的依据。

3.1 用标贯评价地基土承载力
首先对规范中用标贯击数评价土的承载力表的适用性进行了验证。验证方法是：首先将场地各取土孔所得土样室内试验指标进行统计，按天津规范“物性表”查承载力标准值fk，对每层土标准贯入击数进行统计，分杆长修正、不修正,去掉异常值后取平均值。然后用标贯击数分别查表得出相应的承载力。主要验证市区埋深30m以上正常沉积土层，共用市区24个场地100个子样。得出用承载力 表查出的承载力偏低,效果差,相对误差小于10%的比例不足40%,相对误差在20%时一般也仅占50%～60%左右,说明难以在实际生产中应用。
对于勘察、设计人员最重视的,也是天津一般建筑浅基础持力层的Q43al层(上部陆相层)，即使不经杆长修正，用N查表值也较物性法得出值低。

用经过杆长修正后的击数查表，亦不能改善或提高其适用性和准确性。同时，统计得出，均匀土层中并无标贯击数随杆长（深度）明显增大趋势，既标贯杆长修正无实际意义。
实际上，上述对比并不是对规范中标贯击数与承载力关系的真实对比，因为规范中标贯击数是经过杆长修正后再经1-1.645σ修正的。本次研究中及以往工作中均注意到：在天津地区，再次修正并无实际意义。因为标贯击数是地基土综合性状的反映，不仅仅受施工操作影响，同时更主要受土中的含有物、土的固结历史、层理等多种因素影响，其变异系数偏大是正常的。对一般建筑场地的勘察中，标贯孔数少，去掉异常值后，子样数少到不能统计其变异系数，或变异系数过大，不能作为评价依据。如天津地区上部陆相层(Q43al层)厚度仅在5、6m左右，标贯击数平均值在4.6击(粘土)、4.9击(粉质粘土)，如为一个孔，则一般统计不出变异系数，不能用规范表，即使孔数多，用再次修正公式进行修正后，标贯击数降低较多，不能用表或误差过大。一般土质均匀场地，用再次修正后的击数查表值比查物性表值也偏小39～50％左右。即使是在标贯击数较高的下部陆相层(Q41al层)粉质粘土，平均标贯击数为8.6击，用再次修正后的击数查表，与用物性表查得的承载力相比，偏小也达41%。考虑上述因素，本次对比未用经修正后的击数，仅用去掉异常值后的平均值(包括杆长修正与不修正)。
验证原规范中标贯击数与承载力关系结果表明，用现有的N－fk关系表评价承载力效果较差，应考虑重新建立表格或判断能否用标贯击数评价土的承载力。
为建立天津地区标贯击数与地基土承载力的关系，首先考虑用静载荷试验确定的承载力及相应的标贯击数，进行统计分析，得出N－fk关系。共收集到22组静载荷试验及相应的标贯击数资料。从静载荷试验确定的承载力f与相应的标贯击数散点图上可见：载荷试验确定的承载力于标贯击数之间并无良好的相关关系，难以用载荷试验方法确定标贯击数与承载力的相关公式。
将64个场地各取土孔所得土样室内试验指标进行统计，按天津规范“物性表”查承载力标准值fk，对每层土标准贯入击数进行统计，做埋深层30m以上N－fk散点图，可见，标贯击数与土的承载力在各不同的成因层中有不同关系。具体表现在：(a)相同的击数，在Q43al层中比在Q42m层中其所代表的土层的承载力高；(b)在Q43al及Q42m层中，fk大致有随击数增加的趋势，但线性关系较差；(c)Q41h及以下土层N－fk关系较差，散点图并未表示出较明显的fk随N增大而增大的趋势。
从对土层的其他物理力学指标统计结果的综合分析中发现，层Q42m一般砂性较大，Il值较大(一般大于1)，ES值也相对较大，土质力学性质尚可，但因Il 值较大，查表确定其承载力相对较低。对于这种砂性较大的土，仅用物性查表确定其承载力是否能反映其真实的状态，尚需做进一步的工作。
上述说明统计整个30米以上土层N－fk相关关系并不适宜。本次研究将重点放在Q43al层，既天津市一般建筑的浅基础持力层上。统计了市区48个场地得出Q43al层N－fk关系如下：
fk＝103.134+10.42*N
相关关系r＝0.623，子样数n＝48
用上式计算的承载力与用物性表查出的承载力标准值相对比，其相对误差大小所占的百分率如下表(子样数n=48)：
相对误差(%)
20～30
10～20
0～10
1～-10
-10～-20
百分率(%)
8.33
14.6
25
35.4
16.67
相对误差在5％以内占60％，相对误差在20％占90％，效果较好，可以在实际工程中应用。
统计Q42m层得出：fk＝106.68+4.37N，n=24，相关关系r=0.454
Q41h层：fk=158.9+3.13N，n=24，r=0.307
Q41al层：fk=199.595+0.19N，n=24，r=0.056
Q3eal层：fk=192.57+0.75N，n=24，r=0.12
3.2 用标贯击数评价粘性土ES
做埋深30米以上(Q43al层以上)每层土(正常沉积土层)的压缩模量ES1-2及相应的标贯击数(实测值)平均值，每一层为一个子样。做N－Es散点图，从图上可见Es随N线性增大。统计得出其相关关系如下：
Es＝4.6+0.21N,n=97,相关关系r=0.588。
用Es=4.6+0.21N估算值与室内试验值相对比，验证子样数97，相对误差在10%以内占60%,20%以内的占85%,效果较好。
统计Q42m层、Q41al层及Q3eal层粉土的N－Es相关关系如下：
Q42m层：Es=12.0+0.19N,n=50,相关关系r＝0.397，Q41al及Q3eal层:Es=12.78+0.06N,n=58,r=0.162，N与关系较差，难以应用。
3.3 用标贯评价粉土的密实度
规范采用孔隙比e评价粉土的密实度。研究用标贯评价粉土的密实度时，首先考虑建立e－N相关关系，用与e相对应的击数N来确定粉土的密实度。共统计了天津地区58个场地、108个子样每一个子样为粉土层孔隙比e与标贯击数N的对应值（Q3eal层以上）。统计结果表明：Q42m以上e一般在0.7～0.85之间，N一般在4～12 击，e<0.7时，N>12击。Q41al以下土层e一般在0.55～0.7之间，N一般在15～35之间。统计Q42m以上、以下土层e～N关系如下：Q42m以上：e＝0.808－0.01N，n＝50，r＝-0.503；Q41al以下N与e之间相关关系较差，无N与e的减小而增大的趋势。故难以用N与e相对应关系评价粉土的密实度。

用N评价粉土密实度时，应重点考虑土的工程性质。分析天津地区饱和粉土液化判别科研课题用的19个场地年109个标贯资料，可见饱和粉土液化最大深度为12米，最大击数为12 击。用国标《抗震设计规范》中关于液化判别公式估算天津地区饱和粉土的最大临界击数为12击，即实测击数大于12击时，粉土均不液化。故可认为N＝12击是粉土工程性质变化的一个分界点。当N＝12击，评价为稍密，为可液化土层是适宜的。因难以从N与室内试验指标e的对比中区别出确切的土质性质变化点，故粉土的中密与密实的界限确定难度较大。Q41al层以下土层中，粉土工程性质一般较好，可作为桩基础桩端持力层，从e～N散点图上可见，其标贯击数80％以上大于18击。因目前规范、规程中涉及用粉土密实度定量评价、提供设计参数的主要是桩侧、桩端阻力，而规范、规程中涉及用粉土密实度是用孔隙比划分的。Q41al层以下土层按孔隙比划分基本上为密实，故以N＝18作为中密与密实的分界点在目前条件下是适宜的。即N>18为密实，《18为中密。本次研究认为用孔隙比e划分粉土的密实度不如用标贯击数N准确合理。
3.4 用标贯击数评价粘性土状态
统计天津地区24 个大型场地埋深30米以上粘性土层N～Il关系，每一层土的Il平均值与实测击数平均值作为一个子样，共100个子样，作N～Il散点图，从图中可见，N与Il相关关系较差，难以用N与Il对应关系确定土的状态。本次研究认为，Il 值仅是用于反映土的强度的物性指标之一，不能提供定量参数，而标贯击数是土的物理力学指标的综合反映，用标贯击数评价土的状态比用Il 值合理，符合现场鉴别土的状态。鉴于目前适用状况与习惯，本次研究不便提供用N划分粘性土状态的标准。
5 结论
5.1 关于静力触探
《用静力触探估算预制桩单桩承载力》中公式适用与军粮城地区，且A式较B式效果好。不适用与大港地区。
用双桥静力触探指标划分土层、确定土类、f0及ES成果中，综合土分类图应用效果较好。
双桥指标与承载力f0及ES建议值及土分类的关系表中,用双桥指标确定承载力f0、ES主要适用于市区15米以上土层，对15米以下及滨海地区可参考适用，误差偏大
正常施工情况下，不同的贯入速率对触探成果误差影响较小，一般在10％以内
5.2 十字板
在天津地区，十字板强度随深度变化关系没有唯一的关系式
十字板强度一般较室内试验值大。

5.3 标准贯入试验
现规范中N～fk关系表误差较大，适用效果差。
进行标贯杆长修正无益与提高用标贯评价土的性质的精度，即杆长修正无实际意义。
公式fk＝103。134＋10。42N（3