静力触探试验原理与成果应用

1  静力触探测试原理

静力触探是用静力将探头压到土层中去。在贯入过程中，由于土的物理力学性质不同，探头遇到的阻力也不同。贯入阻力从一个侧面反应了土的强度。根据这样一种内部联系，利用探头中的阻力传感器，将贯入阻力通过电子量测记录仪表把它显示和记录下来，并利于贯入阻力和土的强度之间存在的一定关系，确定土的力学指标，划分土层，进行地基土评价和提供设计所需参数。

当静力触探的探头在静压力作用下，均速向土层中贯入时，探头附近一定范围内的土体受到压缩和剪切破坏，对探头产生贯入阻力。一般来说，同一种土层中贯入阻力大，土层的力学性质好，承载力高。反之，贯入阻力小，土层软弱，承载力低。在生产中利用静力触探与土的野外载荷试验对比，或静力触探贯入阻力与桩基承载力及土的物理学性质的指标对比，运用数理统计的方法，可以建立各种相关方程(经验关系)。这样，只要知道土层的贯入阻力即可确定该层土的地基承载力等指标参数。

静力触探试验系统主要由两部分组成：一是贯入系统——由加压装置及反力装置组成；二是量测系统——由装在探头中的阻力传感器和量测仪表组成。

静力触探测试成果的应用范围包括：查明地基土层在水平方向和垂直方向的变化、划分土层、确定土的类别、确定地基土的承载力指标和变形指标、选择桩基持力层、预估单桩承载力以及判别预制桩可能打入的深度、检查填土的质量、判别砂土液化的可能性。

2  利用静力触探划分地层

划分土层是静力触探的基本应用之一，单独根据锥尖、侧壁曲线或参数的分层称为力学分层。但这不是目的，必须结合钻探取样资料或当地经验，进一步将力学分层变为工程地质分层。

目前国内外在利用静力触探指标判别土确定土名问题上，都是采用双桥探头测得的。铁道部第一设计院曾提出采用综合法确定划分土类的方法，用Rf、qc最大值、曲线形态等来分层。这一方法很有价值。通过多年来对黏性土、粉土及砂性土中进行的静力触探与钻孔资料的对比，分别按土类从曲线形态、qc、fs、Rf四项进行分析，得出比较显著不同特征，可以做为划分土类的基本标志。

（1）杂填土：曲线变化无规律，往往出现突变现象，由于其位于表层，比较好判定。

（2）粘土：q_c曲线比较平缓，有缓慢的波形起伏，局部略有向右突峰，f_s曲线略有突峰，在曲线右侧且距离较大，R_f平均值一般大于2.5-3.0。

（3）粉质粘土：q_c曲线比较平缓，有缓慢的波形起伏，局部略有向右突峰，f_s曲线局部略有突峰，与q_c曲线距离较近，大部位于q_c曲线右侧局部交叉越过左侧，R_f平均值在1.0-2.5之间。

（4）粉土：q_c值较大，曲线呈钝锯齿状，齿峰较缓，f_s曲线一般位于q_c曲线右侧，局部间隔较大，但偶尔也和q_c曲线左右穿插。R_f平均值一般在0.8-2.0之间。

（5）粉细砂：q_c值较大，曲线呈尖锐锯齿状，f_s曲线一般和q_c曲线间隔较小，曲线尖峰处大部位于q_c曲线以左；细砂中q_c曲线和f_s曲线的尖齿更为剧烈，局部呈不规则的、残破的大锯齿状，f_s曲线大部位于q_c曲线左边。R_f平均值一般在0.7-1.3之间。

2.1  各土类划分指标

通过对双桥探头平均锥尖阻力q_c和侧壁摩阻力f_s以及摩阻比R_f在各类土中的一般取值范围进行分析，初步总结出了以下指标供划分土层时参考，见下表。

从总结指标可以看出：平均锥尖阻力q_c、侧壁摩阻力f_s，平均摩阻比R_f在不同土类中均有不同的取值范围，并有一定的规律性。由黏性土-粉土-粉细砂，随着黏粒含量的逐步减小和土由细颗粒向粗颗粒逐渐增大，q_c和f_s平均值逐渐增大，R_f平均值一般逐渐减小。

2.2  土质分类判别程序

（1）先以双桥曲线形态标准进行初判土名，再根据各层q_c、f_s和R_f平均值进行数据辅助判别修正，以此综合判别出土类。

（2）一项工程或一个地貌单元，有多孔双桥曲线资料，可按剖面孔位互相对照比较将一个工程或地貌单元判别成标准剖面，以此进行土层分类定名，使土层分类统一。

（3）对一项工程，特别是较大规模建筑场地，应根据场地复杂程度、建筑类别、技术要求等综合确定布置一定数量的钻探孔，分层时和静力触探相互对照、互为参考，综合划分土层；对有相当经验的地区和较小规模的建筑，可单独使用静力触探划分土层。

（4）对一些特殊情况，应参照钻探资料综合确定土名，并逐步积累经验。

2.3  分层中的超前和滞后现象

根据静探指标划分地层，除了考虑贯入阻力大小的变化外，应注意由于地层结构对贯入阻力产生超前与滞后现象。

在静探曲线中可以明显的看到，当软地层转为硬地层(或硬地层转为软地层)时，其贯入阻力不会是突变的，总是在一定深度范围内逐渐增大(或减小)。以探头由软地层进入硬地层为例，当深度尚未到达分层时，其锥尖阻力即开始增大(超前点)，直至阻力完全反应下部硬层指标时，其贯入深度已经进入硬层一定深度(滞后点)。

在具体确定分层界线时，由于实际工作中所用的探头直径较小，其超前、滞后段一般为10-20cm，因此，可取超前、滞后段的中点做为分层界线，已足够满足地层分层的精度要求。

3  根据静力触探结果确定地基承载力、压缩模量

由于静力触探测定的是土的力学性质，反应了土的力学强度，因此，利用静力触探与土的承载力、压缩模量等力学指标建立相关关系是可行的。

对于粉砂，f_ak=0.016×1.2q_c+82.9

对于粉土，f_ak=16.2×(q_c×1.2/100)^0.63+14.4×(系数0.75～0.9)

对于黏性土，f_ak=26.9+1.2×0.104q_c(系数0.9～0.95)

E_s=3.72×1.2q_c+1262(kPa)

以上各式中，q_c的单位均为kPa。

4  静力触探评价砂土和粉土的震动液化趋势

静力触探测试成果可用于对饱和粉土和饱和砂土进行地震液化趋势的微观判别。采用静力触探试验判别饱和粉土和饱和砂土的地震液化趋势，已纳入《岩土工程勘察规范》、铁道部《铁路工程抗震设计规范》和《铁路工程地质原位测试规程》，具体规定是：当实测计算比贯入阻力P_s或实测计算锥尖阻力q_c小于液化比贯入阻力临界值P_scr或液化锥尖阻力临界值q_ccr时，应判别为液化土。

5  静力触探在桩基中的应用

静力触探机理和桩的作用机理类似，静力触探试验相当于沉桩的模拟试验。因此，它很早就被应用于桩基勘察中。据一些资料，用静力触探成果估算单桩承载力，效果比较好；与用桩载荷试验求单桩承载力的方法相比，具有明显的优点。

5.1  确定桩端持力层层位、厚度、埋深

从静力触探曲线上可容易地找出锥尖阻力较高的层位，将其确定为桩端持力层，再结合桩将承受的实际荷载的大小，可确定桩长、桩型、桩截面尺寸及桩的数量等，对设计人员会有很大帮助。

5.2  确定单桩竖向承载力标准值

静力触探试验可以看作是一个小直径桩的现场载荷试验。根据有关资料的对比结果表明，用静力触探成果估算单桩极限承载力是行之有效的。通常是按单桥和双桥探头实测曲线进行估算。现将几种采用双桥探头估算经验式介绍如下：

（1）《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2011)第8.5.6条指出：地基基础设计等级为丙级的建筑物，可采用静力触探及标贯试验参数结合工程经验确定单桩竖向承载力特征值。

（2）铁道部《铁路工程地质原位测试规程》(TB10018-2003)提供了公式可根据静力触探指标确定地基极限承载力、钢筋混凝土预制桩的极限荷载、混凝土钻孔灌注桩及沉管灌注桩的极限荷载。

通过一些报道证明，除桩载荷试验法可直接从试验曲线上求出桩基承载力，为直接方法外，在其它间接方法(静力触探法、土工试验指标经验法、标准贯入法、动力测桩法等)中，静力触探法精度最高，效果最好，并可在打桩或成桩前预估单桩承载力，这又是直接法所不及的。

6  利用静力触探检验压实素填土质量及强夯效果

静力触探可做为检验压实素填土的密度和均匀程度的现场测试手段之一，其优点是经济、迅速，可使取样数量大为减少，缩短检验周期。

静力触探亦可以作为检验强夯效果的一种测试手段，一般限于粘性土和砂类土；对杂填土、房渣土及碎石土无效。静力触探可以贯穿整个强夯工作的始终，在勘察阶段，可以通过静力触探了解场区松软土层的分布及其力学性质，在试夯和强夯前后可做为质量检测手段。