加 瑞 趙 棟

(①天津大學(xué)， 建筑工程學(xué)院， 天津 300350， 中國(guó)) (②天津大學(xué)， 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300350， 中國(guó))

0 引 言

在各類(lèi)工程設(shè)計(jì)和施工之前，首先需要通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試獲得土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。室內(nèi)試驗(yàn)需要鉆孔取樣，而土樣在采樣、運(yùn)送、保存和制備時(shí)會(huì)不可避免地發(fā)生應(yīng)力釋放和受到擾動(dòng)(沈珠江， 1996)。原位測(cè)試是在工程場(chǎng)地的原位應(yīng)力條件下對(duì)土體進(jìn)行測(cè)試，與室內(nèi)試驗(yàn)相比，具有更能真實(shí)反映土體的天然結(jié)構(gòu)及天然應(yīng)力狀態(tài)下的特性、測(cè)定土體的范圍大、試驗(yàn)周期短等優(yōu)點(diǎn)(沈小克等， 2016； 陳曉堅(jiān)， 2019； 薛潤(rùn)坤等， 2020)。為了取得準(zhǔn)確可靠的土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，在工程地質(zhì)勘察中必須進(jìn)行一定數(shù)量的現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試(孫家齊等， 2007)。孔壓靜力觸探試驗(yàn)(CPTU)是指將圓錐形探頭按一定速率勻速壓入土中量測(cè)其錐尖阻力qc、側(cè)壁摩阻力fs及孔隙水壓力u的原位測(cè)試方法，因具有采集數(shù)據(jù)多、測(cè)試連續(xù)、快速高效、費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前工程勘察中應(yīng)用最為廣泛的原位測(cè)試方法(Lunne et al.，1997； 蔡國(guó)軍等， 2013； 劉松玉等， 2013； 胡越等， 2020)，其測(cè)試數(shù)據(jù)可用于劃分土層(Robertson， 1990)以及估計(jì)不排水抗剪強(qiáng)度(Cai et al.，2010)、滲透系數(shù)(Chai et al.，2016)等土體物理力學(xué)參數(shù)。

但CPTU不能原位測(cè)量土的密度，而密度是土體最基本的物理性質(zhì)指標(biāo)之一(Cai et al.，2015； 陳鴻賓等， 2019)，是工程勘察需要首先確定的基本參數(shù)。核子密度儀利用γ射線的康普頓散射效應(yīng)可以測(cè)量地層的密度，包括γ射線背向散射法和γ射線透射法兩種方法(中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組， 2014)，目前已在世界范圍內(nèi)成為密度測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)方法(ASTM， 2014，2017)，可快速、無(wú)損地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定土體、巖石和瀝青混合料等的密度。起初核子密度儀的體積較大，隨著技術(shù)的發(fā)展，散射型密度儀的體積逐漸縮小到可以結(jié)合在圓錐觸探儀中形成密度觸探儀，并用于陸地和近海的土體調(diào)查(Nieuwenhuis et al.，1982； Tjelta et al.，1985)。Ledoux et al.(1982)開(kāi)發(fā)了直徑為45mm的CPT和密度儀相結(jié)合的觸探儀，發(fā)現(xiàn)通過(guò)所測(cè)的密度剖面有助于識(shí)別軟弱泥炭夾層。日本京都大學(xué)的Shibata et al.(1994)和Mimura et al.(1995)將密度儀合并到靜力觸探儀中形成密度孔壓靜力觸探儀，發(fā)現(xiàn)原位測(cè)試的密度結(jié)果與鉆孔取樣的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果基本一致。在國(guó)內(nèi)，上海隧道工程設(shè)計(jì)院和上海原子核研究所合作研制成功了靜力觸探密度探測(cè)儀，可以連續(xù)測(cè)定土層的密度和比貫入阻力曲線(鄭世俊， 1995)。馬偉斌等(2008)研制了一種直接插入式深層密度儀，指出其避免了以往先成孔后放置密度儀的環(huán)節(jié)，大大提高了測(cè)試效率，且可解決探頭與土層不能緊密接觸的問(wèn)題，提高了測(cè)試的精度。

密度孔壓靜力觸探試驗(yàn)(DCPTU)目前已在一些需要測(cè)量地層密度剖面的工程中得到了應(yīng)用。三村衛(wèi)等(1996)用DCPTU對(duì)挪威德拉門(mén)的黏土進(jìn)行了調(diào)查并與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。Mimura et al.(1998)用DCPTU對(duì)自然沉積和人工堆積的砂土層進(jìn)行了測(cè)試，積累了DCPTU原位測(cè)試砂土密度的經(jīng)驗(yàn)。Umezaki et al.(2006)用DCPTU對(duì)疏浚吹填土的密度進(jìn)行了調(diào)查，用所測(cè)密度的結(jié)果對(duì)疏?；靥钔恋某两邓俾省Ⅲw積以及最終沉降進(jìn)行了估算。足立和夫等(2007)用DCPTU對(duì)名古屋市堀川的淤泥堆積情況進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)淤泥的密度隨深度的增加而增加。和田光邦等(2008)用DCPTU對(duì)真空預(yù)壓法固結(jié)后的地基進(jìn)行了調(diào)查，驗(yàn)證了真空預(yù)壓地基處理的效果。Karthikeyan et al.(2008)用DCPTU對(duì)非均質(zhì)的塊狀填土的密度進(jìn)行了調(diào)查，指出測(cè)量的密度剖面有助于識(shí)別塊狀土體與其之間空隙所占的空間。Umezaki et al.(2009)用DCPTU對(duì)諏訪湖和有明海底的淤泥進(jìn)行了調(diào)查，指出DCPTU可以準(zhǔn)確地測(cè)量懸浮液、浮泥和底泥的密度。Jia et al.(2013a，2013b)用DCPTU對(duì)日本有明海底淤泥的密度和不排水抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了調(diào)查，并提出了從測(cè)量的密度剖面得到海底淤泥的真實(shí)密度剖面的方法。三村衛(wèi)等(2016)指出可以利用DCPTU檢測(cè)出地層中的有機(jī)土層。米田安沙佳等(2019)利用DCPTU調(diào)查了大阪市港區(qū)弁天町地區(qū)地基土地震液化的可能性。

在國(guó)內(nèi)，鄭世俊(1995)用靜力觸探密度探測(cè)儀對(duì)2個(gè)地點(diǎn)、4個(gè)孔位進(jìn)行了原位測(cè)試，指出靜力觸探密度探頭可以從地表開(kāi)始連續(xù)測(cè)試土層的密度變化曲線。中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司引進(jìn)了日本SRE公司生產(chǎn)的DCPTU，指出其適用于測(cè)試難以有效取樣的淤泥和砂土地層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)(馬東亮等， 2012)。馬偉斌等(2008)從現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定以及數(shù)據(jù)分析的角度通過(guò)實(shí)例對(duì)自行研制的DCPTU測(cè)試結(jié)果的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。加瑞等(2015)建立了可以計(jì)算回轉(zhuǎn)橢球體內(nèi)土體平均密度的理論模型，調(diào)查了DCPTU貫入各種非均質(zhì)地層時(shí)的測(cè)量密度與真實(shí)密度剖面的區(qū)別。

綜上所述，DCPTU已在工程實(shí)踐中得到了一些應(yīng)用，但在我國(guó)實(shí)際工程中應(yīng)用的實(shí)例還比較少。DCPTU的密度測(cè)量結(jié)果結(jié)合qc、fs和u的測(cè)量結(jié)果可以為工程設(shè)計(jì)和施工提供必要和準(zhǔn)確的土體物理力學(xué)參數(shù)，在我國(guó)將具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展空間。本文首先介紹了DCPTU的試驗(yàn)裝置和密度測(cè)試?yán)碚摚?然后通過(guò)與室內(nèi)試驗(yàn)的密度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)了DCPTU在不同地層中密度測(cè)量結(jié)果的可靠性，分析了非均質(zhì)地層中測(cè)量的平均密度剖面與真實(shí)密度剖面的區(qū)別，并提出了真實(shí)密度剖面的推求方法； 進(jìn)而綜述了DCPTU在實(shí)際工程中的應(yīng)用，包括判別軟弱夾層、評(píng)價(jià)砂土的液化勢(shì)、檢驗(yàn)地基處理效果、檢測(cè)塊狀填土中的空隙、調(diào)查浮泥層的厚度和密度分布等； 最后展望了DCPTU在工程勘察中的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景。

圖 1 DCPTU的試驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 1 Testing system of DCPTU

1 DCPTU的試驗(yàn)裝置和測(cè)試?yán)碚?/h2>

1.1 DCPTU的試驗(yàn)系統(tǒng)

日本SRE公司研制的密度孔壓靜力觸探試驗(yàn)(DCPTU)系統(tǒng)如圖 1所示。主要包括CPTU探頭、密度探頭、含水率探頭、轉(zhuǎn)換器、自然γ射線檢測(cè)探頭、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集儀、深度記錄儀等。DCPTU的試驗(yàn)系統(tǒng)主要是在CPTU的試驗(yàn)系統(tǒng)上增加了密度探頭以及將γ射線計(jì)數(shù)率的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所有信號(hào)都可以通過(guò)總電纜線進(jìn)行傳輸。

在實(shí)際使用時(shí)可以單獨(dú)利用密度探頭測(cè)量地層的密度剖面，也可以將密度探頭與CPTU探頭相結(jié)合同時(shí)測(cè)量錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力、孔隙水壓力和密度。因?yàn)榈貙又写嬖谧匀沪蒙渚€，通常測(cè)試完成后需要在原鉆孔中利用自然γ射線檢測(cè)探頭測(cè)量自然γ射線的計(jì)數(shù)率，測(cè)量結(jié)果減去自然γ射線計(jì)數(shù)率可以得到γ射線源發(fā)射的γ射線穿過(guò)周?chē)馏w衰減后的γ射線計(jì)數(shù)率。由于在水下測(cè)量時(shí)很難保證兩次測(cè)量在相同的鉆孔中進(jìn)行，最新的密度孔壓靜力觸探儀是將自然γ射線檢測(cè)器結(jié)合到密度孔壓靜力觸探探頭上，一次貫入可以同時(shí)完成自然γ射線的測(cè)量。

圖2為日本SRE公司研制的一種密度孔壓靜力觸探儀，主要由兩部分組成，下半部分為標(biāo)準(zhǔn)的孔壓靜力觸探儀(ISSMFE， 1989； ASTM， 1995)，上半部分為密度儀。因密度儀的直徑(48.6m)大于孔壓靜力觸探儀的直徑(35.7mm)，兩者之間由轉(zhuǎn)換接頭連接。密度孔壓靜力觸探儀主要包括錐尖阻力傳感器、孔隙水壓力傳感器、側(cè)壁摩阻力傳感器、測(cè)斜儀、γ射線源、γ射線檢測(cè)器和自然γ射線檢測(cè)器，它們與錐尖的距離分別為0m、0.04m、0.11m、0.5m、0.721m、0.986m和1.4535m。

圖 2 密度孔壓靜力觸探儀Fig. 2 Density piezocone penetrometer

DCPTU在貫入速率、探頭傳感器標(biāo)定、孔壓探頭飽和、貫入時(shí)的傾斜度控制、深度記錄誤差等方面與CPTU的試驗(yàn)要求一致。因?yàn)榉派湫酝凰貢?huì)隨時(shí)間衰減，試驗(yàn)之前需要對(duì)密度探頭進(jìn)行標(biāo)定測(cè)量其標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)率。另外，在不使用的情況下，應(yīng)將密度探頭放置于專(zhuān)用的γ射線防護(hù)箱內(nèi)。

1.2 密度測(cè)量原理

γ射線是一種波長(zhǎng)很短的由原子核能級(jí)躍遷退激時(shí)釋放出的射線。當(dāng)γ射線穿過(guò)物質(zhì)并與原子的電子層發(fā)生碰撞時(shí)，根據(jù)γ射線的能級(jí)不同會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和正負(fù)電子對(duì)3種效應(yīng)，中能γ射線(1～5 MeV)穿過(guò)物質(zhì)時(shí)主要發(fā)生的是康普頓效應(yīng)(Schliepe， 2000)。康普頓效應(yīng)為γ光子與物質(zhì)中原子周?chē)碾娮又g發(fā)生彈性撞碰，碰撞后光子損失能量，改變其運(yùn)動(dòng)方向，而電子獲得能量從原子中飛出去的現(xiàn)象(圖 3)。康普頓散射與散射物的原子序數(shù)有關(guān)，而原子序數(shù)直接決定了材料的宏觀密度。γ射線源所發(fā)射出的γ射線進(jìn)入被測(cè)土體，經(jīng)一次或多次碰撞、散射，改變?cè)瓉?lái)運(yùn)動(dòng)方向而損失能量，最終到達(dá)探測(cè)器而被記錄。如果土體的密度較小，單位時(shí)間內(nèi)較多的γ射線就會(huì)穿過(guò)土體，檢測(cè)器檢測(cè)到的γ射線就較多。反之，如果土體的密度較大，單位時(shí)間內(nèi)較少的γ射線穿過(guò)土體，檢測(cè)器檢測(cè)到的γ射線就較少。

圖 3 γ射線穿過(guò)土體時(shí)的康普頓散射Fig. 3 Compton scattering of gamma ray passing through soil

DCPTU就是利用中能γ射線的康普頓效應(yīng)，γ射線源發(fā)出的γ射線穿過(guò)土體時(shí)的衰減和周?chē)馏w的密度有關(guān)，因而γ射線檢測(cè)器檢測(cè)到的γ射線與周?chē)馏w密度有關(guān)的原理來(lái)測(cè)量土體的密度。DCPTU中使用的γ射線源通常為放射性同位素銫-137，它的半衰期大約為30a。γ射線檢測(cè)器通常為一個(gè)NaI(Tl)閃爍計(jì)數(shù)器和一個(gè)光電倍增管。γ射線源的強(qiáng)度大約為3.7 MBq，遠(yuǎn)低于醫(yī)學(xué)設(shè)備中使用的放射性同位素的強(qiáng)度； 使用者一年的輻射劑量小于國(guó)家規(guī)定的當(dāng)量限值1 mSv·a-1，不會(huì)對(duì)使用者的健康造成危害(中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組， 2003)。

1.3 密度校準(zhǔn)公式

DCPTU測(cè)量的是γ射線源和檢測(cè)器之間的回轉(zhuǎn)橢球體內(nèi)土體的平均密度(ρc)，如圖 4所示。a與b及周?chē)牧系拿芏圈裞之間的關(guān)系如式(1)所示(Homilius et al.，1958)：

(1)

式中： 2b為γ射線源和檢測(cè)器之間的實(shí)際間距，圖 2中的間距為26.5cm，假設(shè)水的密度為 1 g·cm-3，則2a的值大約為48cm。

圖 4 DCPTU的密度測(cè)量范圍Fig. 4 Density measurement range of DCPTU

γ射線檢測(cè)器得到的計(jì)數(shù)率(DCR)減去自然γ射線的計(jì)數(shù)率(BCR)可以得到γ射線源發(fā)射的γ射線經(jīng)過(guò)土體衰減后的計(jì)數(shù)率，考慮到放射性同位素的衰變，計(jì)數(shù)率經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)率(SCR)正規(guī)化的比值計(jì)數(shù)率比(Rρ)被用來(lái)計(jì)算密度，如式(2)所示：

(2)

式中：DCR、BCR和SCR分別為γ射線檢測(cè)器得到的計(jì)數(shù)率、自然γ射線的計(jì)數(shù)率和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)率(cps)；Rρ為計(jì)數(shù)率比(無(wú)量綱)。目前Rρ與ρc之間的校正公式有指數(shù)和多項(xiàng)式兩種形式。日本SRE公司在直徑為70cm、高度為110cm的室內(nèi)模型箱中放置不同密度的土體利用DCPTU測(cè)量Rρ，得到Rρ與ρc之間的校正公式為：

Rρ=8.984e-1.030ρc

(3)

Nobuyama(2000)通過(guò)對(duì)比大量的DCPTU原位測(cè)試的黏土和砂土的密度結(jié)果與鉆孔取樣室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量的密度結(jié)果，得到Rρ與ρc之間的校正公式為：

(4)

式中：ρc的范圍為1.0～2.2g·cm-3。

2 DCPTU密度測(cè)量結(jié)果的可靠性

2.1 砂土地層

三村衛(wèi)等(1999)使用DCPTU對(duì)日本川崎市東扇島某一地層的密度剖面進(jìn)行了測(cè)量，該地層從上到下依次是填埋細(xì)砂、細(xì)砂、砂混淤泥和黏土，并采取冷凍法取樣直接測(cè)量了各個(gè)土層的密度。DCPTU與冷凍法取樣測(cè)量的密度值如圖 5所示。DCPTU測(cè)量的密度值(ρc)與冷凍法取樣測(cè)量的砂土地層的密度值(ρ)基本一致，證明了可以利用DCPTU測(cè)量難以取樣的砂土地層的密度剖面。

圖 5 DCPTU和室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量砂土地層密度的比較(改自三村衛(wèi)等(1999))Fig. 5 Comparison of DCPTU and laboratory test measured density of sand strata(modified from Mimura et al.(1999))

2.2 黏土地層

Shibata et al.(1994)利用DCPTU對(duì)黏土地層的密度進(jìn)行了測(cè)量，并在現(xiàn)場(chǎng)采取不擾動(dòng)土樣通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量了不同深度土樣的密度值。兩種方法測(cè)量的密度值幾乎完全相同(圖 6)，證明了利用DCPTU測(cè)量黏土地層密度剖面的可靠性。

圖 6 DCPTU和室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量黏土的比較(改自Shibata et al.(1994))Fig. 6 Comparison of DCPTU and laboratory test measured density of clay strata(modified from Shibata et al.，(1994))

圖 7 DCPTU和室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量填土地層密度的比較(改自Dasari et al.(2006))Fig. 7 Comparison of DCPTU and laboratory test measured density of lumpy fill(modified from Dasari et al.(2006))

圖 8 DCPTU和室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量海底淤泥密度的比較Fig. 8 Comparison of DCPTU and laboratory test measured density of seabed sediments

2.3 填土地層

Dasari et al.(2006)利用DCPTU調(diào)查了新加坡某一黏土填土地基的密度剖面，總共對(duì)86個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量，并在12個(gè)地點(diǎn)采取不擾動(dòng)土樣測(cè)量了其密度值。圖 7為DCPTU的66號(hào)孔與離其最近的不擾動(dòng)土樣2號(hào)孔測(cè)量的密度值的對(duì)比，在19個(gè)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)中，有16個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)位于DCPTU測(cè)量密度值的±5%的范圍內(nèi)，表明可以利用DCPTU快速調(diào)查填土地層地基的密度剖面。

2.4 海底淤泥

作者Jia et al.(2013a)利用DCPTU調(diào)查了日本有明海的Isahaya 灣海底淤泥的密度。在18個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了DCPTU試驗(yàn)并采取了不擾動(dòng)土樣，對(duì)DCPTU和室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量的不同地點(diǎn)不同深度的237個(gè)密度測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)了對(duì)比分析(圖 8)。由圖可知，DCPTU與室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量密度的比值在1.0～1.05之間的頻次最大，且比值大多數(shù)在0.9～1.1之間，兩者比值所有數(shù)據(jù)的平均值為1.01，標(biāo)準(zhǔn)差為0.08，證明了利用DCPTU測(cè)量海底淤泥密度的可靠性。結(jié)合DCPTU的密度和不排水抗剪強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果，指出所測(cè)地點(diǎn)海底淤泥的不排水抗剪強(qiáng)度隨著密度的增加呈指數(shù)增加趨勢(shì)。

圖 9 DCPTU測(cè)量和真實(shí)密度的區(qū)別Fig. 9 Difference between DCPTU measured and actual density

2.5 非均勻地層

因?yàn)镈CPTU所測(cè)的密度為γ射線源和檢測(cè)器之間回轉(zhuǎn)橢球體內(nèi)土體的平均密度(圖 4)，當(dāng)所測(cè)的地層為非均質(zhì)地層時(shí)，所測(cè)的密度在地層分界處附近與真實(shí)密度將有較大的區(qū)別(圖 9)。

作者Jia et al.(2019)根據(jù)DCPTU測(cè)量密度的原理，建立了可以計(jì)算回轉(zhuǎn)橢球體內(nèi)土體平均密度ρc的后向散射模型和平均值模型，推導(dǎo)了密度分布為常數(shù)、線性、拋物線和平方根函數(shù)時(shí)回轉(zhuǎn)橢球體內(nèi)平均密度的計(jì)算公式。分析了兩層非均質(zhì)地層、含軟弱夾層地層以及海底浮泥層的平均密度和真實(shí)密度的區(qū)別，并提出了由DCPTU測(cè)量的密度剖面推出非均質(zhì)地層真實(shí)密度剖面的方法：(1)根據(jù)測(cè)量密度剖面的分布特征確定各個(gè)地層的頂面和底面； (2)假設(shè)各個(gè)地層的密度函數(shù)，通過(guò)反分析計(jì)算平均密度剖面； (3)如果計(jì)算與測(cè)量的平均密度剖面一致，則假設(shè)的密度剖面即為真實(shí)的密度剖面。

3 DCPTU的工程應(yīng)用

3.1 判別軟弱夾層

圖10為L(zhǎng)edoux et al.(1982)利用DCPTU測(cè)量的某一地層的錐尖阻力(qc)和密度(ρc)隨深度的分布圖。由圖可知，在2m深度處qc和ρc都明顯減小，結(jié)合qc和ρc的測(cè)試數(shù)據(jù)判明2m深度處存在泥炭夾層。因此，DCPTU的密度測(cè)量數(shù)據(jù)可以跟qc的測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合判別地基中的軟弱夾層。

圖 10 基于DCPTU結(jié)果判別軟弱夾層(改自Ledoux et al.(1982))Fig. 10 Identification of soft interlayer based on DCPTU results(modified from Ledoux et al.，(1982))

3.2 評(píng)價(jià)砂土的液化勢(shì)

三村衛(wèi)等(1999)利用DCPTU和含水率孔壓靜力觸探分別測(cè)量了日本東扇島某填埋砂土地層的密度和含水率。利用測(cè)量數(shù)據(jù)可以計(jì)算出砂土的孔隙比(e)，通過(guò)對(duì)冷凍土樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到最大孔隙比和最小孔隙比，進(jìn)而計(jì)算出砂土的相對(duì)密實(shí)度(Dr)用于評(píng)價(jià)砂土的液化勢(shì)(圖 11)。另外，采取冷凍法取樣通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量了砂土的Dr，還使用Lancellotta公式(式(5))計(jì)算了砂土的Dr，并對(duì)3種方法計(jì)算的Dr進(jìn)行了對(duì)比。

(5)

式中：qc為錐尖阻力(kPa)；σv為豎向自重應(yīng)力(kPa)。

圖 11 基于DCPTU結(jié)果計(jì)算砂土的相對(duì)密度(改自三村衛(wèi)等(1999))Fig. 11 Calculating the relative density of sand based on DCPTU results(modified from Mimura et al.(1999))

由圖 11可知，在2～7m的深度范圍內(nèi)，Lancellotta公式計(jì)算的Dr小于基于DCPTU結(jié)果計(jì)算的Dr，在7m以下的范圍內(nèi)，兩種方法計(jì)算出的Dr都在40%左右。雖然在有些深度兩種方法計(jì)算得到的Dr與冷凍取樣室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量得到的Dr存在一定的偏差，但大部分深度處兩種方法計(jì)算的Dr與室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量的Dr基本一致。因此，可以利用DCPTU測(cè)量的密度值計(jì)算e進(jìn)而計(jì)算Dr，或計(jì)算σv進(jìn)而利用Lancellotta公式計(jì)算Dr，用于評(píng)價(jià)砂土地層的液化勢(shì)。

3.3 檢驗(yàn)地基處理效果

堺谷常廣等(2012)采用DCPTU對(duì)某一采用砂樁擠密法進(jìn)行加固的地基進(jìn)行了地基處理效果檢驗(yàn)。作者主要分析了地基處理前后的不排水抗剪強(qiáng)度su和密度的變化情況，其中，su由式(6)進(jìn)行估算：

(6)

式中：qt為修正錐尖阻力(kPa)；σv0為豎向自重應(yīng)力(kPa)；Nkt為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(文中取值為14)。

由圖 12可知，此處海水深度為17m， 17～35m深度范圍內(nèi)土體為su和密度均較小的軟弱土層， 35～45m深度范圍內(nèi)土體的su和密度均較大，表明35m深度處為上部軟弱土層和下部土層的分界線。另外，在進(jìn)行地基處理后，兩層土的su和密度均明顯提高，說(shuō)明地基處理后土體強(qiáng)度提高，密度也相應(yīng)提高。計(jì)算su和密度的提高程度可以對(duì)地基處理效果進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。因此，DCPTU的密度測(cè)量結(jié)果可以與su相結(jié)合更準(zhǔn)確地檢驗(yàn)地基處理效果。

圖 12 基于DCPTU結(jié)果檢驗(yàn)地基處理效果(改自堺谷常廣等(2012))Fig. 12 Examination of effect of ground improvement based on DCPTU results(modified from Sakaidani et al.(2012))

3.4 檢測(cè)塊狀填土中的空隙

Karthikeyan(2005)利用DCPTU調(diào)查了非均質(zhì)塊狀填土中空隙的大小及空隙中的填充材料。利用邊長(zhǎng)約為300mm的立方體形狀的塊狀黏土進(jìn)行了如圖 13a所示的搭接布置，塊狀填土內(nèi)部空隙中的填充材料分別為空氣、水和泥漿。由qc的分布圖(圖 13b)可以看出，在0.05～0.25m和0.5～0.6m存在塊狀填土的深度范圍內(nèi)qc較大，而在0.25～0.5m無(wú)塊狀填土的深度范圍內(nèi)qc基本為0。根據(jù)qc的變化可以得到塊狀填土中空隙的分布及大小，但由于3種填充材料的強(qiáng)度基本為0，無(wú)法根據(jù)qc的變化確定具體為哪種填充材料。

圖 13 基于DCPTU結(jié)果檢測(cè)塊狀填土中的空隙(改自Karthikeyan.(2005))Fig. 13 Detection of spaces of lumpy fill based on DCPTU results(modified from Karthikeyan.(2005))

由密度的分布圖(圖 13c)可以看出3種情況下的密度分布曲線不同，未填充時(shí)密度最小，其次是填充物為水的情況，填充物為泥漿時(shí)密度最大，所以可以通過(guò)密度分布曲線對(duì)塊狀填土空隙中的填充材料進(jìn)行判別。因此，基于DCPTU測(cè)量的qc和密度分布圖可以準(zhǔn)確地判別塊狀填土中的空隙分布、大小以及其中的填充材料。值得注意的是在填土與空隙的界面處，DCPTU測(cè)量的密度值存在一定的提前及滯后，這是因?yàn)槿?.5節(jié)所述，DCPTU測(cè)量的密度為γ射線源和檢測(cè)器之間一定范圍內(nèi)土體的平均密度ρc，在密度變化較大的地層分界處，測(cè)量密度與真實(shí)密度會(huì)有一定的差別。

3.5 調(diào)查浮泥層的厚度和密度分布

作者利用DCPTU調(diào)查了日本有明海底淤泥的密度和不排水強(qiáng)度。將密度大于 1.025 g·cm-3及小于 1.2 g·cm-3的淤泥定義為浮泥，大于1.2g·cm-3的淤泥定義為底泥，得到了海底淤泥的堆積情況以及浮泥層的厚度(Jia et al.，2013a)，并提出了由DCPTU測(cè)量的密度剖面推出海底淤泥真實(shí)密度剖面的方法(Jia et al.，2013b)(圖 14)：(1)由測(cè)量密度剖面確定浮泥層頂面為測(cè)量密度剖面上部開(kāi)始增大處以下b的位置，浮泥層底面為測(cè)量密度剖面下部開(kāi)始線性增加處以上b的位置； (2)假設(shè)浮泥層的密度分布分別為拋物線、線性和平方根函數(shù)，通過(guò)反分析計(jì)算平均密度剖面； (3)當(dāng)浮泥層的密度分布為平方根函數(shù)分布時(shí)，計(jì)算平均密度和測(cè)量平均密度剖面一致，得出測(cè)量地點(diǎn)的浮泥層分布為平方根函數(shù)。因此，基于DCPTU的密度測(cè)量結(jié)果可以調(diào)查水底浮泥層厚度和密度分布情況，有助于確定適航水深。

圖 14 浮泥層密度分布的推求方法Fig. 14 Method of deducing density distribution of fluid mud

4 DCPTU的發(fā)展前景

基于CPTU結(jié)果評(píng)價(jià)前期固結(jié)壓力、壓縮模量和不排水抗剪強(qiáng)度等指標(biāo)、以及進(jìn)行土質(zhì)分類(lèi)時(shí)，需要首先確定原位豎向應(yīng)力σv0，而在計(jì)算σv0時(shí)需要通過(guò)鉆孔取樣和室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量土的密度值。雖然有學(xué)者提出可以基于CPTU結(jié)果估算土的密度，但估算公式中也要用到土的密度值，需要進(jìn)行迭代計(jì)算(Larsson et al.，1991)。因此，DCPTU的密度測(cè)量結(jié)果有助于快速、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)土體的物理力學(xué)性質(zhì)和進(jìn)行土質(zhì)分類(lèi)。

地震波孔壓靜力觸探(SCPTU)是在CPTU探頭中增設(shè)檢波器，通過(guò)量測(cè)地表激振系統(tǒng)產(chǎn)生的剪切波在土層中的傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算土層的剪切波速。剪切波速是一個(gè)能夠全面反映土體結(jié)構(gòu)特征的重要指標(biāo)，可用于評(píng)價(jià)砂土的液化勢(shì)等(Cai et al.，2012； Bwambale et al.，2019)。根據(jù)剪切波速可以計(jì)算表征土體動(dòng)力特性的基本參數(shù)——初始剪切模量G0，但在計(jì)算G0時(shí)需要土的密度值。因此，可以將密度探頭和SCPTU相結(jié)合形成密度波速靜力觸探技術(shù)，用于原位確定土體的G0。

土體的結(jié)構(gòu)性直接影響其抵抗變形和破壞的能力，對(duì)其進(jìn)行定量評(píng)價(jià)具有重要的理論和工程意義。而目前基于室內(nèi)試驗(yàn)的評(píng)價(jià)方法存在評(píng)價(jià)結(jié)果受取樣質(zhì)量影響、鉆孔取樣費(fèi)用高的問(wèn)題，有必要開(kāi)展可靠性和經(jīng)濟(jì)性原位評(píng)價(jià)方法的研究。CPTU是目前工程勘察中最為常用的原位測(cè)試方法，已廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)土體的物理力學(xué)性質(zhì)，但基于CPTU結(jié)果準(zhǔn)確評(píng)價(jià)土體的結(jié)構(gòu)性比較困難。小應(yīng)變下的初始剪切模量G0與大應(yīng)變下的錐尖阻力qc的比值G0/qc隨土體結(jié)構(gòu)性的增強(qiáng)而增加。因此，可以根據(jù)該原理開(kāi)展基于密度波速靜力觸探結(jié)果評(píng)價(jià)土體結(jié)構(gòu)性的研究。

另外，DCPTU目前在不良地層中的應(yīng)用還比較少，我國(guó)存在大量的特殊土及不良地質(zhì)條件，如濕陷性黃土、膨脹土、凍土、鹽漬土、巖溶與土洞等，DCPTU的密度、qc、fs和u的測(cè)量結(jié)果有助于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)不良地層的物理力學(xué)性質(zhì)，為特殊土及不良地質(zhì)條件下的工程設(shè)計(jì)和施工提供準(zhǔn)確的土體參數(shù)。因此，DCPTU在我國(guó)具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

5 結(jié) 論

(1)DCPTU的密度測(cè)試?yán)碚摚篋CPTU是可以同時(shí)測(cè)量錐尖阻力qc、側(cè)壁摩阻力fs、孔隙水壓力u和密度的一種新型原位測(cè)試方法。利用γ射線源發(fā)出的γ射線穿過(guò)土體時(shí)的衰減和周?chē)馏w的密度有關(guān)的原理來(lái)測(cè)量土體的密度。測(cè)量的密度為以γ射線源和檢測(cè)器的中點(diǎn)為中心的回轉(zhuǎn)橢球體中土體的平均密度ρc。當(dāng)所測(cè)的地層為非均質(zhì)地層時(shí)，所測(cè)的平均密度在地層分界處附近與真實(shí)密度將有一定的區(qū)別。

(2)DCPTU的工程應(yīng)用：通過(guò)對(duì)比DCPTU的密度測(cè)量結(jié)果和鉆孔取樣室內(nèi)試驗(yàn)的密度測(cè)量結(jié)果，證明了利用DCPTU可以在砂土地層、黏土地層、填土地層以及海底淤泥中得到可靠的密度結(jié)果。DCPTU的密度測(cè)量結(jié)果可以和qc、fs、u的測(cè)量結(jié)果相結(jié)合用于判別軟弱夾層、評(píng)價(jià)砂土的液化勢(shì)、檢驗(yàn)地基處理效果、檢測(cè)塊狀填土中的空隙、調(diào)查浮泥層的厚度和密度分布等工程實(shí)踐。

(3)DCPTU的發(fā)展前景：DCPTU的密度測(cè)量結(jié)果可用于計(jì)算原位豎向應(yīng)力σv0，結(jié)合CPTU測(cè)量的qc、fs和u，快速準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)土體的物理力學(xué)特性指標(biāo)和進(jìn)行土質(zhì)分類(lèi)?？梢詫⒚芏忍筋^和SCPTU相結(jié)合形成密度波速靜力觸探技術(shù)，根據(jù)其測(cè)量的剪切波速和密度結(jié)果計(jì)算土體動(dòng)力特性的基本參數(shù)——初始剪切模量G0。可以基于G0/qc隨土體結(jié)構(gòu)性的增強(qiáng)而增加的原理，開(kāi)展基于密度波速靜力觸探結(jié)果評(píng)價(jià)土體結(jié)構(gòu)性的研究。另外，DCPTU可用于評(píng)價(jià)濕陷性黃土、膨脹土、凍土、鹽漬土等不良地層的物理力學(xué)性質(zhì)，在我國(guó)具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。