許慧娥XU Hui-e

（泉州水務(wù)工程建設(shè)集團(tuán)有限公司工程勘察分公司，泉州 362000）

0 引言

近年來(lái)，黏性土地基的工程應(yīng)用日益廣泛，因此對(duì)黏性土的力學(xué)特性和抗剪強(qiáng)度的準(zhǔn)確確定具有重要意義[1]。在土壤力學(xué)研究中，CPTU 技術(shù)成為一種常用的測(cè)試方法，它通過(guò)測(cè)量推進(jìn)器在地下推進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的阻力、摩阻和孔隙水壓力等參數(shù)，可為黏性土不排水抗剪強(qiáng)度的確定提供重要數(shù)據(jù)[2]。然而，傳統(tǒng)黏性土的不排水抗剪強(qiáng)度測(cè)試方法存在一些不足，如需大量土樣和長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)周期[3]。與室內(nèi)試驗(yàn)和傳統(tǒng)的靜力觸探相比，CPTU 測(cè)試是一種在地下進(jìn)行的實(shí)時(shí)測(cè)試方法，能夠連續(xù)地獲取地層的力學(xué)參數(shù)[4]。相比于室內(nèi)試驗(yàn)，CPTU 技術(shù)通過(guò)推進(jìn)錐形推進(jìn)器進(jìn)入土中，并同時(shí)測(cè)量推進(jìn)阻力、側(cè)摩阻力和孔隙水壓力等參數(shù)的變化，能夠提供直接、連續(xù)、實(shí)時(shí)的土層力學(xué)參數(shù)[5]。其次，CPTU 測(cè)試能夠以較快的速度完成，并且不需要大量的土樣或繁瑣的試驗(yàn)過(guò)程。相比于室內(nèi)試驗(yàn)，其測(cè)試過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠節(jié)省時(shí)間和成本。最后，CPTU 測(cè)試是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的，可以直接獲取地下的土壤信息。與傳統(tǒng)的靜力觸探相比，CPTU 測(cè)試更能夠準(zhǔn)確地捕捉到不同深度和位置的地層特性，避免了可能由于土樣獲取和搬運(yùn)等過(guò)程帶來(lái)的擾動(dòng)[6]。

本文以某項(xiàng)目工程為研究背景，通過(guò)分析CPTU 測(cè)試獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)并結(jié)合十字板剪切試驗(yàn)明確孔壓圓錐系數(shù)與孔壓參數(shù)比兩者之間的聯(lián)系，并在此基礎(chǔ)上建立CPTU 參數(shù)與黏性土不排水抗剪強(qiáng)度的關(guān)系，以進(jìn)一步推動(dòng)基于CPTU 的土壤力學(xué)研究和工程實(shí)踐的發(fā)展。

1 工程概況

該場(chǎng)地位于泉州市城東鎮(zhèn)，擬建場(chǎng)地采用預(yù)壓法對(duì)淤泥層進(jìn)行地基處理。根據(jù)委托要求，在擬建物場(chǎng)地布置8個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)（處理后的地基有5 點(diǎn)，編號(hào)：1#～4#、8#；未處理的地基3 點(diǎn)，編號(hào)：5#～7#），均采用現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)處理前后的地基強(qiáng)度進(jìn)行分析比較。通過(guò)當(dāng)?shù)氐牡乜眻?bào)告可知，該地地質(zhì)共包含六種，從上至下分別為：黏土、淤泥、粘土夾粉砂、淤泥夾粉砂、淤泥夾粉細(xì)砂，其重度分別為18.55kN/m3、17.53kN/m3、18.44kN/m3、17.59kN/m3、17.66kN/m3；含水量分別為31.2%、38.3%、32.4%、37.2%、35.6%；孔隙比分別為0.89、1.11、0.912、1.08、1.03；粘聚力分別為19.4kPa、11.8kPa、11.9kPa、11.7kPa、11.4kPa；內(nèi)摩擦角分別為11.5°、8.8°、8.6°、10.4°、10.5°；地下水位標(biāo)高為0.8～3.3m。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本文采用CPTU 測(cè)試系統(tǒng)對(duì)該場(chǎng)地一共鉆5 個(gè)孔位，所選用的鉆頭錐角是60°，截面積12cm2，側(cè)壁面積為150cm2。本測(cè)試系統(tǒng)的鉆頭內(nèi)置土體電阻率感應(yīng)裝置，可獲取土體電阻率的變化情況。所獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)Enhanced Field Computer System 4.0 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行收集并運(yùn)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件獲取繪制推進(jìn)曲線。

2.2 試驗(yàn)原理

CPTU（Cone Penetration Testing with pore pressure measurement）技術(shù)是一種用于土壤和巖石的地質(zhì)勘探和土力學(xué)性質(zhì)測(cè)試的方法。CPTU 測(cè)試通過(guò)將一個(gè)尖錐推入地下，并測(cè)量推進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的阻力、摩阻和孔隙水壓力等參數(shù)，來(lái)獲取地層的相關(guān)性質(zhì)信息。它的測(cè)試原理如下：

CPTU 測(cè)試使用一套設(shè)備，包括一個(gè)帶有測(cè)量傳感器的錐形推進(jìn)器、一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)和一個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置。首先，錐形推進(jìn)器通過(guò)液壓機(jī)械或電動(dòng)機(jī)械將推進(jìn)器的尖端以恒定速度推入地下。其次，在推進(jìn)過(guò)程中，測(cè)量系統(tǒng)記錄和測(cè)量多個(gè)參數(shù)，以評(píng)估地層的特性。這些參數(shù)包括：錐形推進(jìn)器的推進(jìn)阻力、側(cè)摩阻力、孔隙水壓力、推進(jìn)速度，以及錐形推進(jìn)器的位置和深度。最后，收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集裝置傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析軟件中進(jìn)行處理得到推進(jìn)曲線（CPTU 圖）和計(jì)算相關(guān)參數(shù)，通過(guò)推進(jìn)曲線顯示的地下不同深度處的阻力、摩阻、孔隙水壓力和推進(jìn)速度的變化，推斷地層的性質(zhì)和土力學(xué)特性，如土壤類型、密度、強(qiáng)度、壓縮特性、滲透性等。

依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)理論公式，利用孔隙水壓力計(jì)算不排水抗剪強(qiáng)度的公式如下：

Su為抗剪強(qiáng)度，單位kPa；NΔu（孔壓圓錐系數(shù)）由空壓系數(shù)決定，并且大小在2～20 之間；u 為孔隙水壓，單位kPa。

3 結(jié)果與討論

3.1 典型測(cè)試曲線

圖1 顯示了由CPTU 測(cè)試得到的錐尖阻力、孔隙水壓力、電阻率和側(cè)壁摩阻力隨深度變化的曲線。由圖可知，當(dāng)鉆探深度小于25m 時(shí)，鉆頭處的錐尖阻力隨深度緩慢增加，但整體增加的幅度較小，當(dāng)鉆探深度超過(guò)25m 后，錐尖阻力迅速增大。這是由于在地下深度較淺的地方，通常會(huì)受到較為松散的土層、表層土壤和有機(jī)質(zhì)含量較高的層的影響。這些松散的土層或含有大量有機(jī)質(zhì)的層相對(duì)較軟，因此給鉆頭施加的阻力相對(duì)較小。此時(shí)，錐尖阻力主要受到側(cè)摩阻力的影響，該阻力與土體的剪切強(qiáng)度、密實(shí)度等相關(guān)因素有關(guān)。當(dāng)鉆探深度超過(guò)25m 后，該深度處的土層為粉質(zhì)粘土，土的固結(jié)程度和密實(shí)度增加，土質(zhì)變得更加堅(jiān)硬和堅(jiān)固土壤顆粒間的摩擦和土體內(nèi)部的黏聚力增加，從而增加了與鉆頭接觸的土質(zhì)對(duì)鉆頭的阻力。隨著深度的增加，孔隙水壓逐漸增大，在超過(guò)25m 后迅速減小。下降的原因是鉆頭進(jìn)入了粉砂層。隨著鉆探深度的增加電阻率逐漸減小。這是由于，隨著深度的增加，地下土壤或地層中的孔隙水含量相應(yīng)增加。水是良好的導(dǎo)電介質(zhì)，當(dāng)土壤或地層中的含水量增加時(shí)，孔隙中的水分子會(huì)在電流通過(guò)時(shí)促進(jìn)電導(dǎo)，從而降低整體的電阻率。其次，在較淺的土層中，土壤顆粒之間的接觸可能相對(duì)較好，土壤中顆粒間的電導(dǎo)路徑較多。然而，隨著深度的增加，土層可能變得更加致密，土壤顆粒之間的接觸減少，從而限制了電流的路徑，并導(dǎo)致電阻率的降低。最后，隨著深度的增加，土層中的礦物質(zhì)含量可能會(huì)發(fā)生變化，從而影響土壤的電導(dǎo)特性。某些礦物質(zhì)具有電導(dǎo)性能，當(dāng)它們的含量增加時(shí)，土壤的電阻率可能會(huì)降低。側(cè)摩阻力的曲線變化規(guī)律與錐尖阻力基本一致，發(fā)生突變的原因在于鉆頭進(jìn)入粉質(zhì)黏土層增加了接觸面的摩擦力。

圖1 典型CPTU 測(cè)試結(jié)果

3.2 超靜水壓對(duì)不排水抗剪強(qiáng)度的影響

圖2 顯示了土體超靜水壓對(duì)不排水抗剪強(qiáng)度的影響。由圖可知，剪切試驗(yàn)得到黏土的抗剪強(qiáng)度最小值為16.5kPa；淤泥的最大值為79kPa。隨著超靜水壓的差值增加，土體的抗剪強(qiáng)度逐漸增大，但剪切試驗(yàn)得到的強(qiáng)度數(shù)值相對(duì)較小。不排水抗剪強(qiáng)度是指土體在快速加載或在排水條件下未被充分排水的情況下的抗剪能力，而超靜孔壓是指在排水條件下施加正應(yīng)力時(shí)，土體內(nèi)部的孔隙水壓力快速增加的現(xiàn)象。在不排水條件下，土體的抗剪能力主要由土體內(nèi)部的有效應(yīng)力和超靜孔壓共同決定。超靜孔壓會(huì)引起土體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)變化，使土體的有效應(yīng)力下降，從而降低了土體的抗剪強(qiáng)度。因此，超靜孔壓與土體的不排水抗剪強(qiáng)度之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此超靜水壓的差值越大，土體的抗剪強(qiáng)度越大。利用公式（1）帶入相應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行反算求解得到孔壓圓錐系數(shù)為8.62 時(shí)的直線如圖2 所示，此時(shí)與十字板試驗(yàn)得到的數(shù)值擬合高達(dá)0.88，兩者具有較高的吻合度，因此選擇孔壓圓錐系數(shù)為8.62 是合理可靠的。

3.3 孔壓圓錐系數(shù)與參數(shù)比關(guān)系

孔壓圓錐系數(shù)是指孔壓隨深度變化的比例關(guān)系，而孔壓參數(shù)比是指在一定深度范圍內(nèi)孔壓的相對(duì)變化，兩者之間存在一定的關(guān)系。具體來(lái)說(shuō)，孔壓圓錐系數(shù)是由孔壓參數(shù)比與深度參數(shù)比的比值確定；其中孔壓參數(shù)比是等于（孔壓2 與孔壓1 的差值）/孔壓1，深度參數(shù)比是等于（深度2 與深度1 的差值）/深度1。因此，孔壓圓錐系數(shù)可以用孔壓參數(shù)比與深度參數(shù)比之間的比值表示?？讐簣A錐系數(shù)的值可以反映孔壓的變化趨勢(shì)和分布特征。當(dāng)孔壓的相對(duì)變化較小，并且深度的相對(duì)變化也較小時(shí)，孔壓圓錐系數(shù)可能接近于1，表示孔壓的變化與深度的變化趨勢(shì)基本一致。反之，當(dāng)孔壓的相對(duì)變化較大，并且深度的相對(duì)變化也較大時(shí)，孔壓圓錐系數(shù)可能小于1，表示孔壓的變化比深度的變化更劇烈。圖3 顯示了孔壓參數(shù)比與NΔu的關(guān)系。由圖可知，孔壓參數(shù)比與NΔu呈正相關(guān)，公式與實(shí)測(cè)值的擬合度高達(dá)0.92，因此是可靠的。

3.4 兩種測(cè)試方法對(duì)比

圖4 顯示了采用兩種測(cè)試方法得到的結(jié)果。由圖可知，兩種方法測(cè)試得到的誤差均在30%以內(nèi)，且在現(xiàn)場(chǎng)采用CPTU 方法測(cè)試得到的強(qiáng)度值一般大于室內(nèi)模型值。這是由于，室內(nèi)試驗(yàn)通常是使用小型試樣進(jìn)行，而CPTU 測(cè)試是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的，覆蓋了更大的土體體積。由于土體是一個(gè)復(fù)雜的多孔介質(zhì)，它的性質(zhì)在不同尺度和體積上會(huì)存在變化。因此，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可能更好地反映了實(shí)際工程中的土體強(qiáng)度。其次，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試在土體自然條件下進(jìn)行，考慮了實(shí)際的地下水位、孔隙壓力和溫度等因素的影響。這些外界環(huán)境條件對(duì)土體強(qiáng)度和應(yīng)力狀態(tài)有重要影響。室內(nèi)模型試驗(yàn)往往沒(méi)有考慮這些環(huán)境因素，因此得到的強(qiáng)度值可能較小。接著，現(xiàn)場(chǎng)土體和室內(nèi)試驗(yàn)的土樣可能存在某些差異，包括土體類型、應(yīng)力歷史和脆化程度等。這些差異可能導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)土體的強(qiáng)度值與室內(nèi)模型的強(qiáng)度值不一致。最后，室內(nèi)試驗(yàn)和CPTU 測(cè)試方法在試驗(yàn)設(shè)備、測(cè)量技術(shù)和操作過(guò)程上存在差異。這些差異可能導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的不同，從而影響強(qiáng)度值的測(cè)定。因此采用CPTU 測(cè)試方法得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更精確更可靠。

圖4 不排水抗剪強(qiáng)度對(duì)比圖

綜上可見(jiàn)，孔壓靜力觸探試驗(yàn)作為一種新發(fā)展起來(lái)的試驗(yàn)，它將量測(cè)孔隙水壓力的傳感元件與標(biāo)準(zhǔn)的靜力觸探組合在一起，使能在測(cè)定貫入阻力的同時(shí)量測(cè)孔隙水壓力；當(dāng)停止貫入時(shí)，還可以測(cè)定超孔隙水壓力的消散。由于貫入時(shí)產(chǎn)生的超孔隙水壓力是土類、強(qiáng)度變形特性、以及排水性能的函數(shù)，利用孔壓靜力觸探可以大大提高判別土類和劃分土層的能力，并能分析土的滲透性和固結(jié)特性，以及獲得土層相關(guān)參數(shù)。為后續(xù)工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)以及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

4 結(jié)論

本文以于泉州市城東鎮(zhèn)某工程項(xiàng)目為研究背景，通過(guò)分析CPTU 測(cè)試獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)并結(jié)合十字板剪切試驗(yàn)明確孔壓圓錐系數(shù)與孔壓參數(shù)比兩者之間的聯(lián)系，并在此基礎(chǔ)上建立CPTU 參數(shù)與黏性土不排水抗剪強(qiáng)度的關(guān)系。主要結(jié)論如下：

①當(dāng)鉆探深度小于25m 時(shí)，鉆頭處的錐尖阻力隨深度緩慢增加，但整體增加的幅度較小，當(dāng)鉆探深度超過(guò)25m 后，錐尖阻力迅速增大，孔隙水壓與深度正相關(guān)逐漸增大，并在深度超過(guò)25m 后迅速減小。

②隨著鉆探深度的增加電阻率逐漸減小。側(cè)摩阻力的曲線變化規(guī)律與錐尖阻力基本一致。

③隨著超靜水壓的差值增加，土體的抗剪強(qiáng)度逐漸增大，但剪切試驗(yàn)得到的強(qiáng)度數(shù)值相對(duì)較小，通過(guò)公式反算求解得到孔壓圓錐系數(shù)為8.62，與十字板試驗(yàn)得到的數(shù)值擬合高達(dá)0.88，兩者具有較高的吻合度。

④本文研究?jī)?nèi)容可以為項(xiàng)目基坑設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)，使得項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)更為合理經(jīng)濟(jì)。