張菊鋒，宋益明，薛世恩

(核工業(yè)湖州勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,浙江 湖州 313000)

由于孔壓靜力觸探試驗(yàn)(CPTU)兼具勘察和測(cè)試功能，能夠便捷、高效且保持天然狀態(tài)下對(duì)土體進(jìn)行測(cè)試，避免了室內(nèi)試驗(yàn)中取樣尺寸小、擾動(dòng)大、應(yīng)力釋放導(dǎo)致測(cè)試成果偏差、不能反映地層宏觀結(jié)構(gòu)和局部土體的非均質(zhì)性等缺點(diǎn)，測(cè)試參數(shù)能夠反映土體的強(qiáng)度和固結(jié)特性，因此，應(yīng)用靜力觸探試驗(yàn)測(cè)試靈敏度高、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)的軟黏土和取樣困難、受擾動(dòng)易松散的砂類(lèi)土而言具有明顯優(yōu)勢(shì)[1-3]。

李鵬等[4]針對(duì)天津地區(qū)的軟土地層，運(yùn)用深層雙橋靜力觸探方法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)中的壓縮模量建立經(jīng)驗(yàn)公式，研究不同壓力段的土體壓縮模量預(yù)測(cè)方法；吳振華[5]依托江蘇省某公路黏性土試驗(yàn)工點(diǎn)，運(yùn)用雙橋靜力觸探試驗(yàn)獲得錐尖阻力，并與壓縮模量建立相關(guān)關(guān)系，結(jié)果運(yùn)用于地基沉降量的預(yù)測(cè)；李君韜[6]依托北京市某大型巖土工程勘察項(xiàng)目，綜合運(yùn)用旁壓試驗(yàn)方法和靜力觸探試驗(yàn)方法，計(jì)算土體的地基承載力和壓縮模量。

綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)可知，黏性土壓縮模量的預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式與土體的區(qū)域性具有較強(qiáng)的性關(guān)系，而且現(xiàn)有的研究方法多基于雙橋靜力觸探手段，對(duì)孔壓靜力觸探試驗(yàn)的研究較少，因此，本文基于孔壓靜力觸探試驗(yàn)對(duì)杭州地區(qū)軟土的壓縮模量進(jìn)行研究，提出該適用于該區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)公式，以期可為相關(guān)研究提供參考。

1 工程背景

杭政儲(chǔ)出(2018)62號(hào)地塊商務(wù)兼容商業(yè)用房項(xiàng)目位于杭州地鐵1號(hào)線、5號(hào)線的交匯換乘站西北角，工程用地面積為21 441 m2，總建筑面積為182 017 m2，其中地上建筑面積為128 807 m2，地下建筑面積為53 210 m2。該工程地面以上由兩個(gè)主樓、兩個(gè)裙樓組成，1號(hào)主樓29層(局部27層)，建筑高度為94.3 m；2、3號(hào)裙樓7層，建筑高度為23.60 m；4號(hào)主樓30層，建筑高度為97.5 m，1號(hào)、4號(hào)主樓為裝配式鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)(部分樓板、次梁預(yù)制，樓梯預(yù)制)，2、3號(hào)群樓為框架結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目總平面布置如圖1所示，其北側(cè)為規(guī)劃道路，南側(cè)為城市綠化帶，西側(cè)為空置建筑物，東側(cè)為東新路及其高架，地鐵1號(hào)線運(yùn)行區(qū)間位于南北兩側(cè)深基坑之間。

圖1 場(chǎng)區(qū)總平面布置 m

項(xiàng)目基坑在地鐵1號(hào)線明挖區(qū)間南北兩側(cè)開(kāi)挖，南北基坑開(kāi)挖深度約為15 m，地鐵明挖區(qū)間隧道底板埋深約為21 m。項(xiàng)目基坑為一級(jí)基坑工程，為有效控制營(yíng)運(yùn)地鐵明挖隧道水平變形及隆起，需基坑采用分區(qū)開(kāi)挖的形式，共分為6塊區(qū)域開(kāi)挖，其中北側(cè)基坑分位3區(qū)(自西向東分別為N1、N3、N2區(qū))，南側(cè)基坑也分為3區(qū)(自西向東分別為S1、S3、S2區(qū))，本項(xiàng)目30層高的主塔樓在N1、N2區(qū)，7層高的裙樓在S區(qū)，N1、N2區(qū)工程樁的密度遠(yuǎn)大于其他區(qū)域。

2 場(chǎng)區(qū)巖土工程地質(zhì)特性

場(chǎng)地典型土層分布如圖2所示，從典型土層分布圖可以看出，土層自上而下：①1雜填土、②2砂質(zhì)粉土、④1淤泥質(zhì)黏土、④2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑦黏土和⑧1灰色黏土。④1淤泥質(zhì)黏土呈灰色，飽和，流塑，含有機(jī)質(zhì)，⑦層黏土呈灰～灰黃色，飽和，可塑，局部呈軟塑，⑧1層灰色黏土呈灰色，飽和，流塑～軟塑狀態(tài)，場(chǎng)地地下水位在地面下1.7 m位置。

圖2 場(chǎng)區(qū)典型的地質(zhì)土層剖面 m

從圖2還可以看出,項(xiàng)目3層地下室的基坑開(kāi)挖深度約15.3 m,而淤泥質(zhì)土的厚度接近20 m,在基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)主要分布淤泥質(zhì)土,坑底以下還是淤泥質(zhì)土,兩側(cè)基坑臨近明挖地鐵隧道,地鐵隧道對(duì)變形的要求很?chē)?yán)格,基坑支護(hù)難度較大[4]。由此確定場(chǎng)區(qū)黏性土的變形模量、壓縮模量等變形參數(shù)是基坑設(shè)計(jì)的重要前提。對(duì)場(chǎng)區(qū)巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),得到結(jié)果如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)

由表1可以看出，上部?jī)蓪佑倌噘|(zhì)土(淤泥質(zhì)黏土④1、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土④2)的壓縮模量分別為2.0、2.5 MPa，孔隙比均大于1.0，均屬高壓縮性土。

3 黏性土壓縮模量的試驗(yàn)方法

3.1 黏性土壓縮模量的室內(nèi)試驗(yàn)方法

標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)是為了測(cè)得各黏性土層的壓縮模量，試驗(yàn)儀器采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的WG型單杠桿固結(jié)儀[5]。在現(xiàn)場(chǎng)鉆探時(shí)，選取取樣孔進(jìn)行試驗(yàn)用土樣采集，取樣方法為固定活塞式薄壁取土器取樣，取樣間隔為1.0 m。固結(jié)試驗(yàn)主要步驟是將試樣浸水真空飽和24 h后，將切好的土樣安裝入固結(jié)儀中進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)[6]。對(duì)試樣施加不同等級(jí)的軸向荷載，分別為50、100、200、400、600 kPa共5級(jí)，每級(jí)荷載加載時(shí)間為24 h，之后再進(jìn)行下一級(jí)的加載。加載時(shí)注意砝碼輕拿輕放，避免引起沖擊和搖晃[7]。

以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土④2、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土⑥1為例，對(duì)這兩層土分別選取3個(gè)土樣樣本進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)，獲得試樣標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)中軸向荷載和試樣軸向應(yīng)變、孔隙比的關(guān)系曲線如圖3、4所示。

試樣：1—1；2—2；3—3。

從圖3的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線可知，將所得的固結(jié)試驗(yàn)荷載與應(yīng)變關(guān)系曲線擬合成函數(shù)關(guān)系表達(dá)式，可得到試樣1～3的荷載與軸向應(yīng)變的曲線擬合判定系數(shù)R2分別為0.999 2、0.999 8和0.995 8，擬合關(guān)系式為三次函數(shù)關(guān)系，如公式(1)～(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：pa、pb、pc分別表示試件1、2、3的軸向荷載，kPa；εa、εb、εc分別為試件1、2、3的軸向應(yīng)變，%。

從圖4的孔隙比-荷載關(guān)系曲線可知,試樣1～試樣3在荷載p1=100 kPa至p2=200 kPa區(qū)間加載時(shí),所對(duì)應(yīng)的壓縮模量Es1-2分別為2.93、2.69、3.06 MPa，而試樣1～3荷載間隔p2=200 kPa至p4=400 kPa時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓縮模量Es1-4為分別為4.96、4.55、5.28 MPa。

試樣：1—1；2—2；3—3。

對(duì)于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土⑥1試樣，標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)中試樣軸向荷載、軸向應(yīng)變和孔隙比的關(guān)系曲線如圖5、6所示。

試樣：1—4；2—5；3—6。

試樣：1—4；2—5；3—6。

從圖5的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線可知，將所得的固結(jié)試驗(yàn)荷載與應(yīng)變關(guān)系曲線擬合成函數(shù)關(guān)系表達(dá)式，可得到試樣1～3的荷載與軸向應(yīng)變的曲線擬合判定系數(shù)R2分別為0.999 3、0.999 8和0.999 9，擬合關(guān)系式為三次函數(shù)關(guān)系，如公式(4)～(6)所示。

(4)

(5)

(6)

從圖4中孔隙比-荷載關(guān)系曲線可知,試樣4～試樣6在荷載p1=100 kPa至p2=200 kPa區(qū)間加載時(shí)，所對(duì)應(yīng)的壓縮模量Es1-2分別為3.17、3.05、3.68 MPa，而試樣1～3在荷載p2=200 kPa至p4=400 kPa區(qū)間加載時(shí)，所對(duì)應(yīng)的壓縮模量Es1-4為分別為4.48、4.49、5.01 MPa。

3.2 黏性土壓縮模量的孔壓靜力觸探試驗(yàn)方法

選用某公司生產(chǎn)的多功能數(shù)字式孔壓靜力觸探設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)的探頭錐尖角度為60°，錐底截面積為10 cm2，摩擦套筒的表面積為150 cm2，有效面積比為0.8，孔隙水壓力濾件安裝在錐肩位置，設(shè)備采集系統(tǒng)可以自動(dòng)采集錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力、孔隙水壓力。圖7為場(chǎng)區(qū)3個(gè)典型的孔壓靜力觸探試驗(yàn)孔JC1～JC3的測(cè)試參數(shù)剖面。

(a)錐尖阻力；(b)側(cè)摩阻力(c)摩阻比；(b)超孔隙水壓力 1—JC1孔；2—JC2孔；3—JC3孔；4—靜水壓力。

基于孔壓靜力觸探試驗(yàn)的土體壓縮模量經(jīng)驗(yàn)公式中，SANGLERAT[8](1972年)、JONES和RUST(1980年)、SENNESET[9-10](1989年)、KULHAWA和MAYNE[11-12](1990年)提出的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法應(yīng)用較為廣泛，所使用的孔壓靜力觸探參數(shù)包括錐尖阻力qc、修正錐尖阻力qt、凈錐尖阻力qn，具體的計(jì)算公式及適用條件如果表2所示。

表2 基于孔壓靜力觸探試驗(yàn)的土體壓縮模量經(jīng)驗(yàn)公式

4 黏性土壓縮模量的測(cè)試結(jié)果分析

運(yùn)用孔壓靜力觸探試驗(yàn)得到錐尖阻力qc，由表2中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的壓縮模量ES-CPTU。以室內(nèi)試驗(yàn)獲取的壓縮模量ES-LAB為參考，將ES-CPTU與ES-LAB進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖8～11所示。圖中最佳擬合線表示孔壓靜力觸探試驗(yàn)壓縮模量與室內(nèi)試驗(yàn)壓縮模量完全一致，為理想預(yù)測(cè)狀態(tài)。擬合關(guān)系采用綜合比較了線性擬合關(guān)系與非線性擬合關(guān)系，而非線性擬合關(guān)系得到的判定系數(shù)R2非常小，而線性擬合關(guān)系得到的判定系數(shù)R2則較高，因此采用線性擬合關(guān)系得到孔壓靜力觸探試驗(yàn)壓縮模量與室內(nèi)試驗(yàn)壓縮模量的相關(guān)關(guān)系。圖8～11中不僅給出了擬合關(guān)系的判定系數(shù)R2，也給出了最佳擬合線，如果擬合關(guān)系線在最佳擬合線逆時(shí)針?lè)较?，表明該方法高估了壓縮模量，偏離越遠(yuǎn)，高估量越大，如果擬合關(guān)系線在最佳擬合線順時(shí)針?lè)较?，表明該方法低估了壓縮模量，偏離越遠(yuǎn)，低估量越大?；赟ANGLERAT(1972年)提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的壓縮模量Es-CPTU與室內(nèi)試驗(yàn)壓縮模量Es-LAB的擬合關(guān)系如公式(7)所示，判定系數(shù)為0.994，同樣地，基于SENNESET(1989年)、KULHAWA和MAYNE(1990年)、JONES和RUST(1980年)提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的壓縮模量Es-CPTU與室內(nèi)試驗(yàn)壓縮模量Es-LAB的擬合關(guān)系如公式(8)～(10)所示，判定系數(shù)分別為0.938 8、0.993 7、0.904 9。

1—淤泥質(zhì)黏土④1；2—淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土④2；3—淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏⑥1；4—黏土⑦；5—黏土⑧1；6—粉質(zhì)黏土⑨1。

1—淤泥質(zhì)黏土④1；2—淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土④2；3—淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏⑥1；4—黏土⑦；5—黏土⑧1；6—粉質(zhì)黏土⑨1。

1—淤泥質(zhì)黏土④1；2—淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土④2；3—淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏⑥1；4—黏土⑦；5—黏土⑧1；6—粉質(zhì)黏土⑨1。

Es-CPTU=1.343 9Es-LAB

(7)

Es-CPTU=0.948 9Es-LAB

(8)

Es-CPTU=2.294 0Es-LAB

(9)

Es-CPTU=0.782 6Es-LAB

(10)

式中：Es-CPTU為孔壓靜力觸探試驗(yàn)測(cè)試獲得的土體壓縮模量，MPa；Es-LAB為室內(nèi)壓縮試驗(yàn)獲得的土體壓縮模量，MPa。

由此可知,SANGLERAT(1972年)、KULHAWA和MAYNE(1990年)提出的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法明顯高估了土體的壓縮模量，KULHAWA和MAYNE(1990年)預(yù)測(cè)得到的壓縮模量是室內(nèi)試驗(yàn)得到壓縮模量的2倍(使用的孔壓靜力觸探參數(shù)為凈錐尖阻力qn)，而JONES和RUST(1980年)提出的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法則明顯低估了土體的壓縮模量(使用的孔壓靜力觸探參數(shù)為錐尖阻力qt)，SENNESET(1989年)提出的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法可以較好地預(yù)測(cè)的土體的壓縮模量(使用的孔壓靜力觸探參數(shù)為修正錐尖阻力qt)，擬合直線關(guān)系的斜率為0.948 9，擬合判定系數(shù)也較高，達(dá)到了0.938 8。表明采用修正錐尖阻力qt可以得到更為精確的壓縮模量。

為了很好地評(píng)價(jià)基于SENNESET(1989年)預(yù)測(cè)方法的適用性，也為了使得該方法在杭州地區(qū)的軟土中具有實(shí)用性。本文基于實(shí)測(cè)的孔壓靜力觸探試驗(yàn)錐尖阻力qc，計(jì)算得到修正錐尖阻力qt，以SENNESET(1989年)經(jīng)驗(yàn)公式的形式，擬合修正錐尖阻力qt與ES-LAB進(jìn)行擬合，以修正SENNESET(1989年)經(jīng)驗(yàn)公式的系數(shù)，進(jìn)而得出適用于杭州地區(qū)軟土的預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)果如圖12所示。

1—淤泥質(zhì)黏土④1；2—淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土④2；3—淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏⑥1；4—黏土⑦；5—黏土⑧1；6—粉質(zhì)黏土⑨1。

從圖12中可以看出，修正錐尖阻力與室內(nèi)試驗(yàn)壓縮模量具有良好的線性關(guān)系，決定系數(shù)為0.979 1，兩者的關(guān)系式如公式(11)所示?；诠?11)得到的壓縮模量對(duì)杭政儲(chǔ)出(2018)62號(hào)地塊商務(wù)兼容商業(yè)用房項(xiàng)目的基坑變形進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試的壓縮模量對(duì)本項(xiàng)目的基坑變形計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，兩者的誤差小于5%，驗(yàn)證了公式(11)的有效性和可靠性。

Es-CPTU=3.315 8qt

(11)

式中：qt為孔壓靜力觸探修正錐尖阻力，MPa。

5 結(jié) 論

(1)室內(nèi)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)可以依據(jù)荷載-應(yīng)變關(guān)系、孔隙比-荷載關(guān)系得到土體的參考切線模量、壓縮模量等變形參數(shù)，而孔壓靜力觸探則可以提供土體原位狀態(tài)下的錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力和孔隙水壓力等參數(shù)，既有的經(jīng)驗(yàn)公式表明建立兩者的相互關(guān)系具有可行性。

(2)SANGLERAT(1972年)、KULHAWA和MAYNE(1990年)提出的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法明顯高估了土體的壓縮模量，JONES和RUST(1980年)提出的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法則明顯低估了土體的壓縮模量，SENNESET(1989年)提出的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法可以較好地預(yù)測(cè)的土體的壓縮模量，修正錐尖阻力qt可以得到更為精確的壓縮模量。

(3)基于實(shí)測(cè)的孔壓靜力觸探試驗(yàn)錐尖阻力qc，計(jì)算得到修正錐尖阻力qt，以SENNESET(1989年)經(jīng)驗(yàn)公式的形式，擬合修正錐尖阻力qt與ES-LAB進(jìn)行擬合，以修正SENNESET(1989年)經(jīng)驗(yàn)公式的系數(shù)，進(jìn)而得出適用于杭州地區(qū)軟土的預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式。