對(duì)比分析CPT土分類方法在地基檢測(cè)中的應(yīng)用

王梓旭

摘要：針對(duì)當(dāng)前在地基檢測(cè)過程中廣泛應(yīng)用的CPT土分類方法，包括Schmertmann法、Douglas法和Robertson法，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)不同分類方法進(jìn)行對(duì)比分析，以此為地基檢測(cè)土層分類工作提供可靠參考依據(jù)，保證最終檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)性與準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：CPT土分類方法；地基檢測(cè)；對(duì)比分析

在巖土工程勘察中，土層分類為重要組成部分，劃分結(jié)果能為實(shí)際的工程設(shè)計(jì)和施工提供可靠參考資料，同時(shí)劃分結(jié)果是否準(zhǔn)確還決定了工程質(zhì)量。在土層分類和劃分過程中，準(zhǔn)確性最高且最直觀的方法為鉆孔取樣方法，同時(shí)結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，而對(duì)于鉆探這一傳統(tǒng)意義上的方法，通常會(huì)受到工期、成本和場(chǎng)地等因素的限制，無法對(duì)鉆孔進(jìn)行廣泛布置，所得地層剖面存在一定限制。對(duì)于靜力觸探的方法，由于操作簡單、連續(xù)快速且經(jīng)濟(jì)合理，所以在當(dāng)前的工程界已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在20世紀(jì)80年代初期，CPT技術(shù)快速發(fā)展，很多土層的劃分主要是將錐尖阻力與摩阻力作為基礎(chǔ)，如Schmertmann法、Douglas法與Olsen法。伴隨CPTU技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，發(fā)現(xiàn)錐尖阻力難免受到孔隙水壓等因素的影響，所以借助孔隙水壓對(duì)錐尖阻力進(jìn)行修正可以獲得良好的土性參數(shù)，如Robertson法。為了明確以上幾種方法的特點(diǎn)和優(yōu)劣，有必要進(jìn)行應(yīng)用對(duì)比。

1. CPT土分類方法

以靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)的土層劃分方法，主要可以分成以下兩類：其一，直接劃分，將土層錐尖阻力與摩阻比作為依據(jù)劃分土層；其二，間接劃分，結(jié)合CPT所得參數(shù)以及CPTU所得孔隙水壓力，并根據(jù)上覆地層的應(yīng)力劃分。雖然通過修正與歸一化處理可以提供可靠度更高的劃分方法，但通過Robertson分析可以得出，在深度相對(duì)較淺且上覆地層應(yīng)力為50kPa～150kPa的情況下，以上兩類劃分方法沒有太大差別，但間接方法需在測(cè)試結(jié)束后才可以進(jìn)行，并且還需要獲得土體密度和明確地下水位；采用直接方法能根據(jù)錐尖與摩阻力對(duì)土層實(shí)施劃分，更加快捷?；诖耍壳耙灾苯觿澐址椒橹鱗1]。

1.1 Schmertmann法

該方法相對(duì)簡單，但因統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)存在局限性，所以土層劃分難免有誤差。Tumay曾以CPT數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合鉆孔取樣結(jié)果實(shí)施了對(duì)比修正，獲得基于Schmertmann法的劃分圖。

1.2 Douglas法

1.3 Robertson1986法

雖然原圖是以完成修正處理的錐尖阻力為依據(jù)進(jìn)行分類的，但對(duì)砂土類地層而言，其修正之后的錐尖阻力與沒有修正的無太大差別?；诖?，在砂土地層當(dāng)中，可直接根據(jù)錐尖阻力進(jìn)行土層劃分，可劃分成12類。

1.4 Robertson1990法

Robertson1986法被廣泛使用后，產(chǎn)生了一個(gè)問題，即當(dāng)檢測(cè)深度不斷增加時(shí)，相同土層在各種檢測(cè)深度條件下所劃分的區(qū)域有所不同，其原因?yàn)闄z測(cè)參數(shù)會(huì)隨著上覆地層應(yīng)力不斷增加而明顯提高，以原參數(shù)為基礎(chǔ)的劃分結(jié)果產(chǎn)生誤差。針對(duì)這一實(shí)際問題，國外很多學(xué)者都對(duì)地層應(yīng)力提出了修正公式。

沒有進(jìn)行歸一化處理的土類指數(shù)與原來歸一化處理的指數(shù)在公式上完全相同，而參數(shù)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榕cCPT相關(guān)的參數(shù)。通過統(tǒng)計(jì)分析可知，無論采用歸一化還是沒有歸一化處理的指數(shù)，當(dāng)土層壓力在50kPa～150kPa范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行的判斷，其結(jié)果沒有太大差別。

2.工程概況

在某工業(yè)區(qū)中，地基總處理面積在630×10m2左右。項(xiàng)目所在區(qū)域地表主要是沉積土，底層是灰?guī)r。沉積層以粉土質(zhì)砂與砂質(zhì)黏土為主，其細(xì)顆粒含量在5%～10%范圍內(nèi)，部分位置可以達(dá)到70%～80%。以設(shè)計(jì)單位提出的要求，砂類土層必須為中密至密實(shí)，而黏性土層需要為硬塑至堅(jiān)硬，地基檢測(cè)方式以CPT為主。因砂類土層與黏性土層在驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)上有所不同，結(jié)合相關(guān)資料可得，相較于砂類土層，黏性土層對(duì)應(yīng)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低，但仍然可以達(dá)到要求，在地基檢測(cè)時(shí)，除了需要提供錐尖阻力對(duì)應(yīng)的驗(yàn)收數(shù)據(jù)曲線，還需要提供與之相對(duì)的劃分方式。特別是可以準(zhǔn)確區(qū)分細(xì)顆粒含量相對(duì)較高的土層，采用科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收，在面積相對(duì)較大的項(xiàng)目中，有著重要的作用與意義。

3.不同方法應(yīng)用結(jié)果對(duì)比分析

在該項(xiàng)目中以20000m2為單位劃區(qū)，在每個(gè)分區(qū)中都隨機(jī)選取一個(gè)點(diǎn)位實(shí)施原位測(cè)試，同時(shí)在測(cè)試點(diǎn)位的1.5m區(qū)域內(nèi)再選取一個(gè)點(diǎn)位實(shí)施補(bǔ)充勘探，勘探方法為鉆孔取樣。因鉆探取樣長度按45cm控制，所以錐尖阻力與摩阻比均按照平均值來選取。在現(xiàn)場(chǎng)共取得250個(gè)鉆孔，在每個(gè)鉆孔上都選取3個(gè)樣品實(shí)施對(duì)比，試樣的總數(shù)為750個(gè)。

對(duì)于砂類土與黏性土，其劃分將5類與6類視作分界線。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的收集和整理，同時(shí)將不同深度條件下試樣的摩阻比與錐尖阻力輸入到相應(yīng)的土分類當(dāng)中，以此確定土類別。各類土的細(xì)顆粒實(shí)際含量如表1所示。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，在6類土中，共有90個(gè)樣品的細(xì)顆粒實(shí)際含量為35%～45%，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，若土層中細(xì)顆粒實(shí)際含量超過35%，則該土層屬于黏性土。基于此，該項(xiàng)目采用Robertson1986法的錯(cuò)判率等于6%。

地基檢測(cè)時(shí)，黏性土被判別成砂類土，同時(shí)采用較高標(biāo)準(zhǔn)來驗(yàn)收，會(huì)使項(xiàng)目成本明顯增加?；诖?，在實(shí)際工作中使用和標(biāo)準(zhǔn)完全匹配的方法進(jìn)行土分類，對(duì)降低項(xiàng)目成本有十分重要的作用與意義，必須引起相關(guān)人員的高度重視。為了對(duì)上述四種方法進(jìn)行對(duì)比，確定各自優(yōu)劣勢(shì)，分別對(duì)Robertson1986法和Douglas法以及Schmertmann法和Robertson1990法進(jìn)行對(duì)比[2]。

3.1 Robertson1986法和Douglas法的對(duì)比

根據(jù)Douglas法原理，采用該方法進(jìn)行土分類時(shí)需將4類與5類土視作界限。在對(duì)Robertson1986法獲得的分區(qū)土進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，輸入至Douglas法當(dāng)中實(shí)施對(duì)比。細(xì)顆粒土實(shí)際含量如表2所示。這兩種方法的對(duì)應(yīng)關(guān)系十分清晰，而且Douglas法能將Robertson1986法的8類與9類土合并與Douglas法的5類土相對(duì)應(yīng)，將Robertson1986法的6類與7類土合并與Douglas法的4類土相對(duì)應(yīng)，同時(shí)所有6類土都包含在其中。兩者唯一的差別在于對(duì)敏感性相對(duì)較高的土進(jìn)行的劃分，相比之下，Douglas法對(duì)敏感性較高的土進(jìn)行的劃分有更小的范圍[3]。

通過室內(nèi)試驗(yàn)可知，采用Robertson1986法對(duì)敏感性相對(duì)較高的土進(jìn)行劃分以細(xì)顆粒實(shí)際含量在35%～50%范圍內(nèi)為主。而Douglas法能將這部分分成4類與5類土。除此之外，采用Douglas法還能將采用Robertson1986法時(shí)劃分的過度性土進(jìn)一步劃分成砂性土。由此可見，相比之下，采用Douglas法具有更大的劃分范圍，從表2的結(jié)果可以看出，有136個(gè)試樣屬于5區(qū)砂類土，其誤判率相對(duì)較高，為18%左右。

3.2 Schmertmann法和Robertson1990法的對(duì)比

基于Schmertmann法的細(xì)顆粒土實(shí)際含量如表3所示。采用Schmertmann法對(duì)砂性土進(jìn)行劃分時(shí)更加細(xì)致，對(duì)顆粒級(jí)配存在不同的土層進(jìn)行劃分時(shí)，確定其密實(shí)狀態(tài)。

采用Robertson1986法時(shí)，8區(qū)～10區(qū)都有局部劃分為密實(shí)性或者是膠結(jié)性的砂性土，其鉆孔的SPT擊數(shù)在10～20范圍內(nèi)。6區(qū)被劃分成具有一定松散性的砂土，其鉆孔的SPT擊數(shù)在10以內(nèi)；1區(qū)與5區(qū)的黏性土被劃分成黏質(zhì)砂土，也就是砂性土，由此可以看出采用Schmertmann法時(shí)，對(duì)砂性土與黏性土進(jìn)行的劃分有更加寬泛的范圍，也就是將Robertson1990法對(duì)應(yīng)的1區(qū)、5區(qū)與6區(qū)都劃分成砂性土，其細(xì)顆粒的實(shí)際含量在50%以上。從表3的數(shù)據(jù)可以看出，采用Schmertmann法時(shí)，無論是黏質(zhì)砂，還是松散砂土，都含有細(xì)顆粒實(shí)際含量在35%以上的土樣，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，有120個(gè)試樣被劃分成砂類土，誤判率等于28%[4]。

3.3 Robertson直接法和指數(shù)法的對(duì)比

基于Robertson指數(shù)法的細(xì)顆粒實(shí)際含量如表4所示。根據(jù)表4數(shù)據(jù)可知，采用Robertson指數(shù)法時(shí)，能將直接法對(duì)應(yīng)的8區(qū)與9區(qū)合并為6區(qū)，并能將6區(qū)與7區(qū)合并為5區(qū)。根據(jù)對(duì)比結(jié)果可以看出，Robertson直接法對(duì)應(yīng)的6區(qū)并不完全分布于Robertson指數(shù)法的5區(qū)，局部則分布于4區(qū)。其原因?yàn)镽obertson直接法6區(qū)細(xì)顆粒實(shí)際含量有超過35%的情況。根據(jù)表4數(shù)據(jù)，5區(qū)中存在10個(gè)土樣被劃分成砂類土。基于此，當(dāng)土類指數(shù)為2.6時(shí)，對(duì)黏性土與砂類土實(shí)施劃分，錯(cuò)判率等于4%。通過綜合考慮和分析，根據(jù)土性指數(shù)能對(duì)黏性土與砂性土進(jìn)行良好區(qū)分，其錯(cuò)判率相對(duì)較低[5]。

從以上對(duì)不同方法的應(yīng)用對(duì)比可以看出，Robertson指數(shù)法的劃分準(zhǔn)確率為所有方法中最高的，平均判錯(cuò)率很低，只有4%左右；排在第二的是Robertson直接法，其平均判錯(cuò)率為6%左右；之后分別為Douglas法與Schmertmann法[6]。

4.結(jié)論

通過以上分析可得：

4.1采用Robertson1986法進(jìn)行分類時(shí)，各分區(qū)都有顆粒級(jí)配，而且很大一部分的分區(qū)都能對(duì)黏性土與砂性土進(jìn)行良好區(qū)分。而對(duì)過渡區(qū)的6類土而言，和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比后可知，無法對(duì)黏性土與砂類土進(jìn)行良好區(qū)分。

4.2從土類劃分結(jié)果準(zhǔn)確性角度講，以Robertson1990法的劃分準(zhǔn)確性最高，平均判錯(cuò)率只有4%左右，排在第二的則是Robertson直接法，其平均判錯(cuò)率為6%左右；之后分別為Douglas法與Schmertmann法。

4.3借助Robertson1990法以CPT各項(xiàng)基本參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行土層劃分時(shí)，可以滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求，將細(xì)顆粒實(shí)際含量為35%作為對(duì)黏性土與砂性土進(jìn)行分界的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而為實(shí)際的地基檢測(cè)工作及項(xiàng)目成本控制提供參考。

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