基于CPTU的寧波黏性土不排水抗剪強度確定研究

李學鵬，楊曉娟，蔡國軍，李 飚，林 軍

(1.東南大學 江蘇省城市地下工程與環境安全重點實驗室，江蘇 南京 210096；2.東南大學 交通學院 巖土工程研究所，江蘇 南京 210096；3.江西省公路工程監理公司，江西 南昌 330002；4.浙江省工程勘察院，浙江 寧波 315012)

基于CPTU的寧波黏性土不排水抗剪強度確定研究

李學鵬1，2，楊曉娟3，蔡國軍1，2，李 飚4，林 軍1，2

(1.東南大學 江蘇省城市地下工程與環境安全重點實驗室，江蘇 南京 210096；2.東南大學 交通學院 巖土工程研究所，江蘇 南京 210096；3.江西省公路工程監理公司，江西 南昌 330002；4.浙江省工程勘察院，浙江 寧波 315012)

黏性土的不排水抗剪強度是黏性土的重要力學指標，對于地鐵車站的設計是非常重要的。由于獲得無擾動試樣的困難或成本限制，現代原位測試技術已廣泛用于不排水抗剪強度的評價之中。以寧波地鐵車站為工程背景，采用多功能孔壓靜力觸探技術(CPTU)對黏性土進行土層測試和評價。介紹了CPTU測試技術的基本原理；根據十字板剪切強度反演孔壓圓錐系數(NΔu)，提出了不排水抗剪強度與超靜孔壓的關系，并探討了孔壓圓錐系數與孔壓參數比的關系；將基于CPTU測試技術的不排水抗剪強度與室內測試結果進行對比。結果表明，采用CPTU測試技術能有效地評價黏性土的不排水抗剪強度；基于十字板剪切試驗的不排水抗剪強度與基于CPTU測試技術的超靜孔壓有著較好的相關性；孔壓圓錐系數與孔壓參數比有著較好的對應關系。

巖土工程；黏性土；不排水抗剪強度；CPTU；十字板剪切試驗

0 引 言

不排水抗剪強度(Su)是黏性土十分重要的力學特性參數，對黏性土的強度特性分析和穩定性評價具有重要作用[1-6]。目前，確定黏性土不排水抗剪強度的方法大致可分為室內試驗和現場原位試驗兩大類。室內試驗主要包括快剪試驗、三軸壓縮試驗和無側限抗壓強度試驗等，而現場原位試驗主要由十字板剪切試驗(FVT)、扁板側脹試驗(DMT)和靜力觸探試驗(CPT)等[7-9]。近年來，國內外學者對評價黏性土的不排水抗剪強度有了一定的研究。曾玲玲等[10-11]通過對福州天然沉積黏土原狀樣及不同初始含水率重塑樣進行三軸固結不排水抗剪試驗，探討了土的結構性對天然沉積黏土強度的影響規律。由于土樣在取樣及保存中很難保持原位應力狀態，故而采用室內試驗方法進行不排水抗剪強度的評價在工程應用上受到了一定的限制，使得現代原位測試方法得到了廣泛的應用。劉松玉等[12]對連云港海相黏土和蘇州太湖沖湖積相黏土進行了孔壓靜力觸探試驗(CPTU)，以此評價江蘇黏性土的不排水抗剪強度。童立元等[13]通過CPTU試驗對橋梁基礎中的黏性土進行不排水抗剪強度的估算。K.SENNESET等[14]建議采用對錐尖阻力qc修正后的有效錐尖阻力qe來估算Su，T.LUNNE等[15]通過超凈孔隙水壓力Δu來評價Su。

相比于室內試驗以及傳統的靜力觸探,孔壓靜力觸探(CPTU)試驗除了能提供錐尖阻力qc、側壁摩阻力fs，還能提供孔隙水壓力u以及土體電阻率ρ等參數，而這些參數對于土體的參數評價具有重要的參考價值[16-19]。鑒于CPTU自身的優勢，CPTU測試技術已在國外得到了廣泛的應用，但在國內的科學研究和工程應用還需要進一步推廣。

基于此，對寧波地鐵車站黏性土進行了多功能CPTU原位測試，并結合現場十字板剪切試驗，通過十字板剪切試驗得到的不排水抗剪強度反演得到孔壓圓錐系數NΔu，并得到孔壓參數比Bq與圓錐系數的關系,以此來確定黏性土不排水抗剪強度，并探求寧波地鐵車站黏性土CPTU參數與不排水抗剪強度之間的相關關系。

1 試驗研究

1.1 場地描述

本次現代多功能CPTU試驗場地位于寧波市地鐵車站臘梅路站。臘梅路站沿規劃的院士路高架東側南北向設置，現狀位置為原大漕村村舍。站位東側為拆遷空地，南側為在建臘梅路延伸段，西側南部為高樓，西側北部為寧波體育運動學校。該測試場地地形較為平坦，地貌類型單一，屬于沖湖積平原，巖土種類較多，巖性多變，均一性較差，且廣泛分布有淤泥質土和軟弱黏性土等特殊性土。根據該地區多功能CPTU試驗，結合鉆孔資料，場地揭露深度內原狀土層自上而下可分為：黏土、淤泥質黏土、黏土、粉砂。該測試場地附近無明顯地表水，原有河塘處已被填埋形成暗浜，由于場地地勢較低，雨季時地勢低洼處會有明顯積水現象。根據地下水含水層介質、水動力特征及其賦存條件，可將場地內地下水分為孔隙潛水、孔隙承壓水和基巖裂隙水。

1.2 試驗設備

試驗采用東南大學巖土工程研究所于2005年引進的美國Hogentogler原裝多功能數字化車載式CPTU系統。對寧波市地鐵車站臘梅路站進行了CPTU試驗，該測試場地CPTU試驗孔位布點如圖1。現場共鉆孔5個，孔號分別為CPTU1，CPTU2，CPTU3，CPTU4，CPTU5。臘梅路站的南側是高新區站，北側是三官堂站。現場數據采集使用Enhanced Field Computer System 4.0計算機系統，使用CONEPOLT和CLEANUP軟件得到數據列表。值得注意的是，本次試驗運用電阻率CPTU探頭，該探頭不僅可測錐尖阻力qc、側壁摩阻力fs，孔隙水壓力u，還能提供土體電阻率ρ[20-21]。該探頭的錐角為60°，側壁摩擦筒表面積為150 cm2，錐底截面積為10 cm2。

圖1 寧波地鐵臘梅路站CPTU試驗孔位布點Fig.1 Layout of CPTU test points at Lamei Station of Ningbo Subway

1.3 測試原理

CPT的技術原理是將一個內部裝有傳感器的探頭勻速地壓入土中，而不同的土層對探頭的阻力由傳感器以電信號的形式輸入到記錄儀表中，通過分析探頭阻力確定土層工程特征。在CPT技術的基礎上，CPTU技術增加了孔隙水壓力測試元件，即在探頭錐肩處增加了孔壓元件。而這孔壓元件實際上就是一個高濾水性的多孔濾石，該孔壓測試元件具有高透水性、低氣滲性特征。因此CPTU技術可測試貫入工程土體孔壓的連續變化或消散過程。而筆者采用的探頭是在普通CPTU探頭的基礎上增加了一個電阻率傳感器，安裝在標準CPTU探頭后部，主要由4個銅質電極及電路系統組成。其電路系統與4個電極同步，連續測量兩對電極間的電壓變化，并根據歐姆定律編制的程序計算電極周圍土體的電阻率大小。

通過建立在孔穴擴張理論基礎上的理論解和半經驗-半理論解[22]，建立了超孔隙水壓力Δu與Su的關系式(1)，采用量測的孔隙水壓力來估算Su：

(1)

式中：NΔu為孔壓圓錐系數,根據孔穴擴張理論，NΔu的理論值大致為2～20；u0為靜水壓力；u2為CPTU錐肩位置量測的孔隙水壓力；Δu為超孔隙水壓力。

2 試驗結果

2.1 典型測試曲線

在寧波地鐵臘梅路站共進行了5個CPTU試驗孔，試驗深度均超過了25 m，最深的達到了27.85 m。利用錐尖阻力、側壁摩阻力、孔隙水壓力和土體電阻率等CPTU測試數據，對土體進行均質性檢驗，確定均質土體的邊界，進行力學分層。圖2給出了本次CPTU試驗的典型結果。

圖2 典型CPTU測試結果Fig.2 Test results of typical piezocone penetration test

由圖2可見，試驗場地分層從上到下大致為黏土，淤泥質黏土，粉質黏土，粉砂。錐尖阻力是CPTU測試的重要內容，幾乎所有基于CPTU測試數據估算的巖土工程參數都與其有關。可以清楚地看出，該孔號的地表面大概有1 m左右的硬殼層，該土體錐尖阻力值較大，具有一定的強度。硬殼層下有很深的軟土，該軟土以黏土和淤泥質黏土為主，其黏性土的錐尖阻力值普遍較小，該軟土具有含水率高、孔隙比大、低強度、黏粒含量高等顯著特征。當深度超過26 m的時候，粉砂層的錐尖阻力和側壁摩阻力明顯增大，而此處孔壓逐漸減小。該場地地下水位在1.0 m處，地下水位以上土體的電阻率值較大，而進入地下水位以下時土體的電阻率值較小。

2.2 不排水抗剪強度與超靜孔壓的關系

從Δu與Su的關系式(1)中可以看出，可根據Δu求出土體的不排水抗剪強度Su。然而孔壓圓錐系數NΔu=2～20。為精確得出該試驗段的孔壓圓錐系數值，通過現場的十字板剪切試驗求得的不排水抗剪強度值來反演孔壓圓錐系數值。從十字板剪切試驗得到的黏性土的不排水抗剪強度Su比較小，最小值為16 kPa；位于淤泥質黏土中,最大值大致為80 kPa，位于粉質黏土中。而CPTU測試得到的孔隙水壓力u2值減去靜水壓力u0值可與十字板剪切試驗得到的Su值對應起來。圖3為現場十字板剪切試驗得到的Su與NΔu的關系圖，通過擬合得到基于CPTU測試的Su與Δu的關系式(2)：

(2)

圖3 基于十字板剪切試驗反演寧波黏性土NΔu值Fig.3 Pore pressure cone coefficient (NΔu) of Ningbo clayey soil based on the inversion of field vane shear tests

由圖3可見，隨著超靜孔隙水壓力的增大，土的抗剪強度也隨之增大，通過25處數據擬合后得到的寧波地鐵車站黏性土NΔu=8.62，相關性R2=0.88。式(2)為CPTU測試的Su與Δu的相關關系。在得到CPTU參數Δu后，即可通過式(2)計算得到土體不排水抗剪強度值。

2.3 孔壓圓錐系數與孔壓參數比的關系

研究表明，錐尖阻力的測試精度和可靠度比側壁摩阻力高，故而基于CPTU測試技術的土分類方法主要采用凈錐尖阻力qt和孔壓參數比Bq。其實孔壓參數比的作用不僅在于CPTU土層分類，它對CPTU其它參數的評價也有著重要的參考價值。孔壓參數比Bq的定義如式(3)：

(3)

qt=qc+u2(1-a)

(4)

式中：σv0為總上覆應力；qt為經過面積修正的錐尖阻力；a為有效面積比，a=Aa/Ac(Aa，Ac分別為頂柱和錐底的橫截面積)；qc為錐尖阻力。

孔壓圓錐系數Δu與孔壓參數比Bq有著對應關系。通過CPTU測試可得到連續的孔壓參數比值。圖4為寧波地鐵車站測試場地黏性土中二者的相關關系。從圖4中可知NΔu與Bq的關系如式(5)：

(5)

圖4 孔壓參數比Bq與孔壓圓錐系數NΔu關系Fig.4 Relationship between pore pressure parameter ratio (Bq) and pore pressure cone coefficient (NΔu)

圖4 給出的孔壓參數比Bq與孔壓圓錐系數NΔu關系表明孔壓圓錐系數與孔壓參數比成線性關系，孔壓圓錐系數可近似擬合為11.1倍的孔壓參數比。從圖4可知，在CPTU測試技術中，可以運用已知的CPTU測試參數孔壓參數比Bq來求得孔壓圓錐系數NΔu，繼而求出不排水抗剪強度，因此，孔壓參數比在CPTU測試技術中有著十分重要的作用。

圖5給出了基于室內三軸固結不排水試驗得到的Su值與基于NΔu法的CPTU測試得到的Su值的對比。此處NΔu值為圖3所擬合的結果(即NΔu= 8.62)。因CPTU測試技術是在現場進行的測試，故而在通常情況下CPTU測試值要高于室內試驗值。而從圖5中可以看出，基于CPTU測試得到的黏性土的Su值與室內Su值的差距不大，最大差距在30%以內。

圖5 基于CPTU測試得到的Su值與室內試驗得到的Su值對比Fig.5 Contrast of Su obtained from CPTU and laboratory tests

本次現場測試與室內測試造成的最大誤差有近30%。主要原因：①室內試驗不可避免造成的誤差；②黏性土在取樣過程中造成的土樣擾動；③試驗儀器的精確度有限。考慮上述原因，CPTU測試得到的黏性土的Su值與室內Su值十分吻合，故而CPTU測試技術估算黏性土的Su值是可行的。

3 結 論

筆者研究了采用CPTU測試技術進行黏性土的不排水抗剪強度Su值的評價，建立了寧波地鐵車站臘梅路站地下黏性土的不排水抗剪強度與超靜孔壓的關系以及孔壓圓錐系數與孔壓參數比的關系，得出了如下結論：

1)黏性土中超靜孔隙水壓力越大的地方，其抗剪強度也更大。寧波地鐵車站黏性土的不排水抗剪強度與超靜孔壓成線性關系，其孔壓圓錐系數NΔu值為8.62。

2)孔壓參數比在CPTU測試技術中有著十分重要的作用。孔壓圓錐系數與孔壓參數比有著對應關系，寧波地鐵車站臘梅路站黏性土的孔壓圓錐系數可近似擬合為11.1倍的孔壓參數比。

3)基于CPTU測試技術與室內試驗得到的不排水抗剪強度Su值誤差較小，因此，基于CPTU測試技術評價不排水抗剪強度Su值是可行的。

[1] CHEN Y J, KNLHAWY F H. Undrained strength interrelationships among CIUC, UU, and UC tests[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,1993,119(11):1732-1750.

[2] KOKUSHO T, HARA T, HIRAOKA R. Undrained shear strength of granular soils with different particle gradations[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,2004,130(6):621-629.

[3] TANI K, CRAIG W H. Development of centrifuge cone penetration test to evaluate the undrained shear strength profile of a model clay bed[J].SoilsandFoundations,1995,35(2):37-47.

[4] LOW H E, LUNNE T, ANDERSEN K H, et al. Estimation of intact and remoulded undrained shear strengths from penetration tests in soft clays[J].Geotechnique,2010,60(11):843-859.

[5] 曹宇春，楊建輝. 基于有效固結應力法確定結構性黏性土不排水抗剪強度[J]. 巖土力學,2013,34(11):3087- 3090. CAO Yuchun, YANG Jianhui. Undrained shear strength determination of structured clays based on effective consolidation stress method[J].RockandSoilMechanics,2013,34(11):3087-3090.

[6] 龔曉南. 軟黏土地基土體抗剪強度若干問題[J]. 巖土工程學報,2011,33(10):1596-1598. GONG Xiaonan. Some problems concerning shear strength of soil in soft clay ground[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2011,33(10):1596-1598.

[7] CAI G J, LIU S Y, TONG L Y, et al. Assessment of direct CPT and CPTU methods for predicting the ultimate bearing capacity of single piles[J].EngineeringGeology,2009,104(1):211-222.

[8] CAI G J, PUPPALA A J, LIU S Y. Characterization on the correlation between shear wave velocity and piezocone tip resistance of Jiangsu soft clays[J].EngineeringGeology,2014,171(13):96-103.

[9] TEH C I, HOULSBY G T. An analytical study of the cone penetration test in clay[J].Geotechnique,1991,41(1):17-34.

[10] 曾玲玲, 曾俊, 陳福全, 等. 天然沉積結構性黏土的不排水強度性狀[J]. 巖土工程學報,2014,36(6):1072- 1075. ZENG Lingling, ZENG Jun, CHEN Fuquan, et al. Undrained shear strength behavior of natural sedimentary structural clay[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2014,36(6):1072-1075.

[11] 曾玲玲, 洪振舜, 劉松玉. 考慮固結路徑影響的天然沉積土不排水剪切試驗研究[J]. 東南大學學報(自然科學版),2012,42(4):744-748. ZENG Lingling, HONG Zhenshun, LIU Songyu. Experimental study on undrained shear behavior of natural sedimentary clays under various consolidation stress paths[J].JournalofSoutheastUniversity(NaturalScience),2012,42(4):744-748.

[12] 劉松玉, 蔡國軍, 童立元. 現代多功能CPTU技術理論與工程應用[M]. 北京: 科學出版社,2013. LIU Songyu, CAI Guojun, TONG Liyuan.TheTheoryandEngineeringApplicationofPiezoconePenetrationTest[M]. Beijing: Science Press,2013.

[13] TONG L Y, WANG Q, DU G Y. Determination of undrained shear strength using piezocone penetration test in clayed soil for bridge foundation[J].JournalofSoutheastUniversity(EnglishEdition),2011,27(2):201-205.

[14] SENNESET K，JANBU N，SVANO G．Strength and deformation parameters from cone penetration tests[C]//ProceedingsoftheSecondEuropeanSymposiumonPenetrationTesting. Rotterdam: Balkema Publishers，1982.

[15] LUNNE T, CHRISTOPHERSEN H P, TJELTA T I. Engineering use of piezocone data in North Sea clays[C]//Proceedingsofthe11thInternationalConferenceonSoilMechanicsandFoundationEngineering. Rotterdam: Balkema Publishers,1985.

[16] SU S F, LIAO H J. Influence of strength anisotropy on piezocone resistance in clay[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,2002,128(2):166-173.

[17] KURUP P U, VOJIADJIS G Z, TUMAY M T. Calibration chamber studies of piezocone test in cohesive soils[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,1994,120(1):81-107.

[18] CAI G J, LIU S Y, TONG L Y, et al. Field evaluation of undrained shear strength from piezocone penetration tests in soft marine clay[J].MarineGeoresourcesandGeotechnology,2010,28(2):143-153.

[19] ROBERTSON P K, SULLY J P, WOELLER D J, et al. Estimation coefficient of consolidation from piezocone tests[J].CanadianGeotechnicalJournal,1992,29(4):551-556.

[20] 蔡國軍, 劉松玉, 邵光輝, 等. 基于電阻率靜力觸探的連云港海相黏土成因特征分析[J]. 巖土工程學報,2008,30(4):529-535. CAI Guojun, LIU Songyu, SHAO Guanghui, et al. Analysis of formation characteristics of marine clay based on resistivity cone penetration test(RCPT)[J].ChineseJournalofGeotechnicalengineering,2008,30(4):529-535.

[21] 蔡國軍，張濤，劉松玉，等. 江蘇海相黏土電阻率與巖土特性參數間相關性研究[J]. 巖土工程學報，2013,35(8):1470-1471. CAI Guojun, ZHANG Tao, LIU Songyu, et al. Relationship between electrical resistivity and geotechnical characteristic parameters for Jiangsu marine clay[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2013,35(8):1470-1471.

[22] LUNNE T，ROBERTSON P K，POWELL J J M．ConePenetrationTestinginGeotechnicalPractice[M]. London: Blackie Academic and Professional,1997.

Determination of Undrained Shear Strength of Clayey Soil in Ningbo Based on CPTU

LI Xuepeng1, 2, YANG Xiaojuan3, CAI Guojun1, 2, LI Biao4, LIN Jun1, 2

(1. Jiangsu Key Laboratory of Urban Underground Engineering and Environmental Safety, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, P. R. China; 2. Institute of Geotechnical Engineering, School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, P. R. China; 3. Jiangxi Highway Engineering Supervision Company, Nanchang 330002, Jiangxi, P. R. China; 4. Zhejiang Engineering Survey Institute, Ningbo 315012, Zhejiang, P. R. China)

The undrained shear strength is an important physical property of clayey soils and is also very valuable to the design of subway. According to the difficulty and cost constraint of obtaining the undisturbed samples of high quality, a modern in-situ test was commonly applied to evaluate the undrained shear strength. In the case study of Ningbo Subway, the piezocone penetration test (CPTU) was used to test and evaluate the clayey soil. Firstly, the basic operation principles of piezocone penetration test were introduced. Secondly, according to the pore pressure cone coefficient (NΔu) obtained from the inversion of field vane shear test, the relationship between undrained shear strength and excess pore pressure was analyzed, and the relationship between the pore pressure cone coefficient and pore pressure parameter ratio was also discussed. Moreover, the results of undrained shear strength based on the piezocone penetration test were contrasted with the results obtained from laboratory test. It is shown that piezocone penetration test can be used for effective evaluation of undrained shear strength of clayey soil; the undrained shear strength obtained from field vane shear test has a good relevance with the excess pore pressure obtained from piezocone penetration test; and the pore pressure cone coefficient and pore pressure parameter ratio have some corresponding relation with each other.

geotechnical engineering; clayey soil; undrained shear strength; piezocone penetration test; field vane shear test

2015-09-29；

2015-12-05

國家自然科學基金項目(41330641,41202203)；全國優秀博士學位論文作者專項資金項目(201353)；江蘇省杰出青年基金項目(BK20140027)；教育部新世紀優秀人才支持計劃 (NCET-13-0118)；中央高校基本科研業務費(2242013R30014)

李學鵬(1984—)，男，江西萍鄉人，博士研究生，主要從事原位測試技術方面的研究。E-mail：lixuepeng1984@126.com。

蔡國軍(1977—)，男，山東兗州人，博士，教授，主要從事現代原位測試、地基處理等方面的研究。E-mail：focuscai@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.05

U452.1+2;TU413

A

1674-0696(2016)06-020-04