孔壓靜力觸探在澳門海相軟土強度解譯中的應用

段存俊，劉彬，莫品強

（1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032；2.中國礦業大學深地工程智能建造與健康運維全國重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

目前，海洋工程建設的發展日益擴大，海相軟土地區的基礎工程建設也越來越受到關注[1]。而海相軟土地區的工程勘察和設計中，強度參數是最為重要的參數之一。因此，如何準確地測定海相軟土地區的強度參數成為當前研究的熱點問題之一。

孔壓靜力觸探（Piezocone Penetration Test，CPTu）是一種常用的原位測試方法，通過測量錐尖阻力、側壁摩阻力和孔隙水壓力等參數，可以反映土體的密實度、含水率、排水條件等特征[2]。CPTu 測試具有操作簡便、速度快、成本低、數據連續等優點，已經成為海洋巖土工程中不可或缺的測試手段[3]。然而，由于CPTu 測試不能直接測得土體強度參數，需要通過一定的解譯方法將CPTu 測試參數轉化為強度參數，這就涉及到解譯方法的選擇和適用性問題。目前，國內外已經提出了許多基于CPTu 的土體強度解譯方法，如承載力理論[4]、小孔擴張法[5-6]、經驗公式法[7]、應變路徑法[8]等，還有學者采用機器學習的方法解譯土體參數[9]，但這些方法都存在一定的局限性和不確定性，如適用范圍窄、參數敏感性高、考慮因素少等。

本文基于澳門國際機場擴建項目的原位測試數據提出了歸一化有效錐尖阻力QE與錐尖因子Nkt的線性相關性，用于預測了海相淤泥軟土的不排水抗剪強度，并與十字板剪切試驗（Vane Shear Test，VST）所獲得的不排水抗剪強度進行對比，為工程中的原位測試、基礎設計及地基處理提供有效指導。

1 工程項目

1.1 工程概況

澳門國際機場擴建填海工程建設內容包括：依托現有機場條件新增約150 hm2填海造地面積，將跑道人工島嶼與現有2 條滑行橋之間的水域回填，擴大停機坪容量，以增加飛機停機泊位，滿足國際民航組織的新安全標準；新建排洪道約4 km、外海永久護岸約300 m、臨時堤堰約2.3 km；以及依托現有機場上部設施，新建跑道聯絡道、滑行道，本次建設內容從區域上共分3 塊，分別為由跑道與停機坪和聯絡橋合圍而成的三角區、跑道北端延伸段、跑道南端延伸段。

跑道人工島嶼與停機坪中間預留95 m 寬的水道；新建土地和設施將大大地擴充客運大樓和通用航空設施的承運能力，并且增加跑道容量。填海工程將按需要分段進行，總填海面積超過129 hm2。本項目原位測試場地緊鄰澳門國際機場（圖1），場區基本處于海水浸潤區域。區域內共布置105 個CPTu 孔、29 個十字板剪切試驗孔、20 個扁鏟側脹試驗孔、20 個旁壓試驗孔。現場勘察的原位測試典型結果如圖2 所示。

圖1 勘探點平面位置圖Fig.1 Plan of the exploration point

圖2 原位測試典型結果Fig.2 Typical results of in-situ test

1.2 地質條件

三角區擬建圍堤及陸域形成區水下地形較平坦，泥面標高一般為+1.5～+0.5 m，淺表部主要發育的土層有流泥、淤泥、淤泥質黏土，其中淤泥層具有高含水量、高壓縮性、中—高靈敏度的特點，力學強度低，工程地質性質差，累計厚度一般在15.0～20.0 m 之間。在圍堤建設期間及建成后的大面積荷載作用下易產生沉降變形及側向蠕動變形，進而產生不均勻沉降，為擬建區域主要不良地基土層，不可直接作為天然地基持力層。

本文選取澳門國際機場擴建工程場地淤泥為研究對象，經對淤泥的CPTu 實測數據（qc、fs、u2）及十字板剪切試驗Su，VST（）進行數理統計，統計子樣數為130 組，統計結果見表1。

表1 場地淤泥CPTu 及VST 數據統計表Table 1 Statistical table of silt CPTu and VST data

2 測試數據處理

由于原位測試的結果受土層分布、深度等多方面因素的影響，為了盡可能消除這些影響，學者們提出了許多數據歸一化的方法，T/CCES 1—2017《孔壓靜力觸探測試技術規程》[7]中采用的是歸一化錐尖阻力Qtn、歸一化摩阻比Fr、孔壓參數比Bq，表達式如下：

式中：Qtn為歸一化錐尖阻力；qt為修正后的錐尖阻力，可用qt=qc+（1-α）u2計算，其中α 一般取0.8；σv0為總上覆應力；pa為標準大氣壓，取101 kPa；為有效上覆應力；n 為系數，對于砂土取0.5，黏土取1.0；Fr為歸一化摩阻比；fs為側壁摩阻力；Bq為孔壓參數比；u2為錐肩孔壓；u0為初始孔隙水壓力。

Shuttle 等[10]為了將排水與不排水條件下的CPTu測試結果進行統一分析，將有效錐尖阻力qE=qtu2進行歸一化處理，如式（2）所示：

式中：QE為歸一化有效錐尖阻力；qE為有效錐尖阻力；Q 為Qtn在n=1.0 的特殊形式。

3 海相淤泥軟土不排水抗剪強度的解譯

本文選取部分CPTu 孔（CPT3、6、12、25、43、48、52、59）及其相鄰的十字板剪切孔進行錐尖因子的反演，并采用獲得的錐尖因子預測了淤泥土層的不排水抗剪強度（CPT38、57、80、102）并與鄰近的十字板剪切測試結果進行對比分析。

3.1 錐尖因子與不排水抗剪強度

目前，常用的CPTu 土體強度解譯方法，由小孔擴張理論推導得到，其形式如式（3）所示，通過引入不同地區的錐尖因子Nkt經驗值來解譯不同地區的土體強度：

式中：Su，Pred為使用CPTu 數據預測的土體不排水抗剪強度；Nkt為錐尖因子，取值范圍大約為10～20。錐尖因子的取值對于不排水抗剪強度的反演起著至關重要的作用，工程上常根據當地經驗來進行取值，這樣可能會錯估土體強度給工程安全帶來隱患或經濟上的損失；學術上常用承載力理論[4]、小孔擴張理論[5-6]、應變路徑理論[8]等方法給出錐尖因子的表達式，但其需要取樣進行一系列室內土工試驗標定模型參數，而在這一過程中會對土體產生擾動，導致結果的偏差。

在第四屆靜力觸探國際研討會（CPT′18）上，Mayne[11]基于62 種原位黏土中的CPTu 測試數據以及與之相應的三軸壓縮試驗結果，提出了Nkt與Bq的對數相關關系Nkt=10.5-4.6 ln（Bq+0.1），但并不適用于本文場地，可能是用于確定錐尖因子的不排水抗剪強度參考值的試驗手段不同所導致的。本文考慮建立錐尖因子與CPTu 測試參數之間的相關關系，以給出能夠精確地進行基于CPTu的海相軟土強度解譯方法。

3.2 錐尖因子與歸一化有效錐尖阻力的相關性分析

將十字板剪切試驗所得的Su（Su′）作為參考值，進行錐尖因子Nkt的反演，同時，按式（2）計算歸一化有效錐尖阻力QE。由圖3 可以看出原狀土（擾動土）的錐尖因子Nk（tNk′）t均隨歸一化有效錐尖阻力QE的增大而增大，且二者存在良好的線性關系，擬合關系如式（4）所示：

圖3 錐尖因子Nkt、Nk′t 與QE 的相關性Fig.3 Correlation between cone tip factors Nkt、Nk′t and QE

式中：Nkt、Nk′t分別為原狀土與擾動土的錐尖因子，相關系數R 分別為0.885 1、0.770 9。

3.3 預測結果與實測結果對比分析

1） 不排水抗剪強度分析

分別將錐尖因子Nk（tNk′）t取經驗值和按式（4）取值所預測的Su，Pre（dSu′，Pred）與十字板剪切試驗測得的Su，VS（TSu′，VST）進行對比，如圖4 與圖5 所示。發現，錐尖因子Nkt取經驗值時預測的原狀土的不排水抗剪強度與參考值之間存在較大的離散性，相關系數R=0.439。而錐尖因子按式（4）取值時預測的原狀土的不排水抗剪強度與參考值之間的離散性明顯減小，相關系數R=0.761 9。擾動土中可以發現同樣的規律，2 種方法的R 分別為0.317 1、0.741 1。

圖4 原狀土不排水抗剪強度預測值與參考值對比Fig.4 Comparison between predicted and reference values of undrained shear strength of undisturbed soil

圖5 擾動土不排水抗剪強度預測值與參考值對比Fig.5 Comparison between predicted and reference values of undrained shear strength of disturbed soil

錐尖因子按本文方法取值時，預測的不排水抗剪強度與參考值之間相關系數相對偏小，但其值接近0.8，滿足工程設計需要。存在上述問題，可能是現場CPTu 孔位與VST 孔位相距較遠，兩處土體在水平方向土性差異所致。

2） 靈敏度分析

土體的靈敏度定義為峰值與重塑剪切強度之比。工程上常用十字板剪切試驗確定土體的靈敏度。按本文方法計算的靈敏度St，N=3.734 4，按經驗值法計算的靈敏度St0=3.203 3，與由十字板剪切試驗所確定的淤泥土層的靈敏度均值3.603 相比，按本文方法所計算的靈敏度更為接近，且符合中—高靈敏性土的特征。圖6（a）給出了淤泥土層中十字板剪切試驗所確定的靈敏度隨歸一化貫入深度（z/D）的變化情況，D 為CPTu 探頭的直徑；圖6（b）給出了靈敏度的頻率分布直方圖。從圖6可以看出實測靈敏度大部分落在了預測值的附近，在缺少其他資料的情況下，可作為初步判斷海相軟土的靈敏度與結構性特征的依據，從圖6 中可以發現仍有很多實測值與預測值相差較大，這可能是由于不同測試點之間存在一定的操作誤差以及海相淤泥軟土存在一定的空間變異性所導致的。

圖6 靈敏度預測與實測結果對比Fig.6 Comparison of sensitivity prediction and measured results

4 結語

本文依托澳門國際機場擴建工程場地的孔壓靜力觸探試驗與十字板剪切試驗資料，對海相軟土的不排水抗剪強度進行計算，并提出了錐尖因子Nkt與歸一化有效錐尖阻力QE的線性相關關系，得出如下結論：

1） 本文提出了一種基于CPTu 的澳門海相軟土強度解譯方法，將錐尖因子視為歸一化有效錐尖阻力的一次函數，采用建立的Nkt與QE的關系可較好地解譯澳門海相軟土的不排水抗剪強度，解譯結果與VST 結果基本吻合；對于澳門海相軟土強度參數可采用本文標定得到的Nkt-QE關系進行解譯，為設計提供可靠的巖土設計依據。

2） 錐尖因子Nkt按本文方法取值時原狀土的擬合結果優于擾動土，可能是由于測試所選取的淤泥軟土本身強度較低，土體結構破壞導致與實際情況差別較大；此外，不同孔位試驗操作的差異性以及計算方法也會影響預測結果的精確度。

3） 經過擬合后發現擾動土的錐尖因子約是原狀土的3.4 倍，這一結果與本文試驗場地的中等靈敏性土的特征相符，可用于初步判斷海相軟土的靈敏度與結構性特征。

需要注意的是，本文所提出的錐尖因子Nkt與歸一化有效錐尖阻力QE的線性關系，是基于澳門國際機場擴建填海工程的原位測試數據，在其他地區的適用性有待研究。另一方面，由于VST 測試大多在淤泥土層中進行，因此本文只針對淤泥土層進行了分析驗證，對于其他土層的適用性仍需討論。