基于CPTU的深基坑土層參數(shù)確定

摘要：鑒于CPTU技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展，受限于其對土層分層方法的精度問題，為此采用有限元軟件，根據(jù)不同土層的彈性模量構(gòu)造一個模擬探頭貫入層狀土壤的模擬系統(tǒng)，并開展數(shù)值仿真模擬。開展一系列試驗(yàn)，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出一種可以準(zhǔn)確預(yù)測地層條件為上軟下硬或者上硬下軟下的超前滯后深度的理論模型，從而使CPTU技術(shù)對土層邊界的識別更加精確。

關(guān)鍵詞：CPTU；貫入模擬系統(tǒng)；數(shù)值仿真模擬；土層邊界

0" "引言

孔壓靜力觸探技術(shù)CPTU作為目前原位測試領(lǐng)域的主流使用方法，其可以精確測量出土壤的厚度，可為巖土工程的設(shè)計提供可靠的依據(jù)，更好的評估樁的穩(wěn)固能力、地基的抗拉強(qiáng)度以及其他相關(guān)的工程特征[1]。

近年來，一些學(xué)者采用CPTU技術(shù)進(jìn)行深基坑的相關(guān)土層參數(shù)的測量。如學(xué)者王蒙[2]基于CPTU的測試方法，對高速公路擴(kuò)建工程的新老基地的土質(zhì)特性進(jìn)行評價，并提出了預(yù)測軟土工程參數(shù)的改進(jìn)思路。學(xué)者張新[3]將CPTU測試數(shù)據(jù)與模糊理論相結(jié)合，識別場地土層并予以分類，并基于分類后各土層數(shù)據(jù)庫分析了聚類中心值對樁承載力的影響。學(xué)者王杰光[4]基于靜力觸探試驗(yàn)，探究了探頭在貫入過程中導(dǎo)致的土體附加應(yīng)力場的變化規(guī)律。

本文基于孔壓靜力觸探技術(shù)和三維有限元分析模擬軟件，建立模擬探頭貫入層狀土中的模型，并開展數(shù)值仿真模擬，研究和分析了沿海地區(qū)和南京地區(qū)的層狀土數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出一種可以準(zhǔn)確預(yù)測地層條件為上軟下硬或者上硬下軟下的超前滯后深度的理論模型。

1" "數(shù)值仿真模擬

1.1" "模型建立

本文利用數(shù)值模擬的方法，根據(jù)地質(zhì)條件調(diào)整各種土層的強(qiáng)度及其他參數(shù)值，并精確地控制它們的變化，以便更好地研究超前滯后深度與土層強(qiáng)度的變化情況。有限元軟件具備良好的對稱模擬功能，采用其開展數(shù)值仿真模擬有利于大大縮短計算的耗費(fèi)。

1.1.1" "確定模型參數(shù)

在仿真模擬中，將土壤模擬的區(qū)域設(shè)定在2.4m。探頭的物理模型的構(gòu)建，則是根據(jù)實(shí)際孔壓靜力觸探技術(shù)的探頭尺寸進(jìn)行設(shè)置，其錐角為60o，并將截面面積設(shè)定為10cm2。為防止計算不收斂的情況，對探頭錐尖部分進(jìn)行處理，使其更加光滑。在模擬的核心區(qū)域設(shè)置密集網(wǎng)格，以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，而非核心區(qū)域采用較寬網(wǎng)格提高模擬效率。通過對土壤的邊界進(jìn)行劃分，確定上下土層的范圍為探頭直徑的66.6倍，并對其邊界周圍的土壤進(jìn)行限制，以防止土體脫離控制而掉落。這樣做不僅可以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，還可以有效阻擋探測器進(jìn)行深度測量時的元素扣留。通過使用界面交互算法，可以清晰展示CPTU在穿插過程中土體網(wǎng)格的改變，以便更好地理解其對環(huán)境的影響。

1.1.2" "確定豎向應(yīng)力分布情況

使用摩爾庫侖模型去驗(yàn)證所構(gòu)建模型的精度，模型中上下土層土壤的黏聚力為25kPa，內(nèi)摩擦角為25°，泊松比為0.4，靜態(tài)土壓力為0.5，彈性模量為10MPa。

通過探頭的不斷推進(jìn)，直至錐尖阻力qc呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的狀態(tài)。如圖1為監(jiān)測到的單層土模型和多層土模型中豎向應(yīng)力的分布情況。根據(jù)圖1可以知道，隨著推進(jìn)的深度，垂直應(yīng)力的變化趨勢呈現(xiàn)一致性，也即由于土層接觸面的存在導(dǎo)致探頭在貫入土層時的阻力波動較大。

1.2" "模型結(jié)果分析

經(jīng)過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，在給定的土壤邊界及其相應(yīng)的約束條件下，探測器的活動受到的干擾幾乎可忽略，因此證明了模型的可靠性。此外，相關(guān)研究表明內(nèi)部摩擦角和彈性模量也會導(dǎo)致錐尖阻力變化，然而內(nèi)摩擦角對錐尖阻力的影響相對較小，以致可以忽略，因而本研究旨在探究錐尖阻力與超前滯后深度受錐尖阻力的影響。

研究中，考慮了上下土層彈性模量的影響，將其劃分成2種情形，具體如表1所示。

圖2為上下層土在不同彈性模量下的錐尖阻力隨貫入深度的變化情況。根據(jù)圖2可知，無論是在層狀土還是單層土，貫入結(jié)果幾乎相同。當(dāng)貫入開始，qc值隨貫入深度的增加而增大，直至達(dá)到臨界深度呈現(xiàn)穩(wěn)定變化。如圖2中E1=7.5MPa、E2=15MPa對應(yīng)的曲線，當(dāng)貫入深度為6.94R（R為探頭半徑）時，qc值與貫入深度呈現(xiàn)正比增長的趨勢，而當(dāng)貫入深度達(dá)到12R時，qc值趨向于穩(wěn)定變化，由此獲得超前深度和滯后深度總深度達(dá)0.34m。

經(jīng)過對E1和E2的不斷調(diào)整，發(fā)現(xiàn)在沒有達(dá)到層狀土邊界，錐尖阻力在層狀土和均質(zhì)土中的增長趨勢相似。此外，由于彈性模量的增加，Qr值（即較硬土層和較軟土層錐尖阻力的比值）會有所提升；當(dāng)達(dá)到特定深度后，錐尖阻力會達(dá)到穩(wěn)態(tài)。因而可得出結(jié)論，可基于孔壓靜力觸探技術(shù)的錐尖阻力確定深基坑土層參數(shù)。

在采用孔壓靜力觸探技術(shù)來識別土層界限時，需要注意其探頭探入過程的超前滯后現(xiàn)象。經(jīng)過多次模擬分析發(fā)現(xiàn)，超前滯后深度h與穩(wěn)態(tài)較硬土層和較軟土層錐尖阻力的比值Qr存在一定關(guān)系。

上軟下硬下超前與滯后深度隨穩(wěn)態(tài)錐尖阻力比變化如圖3所示。圖3表明，當(dāng)上層土強(qiáng)度小于下層土?xí)r，h與Qr存在明顯的正相關(guān)性，而超前深度值基本保持于0.1m，滯后深入的波動更加明顯，且隨Qr值的升高而增大。

上硬下軟下超前與滯后深度隨穩(wěn)態(tài)錐尖阻力比變化如圖4所示。由圖4可以看出，上層土強(qiáng)度大于下層土?xí)r，h的變化整體相對穩(wěn)定，且超前深度呈現(xiàn)增大的趨勢，而滯后深度呈現(xiàn)減小的趨勢。

2" "超前滯后深度對錐尖阻力的影響分析

為了探究超前滯后深度對錐尖阻力比的影響，將土層劃分為上層為軟土下層為硬土和上層為硬土下層為軟土的兩種情況。

2.1" "上軟下硬土層

首先采用孔壓靜力觸探技術(shù)對實(shí)測錐尖阻力進(jìn)行評估。上軟下硬下兩個場地超前滯后深度與錐尖阻力比的關(guān)系如圖5所示。從圖5可以看出，場地一和場地二對應(yīng)的點(diǎn)的數(shù)值大小，即超前滯后深度/穩(wěn)態(tài)錐尖阻力比值，幾乎分布于區(qū)間[15.64， 24.54]內(nèi)。總深度整體變化趨勢，隨著層狀土的穩(wěn)態(tài)錐尖阻力比值的增大而增大。

沿海地區(qū)超前深度占比與強(qiáng)弱土層穩(wěn)態(tài)錐尖阻力比的關(guān)系如圖6所示。沿海地區(qū)超前深度占比與強(qiáng)弱土層穩(wěn)態(tài)錐尖阻力比的關(guān)系如圖7所示。從圖6和圖7可知，超前深度占比主要集中在0.15～0.6倍的范圍內(nèi)。

為了提高擬合精度，需要對擬合進(jìn)行修正點(diǎn)優(yōu)化。通過數(shù)值模擬結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，基于孔壓靜力觸探技術(shù)在均勻土體中貫入時，穩(wěn)態(tài)的錐尖阻力比為1，取超前深度占比為0.5，構(gòu)成修正點(diǎn)為（1，0.5），由此得出超前深度占比y與強(qiáng)弱土體穩(wěn)態(tài)錐尖阻力比x之間的關(guān)系式如下：

沿海地區(qū)：

y=-0.0486x+0.5486" " " " " " "（1）

南京地區(qū)：

y=-0.06x+0.56" " " " " " " （2）

2.2" "上硬下軟土層

在上硬下軟土層的條件下，總深度與強(qiáng)弱土層穩(wěn)態(tài)錐尖阻力比值之間的關(guān)系如圖8所示。從圖8可以，場地一和場地二對應(yīng)的點(diǎn)的數(shù)值大小，即超前滯后深度/穩(wěn)態(tài)錐尖阻力比值，幾乎分布于區(qū)間[12.18，21.63]內(nèi)，其中總深度范圍大致為0.25～1.60m之間。因此該種條件下，總深度變化趨勢也是隨著Qc下/Qc上的增大而增大。當(dāng)土層條件為上軟下硬時，孔壓靜力觸探技術(shù)在貫入過程中，土層界面的超前滯后效應(yīng)更為顯著，這與實(shí)際工程數(shù)據(jù)較為相符。

綜合而言，在這種土層條件下，超前深度占比普遍大于0.5倍。同樣地，選擇修正點(diǎn)（1，0.5），通過擬合虛線框選的數(shù)據(jù)點(diǎn)，得出超前深度占比y與強(qiáng)弱土體穩(wěn)態(tài)錐尖阻力比x之間的關(guān)系式如下：

沿海地區(qū)：

y=-0.05x+0.45" （3）

南京地區(qū)：

y=-0.0571x+0.4429 （4）

3" "結(jié)束語

通過仿真模擬孔壓靜力觸探技術(shù)貫入層狀土的過程，發(fā)現(xiàn)在上軟下硬土層的條件下，超前滯后總深度整體變化趨勢隨著Qc下/Qc上的增大而增大；而在上硬下軟土層的條件下，總深度變化趨勢也是隨著總深度變化趨勢也是隨著Qc下/Qc上的增大而增大，但并不十分顯著。

根據(jù)沿海地區(qū)和南京地區(qū)的層狀土數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，分別提出孔壓靜力觸探技術(shù)在不同土層分布條件下，超前深度占比與強(qiáng)弱土體穩(wěn)態(tài)錐尖阻力比之間的關(guān)系模型，為孔壓靜力觸探技術(shù)識別土層邊界提供理論支撐。

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