孔壓靜力觸探測定土體抗剪強度的應用

許慧娥XU Hui-e

（泉州水務工程建設集團有限公司工程勘察分公司，泉州 362000）

0 引言

近年來，黏性土地基的工程應用日益廣泛，因此對黏性土的力學特性和抗剪強度的準確確定具有重要意義[1]。在土壤力學研究中，CPTU 技術成為一種常用的測試方法，它通過測量推進器在地下推進過程中產生的阻力、摩阻和孔隙水壓力等參數，可為黏性土不排水抗剪強度的確定提供重要數據[2]。然而，傳統黏性土的不排水抗剪強度測試方法存在一些不足，如需大量土樣和長時間的試驗周期[3]。與室內試驗和傳統的靜力觸探相比，CPTU 測試是一種在地下進行的實時測試方法，能夠連續地獲取地層的力學參數[4]。相比于室內試驗，CPTU 技術通過推進錐形推進器進入土中，并同時測量推進阻力、側摩阻力和孔隙水壓力等參數的變化，能夠提供直接、連續、實時的土層力學參數[5]。其次，CPTU 測試能夠以較快的速度完成，并且不需要大量的土樣或繁瑣的試驗過程。相比于室內試驗，其測試過程相對簡單，能夠節省時間和成本。最后，CPTU 測試是在現場進行的，可以直接獲取地下的土壤信息。與傳統的靜力觸探相比，CPTU 測試更能夠準確地捕捉到不同深度和位置的地層特性，避免了可能由于土樣獲取和搬運等過程帶來的擾動[6]。

本文以某項目工程為研究背景，通過分析CPTU 測試獲取的相關數據并結合十字板剪切試驗明確孔壓圓錐系數與孔壓參數比兩者之間的聯系，并在此基礎上建立CPTU 參數與黏性土不排水抗剪強度的關系，以進一步推動基于CPTU 的土壤力學研究和工程實踐的發展。

1 工程概況

該場地位于泉州市城東鎮，擬建場地采用預壓法對淤泥層進行地基處理。根據委托要求，在擬建物場地布置8個檢驗點（處理后的地基有5 點，編號：1#～4#、8#；未處理的地基3 點，編號：5#～7#），均采用現場十字板剪切試驗進行檢驗，對處理前后的地基強度進行分析比較。通過當地的地勘報告可知，該地地質共包含六種，從上至下分別為：黏土、淤泥、粘土夾粉砂、淤泥夾粉砂、淤泥夾粉細砂，其重度分別為18.55kN/m3、17.53kN/m3、18.44kN/m3、17.59kN/m3、17.66kN/m3；含水量分別為31.2%、38.3%、32.4%、37.2%、35.6%；孔隙比分別為0.89、1.11、0.912、1.08、1.03；粘聚力分別為19.4kPa、11.8kPa、11.9kPa、11.7kPa、11.4kPa；內摩擦角分別為11.5°、8.8°、8.6°、10.4°、10.5°；地下水位標高為0.8～3.3m。

2 試驗研究

2.1 試驗設備

本文采用CPTU 測試系統對該場地一共鉆5 個孔位，所選用的鉆頭錐角是60°，截面積12cm2，側壁面積為150cm2。本測試系統的鉆頭內置土體電阻率感應裝置，可獲取土體電阻率的變化情況。所獲得的數據通過Enhanced Field Computer System 4.0 計算機系統進行收集并運用相應的數據處理軟件獲取繪制推進曲線。

2.2 試驗原理

CPTU（Cone Penetration Testing with pore pressure measurement）技術是一種用于土壤和巖石的地質勘探和土力學性質測試的方法。CPTU 測試通過將一個尖錐推入地下，并測量推進過程中產生的阻力、摩阻和孔隙水壓力等參數，來獲取地層的相關性質信息。它的測試原理如下：

CPTU 測試使用一套設備，包括一個帶有測量傳感器的錐形推進器、一個測量系統和一個數據采集裝置。首先，錐形推進器通過液壓機械或電動機械將推進器的尖端以恒定速度推入地下。其次，在推進過程中，測量系統記錄和測量多個參數，以評估地層的特性。這些參數包括：錐形推進器的推進阻力、側摩阻力、孔隙水壓力、推進速度，以及錐形推進器的位置和深度。最后，收集到的數據通過數據采集裝置傳輸到數據分析軟件中進行處理得到推進曲線（CPTU 圖）和計算相關參數，通過推進曲線顯示的地下不同深度處的阻力、摩阻、孔隙水壓力和推進速度的變化，推斷地層的性質和土力學特性，如土壤類型、密度、強度、壓縮特性、滲透性等。

依據工程經驗和相關理論公式，利用孔隙水壓力計算不排水抗剪強度的公式如下：

Su為抗剪強度，單位kPa；NΔu（孔壓圓錐系數）由空壓系數決定，并且大小在2～20 之間；u 為孔隙水壓，單位kPa。

3 結果與討論

3.1 典型測試曲線

圖1 顯示了由CPTU 測試得到的錐尖阻力、孔隙水壓力、電阻率和側壁摩阻力隨深度變化的曲線。由圖可知，當鉆探深度小于25m 時，鉆頭處的錐尖阻力隨深度緩慢增加，但整體增加的幅度較小，當鉆探深度超過25m 后，錐尖阻力迅速增大。這是由于在地下深度較淺的地方，通常會受到較為松散的土層、表層土壤和有機質含量較高的層的影響。這些松散的土層或含有大量有機質的層相對較軟，因此給鉆頭施加的阻力相對較小。此時，錐尖阻力主要受到側摩阻力的影響，該阻力與土體的剪切強度、密實度等相關因素有關。當鉆探深度超過25m 后，該深度處的土層為粉質粘土，土的固結程度和密實度增加，土質變得更加堅硬和堅固土壤顆粒間的摩擦和土體內部的黏聚力增加，從而增加了與鉆頭接觸的土質對鉆頭的阻力。隨著深度的增加，孔隙水壓逐漸增大，在超過25m 后迅速減小。下降的原因是鉆頭進入了粉砂層。隨著鉆探深度的增加電阻率逐漸減小。這是由于，隨著深度的增加，地下土壤或地層中的孔隙水含量相應增加。水是良好的導電介質，當土壤或地層中的含水量增加時，孔隙中的水分子會在電流通過時促進電導，從而降低整體的電阻率。其次，在較淺的土層中，土壤顆粒之間的接觸可能相對較好，土壤中顆粒間的電導路徑較多。然而，隨著深度的增加，土層可能變得更加致密，土壤顆粒之間的接觸減少，從而限制了電流的路徑，并導致電阻率的降低。最后，隨著深度的增加，土層中的礦物質含量可能會發生變化，從而影響土壤的電導特性。某些礦物質具有電導性能，當它們的含量增加時，土壤的電阻率可能會降低。側摩阻力的曲線變化規律與錐尖阻力基本一致，發生突變的原因在于鉆頭進入粉質黏土層增加了接觸面的摩擦力。

圖1 典型CPTU 測試結果

3.2 超靜水壓對不排水抗剪強度的影響

圖2 顯示了土體超靜水壓對不排水抗剪強度的影響。由圖可知，剪切試驗得到黏土的抗剪強度最小值為16.5kPa；淤泥的最大值為79kPa。隨著超靜水壓的差值增加，土體的抗剪強度逐漸增大，但剪切試驗得到的強度數值相對較小。不排水抗剪強度是指土體在快速加載或在排水條件下未被充分排水的情況下的抗剪能力，而超靜孔壓是指在排水條件下施加正應力時，土體內部的孔隙水壓力快速增加的現象。在不排水條件下，土體的抗剪能力主要由土體內部的有效應力和超靜孔壓共同決定。超靜孔壓會引起土體內部的應力狀態變化，使土體的有效應力下降，從而降低了土體的抗剪強度。因此，超靜孔壓與土體的不排水抗剪強度之間呈負相關關系。因此超靜水壓的差值越大，土體的抗剪強度越大。利用公式（1）帶入相應的數值進行反算求解得到孔壓圓錐系數為8.62 時的直線如圖2 所示，此時與十字板試驗得到的數值擬合高達0.88，兩者具有較高的吻合度，因此選擇孔壓圓錐系數為8.62 是合理可靠的。

3.3 孔壓圓錐系數與參數比關系

孔壓圓錐系數是指孔壓隨深度變化的比例關系，而孔壓參數比是指在一定深度范圍內孔壓的相對變化，兩者之間存在一定的關系。具體來說，孔壓圓錐系數是由孔壓參數比與深度參數比的比值確定；其中孔壓參數比是等于（孔壓2 與孔壓1 的差值）/孔壓1，深度參數比是等于（深度2 與深度1 的差值）/深度1。因此，孔壓圓錐系數可以用孔壓參數比與深度參數比之間的比值表示。孔壓圓錐系數的值可以反映孔壓的變化趨勢和分布特征。當孔壓的相對變化較小，并且深度的相對變化也較小時，孔壓圓錐系數可能接近于1，表示孔壓的變化與深度的變化趨勢基本一致。反之，當孔壓的相對變化較大，并且深度的相對變化也較大時，孔壓圓錐系數可能小于1，表示孔壓的變化比深度的變化更劇烈。圖3 顯示了孔壓參數比與NΔu的關系。由圖可知，孔壓參數比與NΔu呈正相關，公式與實測值的擬合度高達0.92，因此是可靠的。

3.4 兩種測試方法對比

圖4 顯示了采用兩種測試方法得到的結果。由圖可知，兩種方法測試得到的誤差均在30%以內，且在現場采用CPTU 方法測試得到的強度值一般大于室內模型值。這是由于，室內試驗通常是使用小型試樣進行，而CPTU 測試是在現場進行的，覆蓋了更大的土體體積。由于土體是一個復雜的多孔介質，它的性質在不同尺度和體積上會存在變化。因此，現場測試可能更好地反映了實際工程中的土體強度。其次，現場測試在土體自然條件下進行，考慮了實際的地下水位、孔隙壓力和溫度等因素的影響。這些外界環境條件對土體強度和應力狀態有重要影響。室內模型試驗往往沒有考慮這些環境因素，因此得到的強度值可能較小。接著，現場土體和室內試驗的土樣可能存在某些差異，包括土體類型、應力歷史和脆化程度等。這些差異可能導致現場土體的強度值與室內模型的強度值不一致。最后，室內試驗和CPTU 測試方法在試驗設備、測量技術和操作過程上存在差異。這些差異可能導致測試結果的不同，從而影響強度值的測定。因此采用CPTU 測試方法得到的試驗數據更精確更可靠。

圖4 不排水抗剪強度對比圖

綜上可見，孔壓靜力觸探試驗作為一種新發展起來的試驗，它將量測孔隙水壓力的傳感元件與標準的靜力觸探組合在一起，使能在測定貫入阻力的同時量測孔隙水壓力；當停止貫入時，還可以測定超孔隙水壓力的消散。由于貫入時產生的超孔隙水壓力是土類、強度變形特性、以及排水性能的函數，利用孔壓靜力觸探可以大大提高判別土類和劃分土層的能力，并能分析土的滲透性和固結特性，以及獲得土層相關參數。為后續工程基坑支護設計以及基礎設計提供依據。

4 結論

本文以于泉州市城東鎮某工程項目為研究背景，通過分析CPTU 測試獲取的相關數據并結合十字板剪切試驗明確孔壓圓錐系數與孔壓參數比兩者之間的聯系，并在此基礎上建立CPTU 參數與黏性土不排水抗剪強度的關系。主要結論如下：

①當鉆探深度小于25m 時，鉆頭處的錐尖阻力隨深度緩慢增加，但整體增加的幅度較小，當鉆探深度超過25m 后，錐尖阻力迅速增大，孔隙水壓與深度正相關逐漸增大，并在深度超過25m 后迅速減小。

②隨著鉆探深度的增加電阻率逐漸減小。側摩阻力的曲線變化規律與錐尖阻力基本一致。

③隨著超靜水壓的差值增加，土體的抗剪強度逐漸增大，但剪切試驗得到的強度數值相對較小，通過公式反算求解得到孔壓圓錐系數為8.62，與十字板試驗得到的數值擬合高達0.88，兩者具有較高的吻合度。

④本文研究內容可以為項目基坑設計和基礎設計提供參數依據，使得項目整體設計更為合理經濟。