基于自钻式旁压试验的黏性土孔压变化研究

曹 权，柴寿喜，施建勇，亓 乐，王 沛

（1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098；2.河海大学 岩土工程科学研究所，南京 210098；3.天津城市建设学院土木工程系，天津 300384；4.天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384）

基于自钻式旁压试验的黏性土孔压变化研究

曹 权1，2，柴寿喜3，4，施建勇1，2，亓 乐1，2，王 沛3，4

（1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098；2.河海大学 岩土工程科学研究所，南京 210098；3.天津城市建设学院土木工程系，天津 300384；4.天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384）

土孔隙水压力的准确测量有助于清楚地认识加压过程中孔隙水压力的变化规律，对工程实践具有重要的指导意义。剑桥自钻式旁压仪是英国Cambridge Insitu公司生产的一种先进的原位测试仪器，能够在加压过程中准确测量土的孔隙水压力。通过对两类土性相差较大黏性土的自钻式旁压试验及孔隙水压力的数据分析，认为：在加荷过程中，软黏性土的有效应力呈单调增大趋势，产生的孔隙水压力先增大，后减小；硬黏性土中产生的孔隙水压力变化幅度明显小于软黏性土，但其孔隙水压力的绝对值要比后者大得多。上述分析结果表明土的强度和刚度是影响孔隙水压力变化的重要因素。

孔隙水压力；自钻式旁压试验；原位测试；黏性土

土的孔隙水压力是土力学中的一个基本参数，准确地测量其在不同荷载下的变化对于分析土的稳定与变形具有重要作用。自从Terzaghi提出著名的有效应力原理以来，受到许多学者的重视并做了大量的研究。Skempton首先提出了大家熟知的孔隙水压力方程［1］，Bishop将其应用到工程实例中［2］，曾国熙提出了以应力不变量表达的孔隙水压力方程（适宜于饱和黏土应用）［3］。上述孔隙水压力方程中的孔隙水压力参数是由室内三轴压缩试验获取的。然而，土的孔隙水压力参数不仅与土的应力应变有关，还受到应力路径、固结状态和应力水平等因素的影响，此外，还受土样的应力释放、取样质量、室内试验条件等方面的影响。在当前的技术水平下，较准确的孔隙水压力数值宜依靠现场实测获得［4，5］。

1 孔隙水压力的原位测试方法比较

两种原位测试方法能直接测量土的孔隙水压力，一种是孔压静力触探试验（CPTU），另一种是自钻式旁压试验（SBPMT）［6，7］。两者的测试重点不同，前者主要记录锥头贯入土中时的孔隙水压力，反映土层中某一点在某一压力作用下瞬间的孔隙水压力值；后者主要测量选定试验段在不同荷载作用下孔隙水压力的变化情况。本文采用自钻式旁压试验测量现场孔隙水压力及变化。

旁压试验分为自钻式和预钻式两种。自钻式旁压试验是上世纪70年代在国际上兴起的，目前国内大多采用预钻式旁压试验。尽管自钻式旁压仪在费用和操作难度上都较预钻式旁压仪高，但由于采用了自钻技术，降低了对被测试土的扰动。因此，其试验结果的利用价值无论在科研上还是在生产实践中都远远高于预钻式旁压试验。目前许多国家都采用自钻式旁压试验数据推导土的基本性质指标［8］。自钻式旁压试验有以下优点：①试验的边界条件相对容易确定；②试验能同时测得应力和应变的变化过程；③造孔采用自钻技术，最大限度地降低了对土的扰动，保证了测试结果的准确性。由自钻式旁压试验可以推算下列参数［9］：总原位水平应力（P0）、不排水抗剪强度（Cu）、剪切模量（G）、水平向固结系数（Ch）；对于砂土，还能测出平面应变下抗剪强度的内摩擦角（φ'ps）和剪胀角（υ）。

2 测试仪器

试验采用英国Cambridge Insitu公司生产的剑桥MKVIIId三臂自钻式旁压仪，它对周围土体施加的最大压力为4 MPa，探头能从初始的腔直径83 mm膨胀到直径91 mm，位移测量精度可达1μm，最小加压单位是1 kPa，最大设计钻进深度为100 m。

剑桥自钻式旁压仪由自钻探头（含测试系统）、数据采集系统和数据处理系统等组成。探头是系统的关键部位，所有测试数据都由安装在其内部的传感器采集并通过多芯线缆传输到地面接收器上；数据采集系统由电子箱、应变控制器、数据采集器等组成；数据处理系统通过专门软件对采集的数据进行处理。整个工作系统见图1。

图1 剑桥自钻式旁压仪系统工作示意图Fig.1 Sketch of Cambridge self-boring pressuremeter system

旁压仪探头长1.2 m，直径83 mm。0.5 m长的膨胀腔在干氮气加压下膨胀，最大径向位移约为初始直径的10%。覆盖探头中部的膜设有内外两层：内层是封闭层，厚1.25 mm，由聚氨酯材料组成；外面罩有一层保护“铠”，由一系列不锈钢窄条附在橡皮上，起减小钻入阻力和保护内膜的作用。膜的径向位移由3个触臂状电测传感器测定，3个传感器分布在一个平面上，间隔120°分布；在膨胀膜上还装有2只孔隙水压力传感器，间隔180°分布，它随膜一起扩张，保持与土直接接触，可测出孔隙水压力。此外，膜内还有一个传感器用来测定施加的总压力。图2为剑桥自钻式旁压仪探头的结构图。

图2 自钻式旁压仪探头结构图Fig.2 Configuration of self-boring pressuremeter probe

自钻式旁压试验包括4个阶段［10］：①自钻完成试验区段；②对探头膨胀腔加压；③进行加荷—卸荷循环，形成回滞圈；④完全卸荷。试验中，连续自动记录加荷过程中土的孔隙水压力变化。

3 测试概况和结果分析

3.1 地层描述

选用2个试验段为研究对象，均为黏性土。B2T2试验段为低强度、高压缩性的软土；B20T3试验段为高强度、低压缩性的硬土，土的基本指标见表1。

选用这2个土性相差较大的试验段，目的是研究孔隙水压力的影响因素，并进行对比分析。

3.2 测试过程

（1）探头自钻测试区段后，静置30 min，使钻进中产生的超孔隙水压力恢复到稳定状态。

（2）采用小增量的应力控制加荷方式施加膨胀压力；当压力超过土的屈服压力时，改为应变控制加荷方式，确保初始阶段和塑性变形阶段均能采集更多的试验数据。

（3）在加荷过程中应保持应变速率在每分钟的应变为1%，这个速率可保证受荷的黏性土处于不排水压缩状态。

（4）在进行加荷—卸荷循环时，卸荷值应与被测试土的剪切强度相当，保证加荷—卸荷循环处于弹性变化范围内。

（5）当径向应变达到10%时，可完全卸荷。（6）当腔内压力降至零时，试验即可终止。

3.3 试验结果分析

计算出的土性指标见表2。总压力／有效压力与径向位移关系、总压力／孔隙水压力与径向位移关系、孔隙水压力与总压力关系，见图3至图5。

图3 两试验段总压力／有效压力与径向位移关系曲线Fig.3 Total pressure or effective pressure vs radial displacement for B2T2 and B20T3 test segments

表1 试验段的土性指标Table 1 Description of soil characteristics indexes for test phases

表2 自钻式旁压试验部分成果Table 2 Some results of self-boring pressuremeter test

图4 两试验段总压力／孔隙水压力与径向位移关系曲线Fig.4 Total pressure or pore water pressure vs radial displacement for B2T2 and B20T3 test segments

图5 两试验段孔隙水压力与总压力关系曲线Fig.5 Pore water pressure vs total pressure for B2T2 and B20T3 test segments

从图3中看出，随着总压力的增大，黏性土的有效应力呈增大趋势，但2类土中有效应力增长幅度差别较大。B2T2软土的有效应力增长较快，而B20T3硬土的增幅较小；在完全卸荷阶段，B2T2软土的总应力曲线和有效应力曲线基本重合，而B20T3硬土的2条应力曲线则保持一定距离，近似平行分布。根据有效应力原理，认为软土在加荷过程中产生的孔隙水压力变化幅度较大，硬土变化较小，但硬土产生的孔隙水压力的绝对值要比软土大得多。这一点在图4中有直观的反映。

B2T2的软土在总压力为230 kPa时产生了56 kPa的最大孔隙水压力，此时膜的径向位移是1 mm；B20T3的硬土在总压力为762.5 kPa时产生了540 kPa的最大孔隙水压力，此时膜的径向位移是1 mm。由此可见，在加荷过程中硬土不仅比软土具有更强的承受外载能力，而且还有更强的抵抗土内积聚的孔隙水压力的能力。

为了更加清晰地反映加荷过程中孔隙水压力的变化，将图5中的数据点剔除了加荷—卸荷循环和完全卸荷阶段的测试数据，予以说明。

由图5看出：在加荷过程中，土的孔隙水压力并不随总压力的增加而单调增加，而是在达到一个峰值后逐渐减小；从变化幅度上看，硬黏性土中孔压最大值与最小值之差与最大值的比值为63%，而软黏性土中达到100%，硬黏性土中孔压变化幅度明显比软黏土中小。

黏性土在加荷过程中孔隙水压力先增加，达到峰值后逐渐下降，但在软土和硬土中的具体分布情况又有所不同，土的有效应力在加荷过程中呈单调增加的趋势。对正常固结饱和黏土，在加荷开始阶段剪切变形很小，体积变形主要为静水压力所致，以后剪切力才开始明显引起土的压缩，且孔隙水压力近似线性地随剪切力呈平方倍数增加。接着，土不因剪切力的增大而发生体积压缩，而是体积不变或转入膨胀状态，即孔隙水压力不变或减小，这时可认为土进入损坏阶段［11～13］。B20T3的硬土无论在强度还是刚度上都要远远大于B2T2的软土，具有更高的抗剪强度，所以在加荷过程中，硬土能承担更大的剪切力，并能较长时间地维持高孔隙水压力，使孔隙水压力变化幅度较小；与此相反，软土由于强度和刚度都较小，抗剪强度低，在一定的剪切力作用下逐渐发生剪切破坏，降低了土的整体强度，增加了土的排水通道，所以软土不能承受高孔隙水压力，且在发生剪切破坏后孔隙水压力从峰值快速下降。显然，土性的差异直接影响了土的孔隙水压力变化。

Fernando Schnaid认为加荷过程中孔隙水压力的变化取决于土的刚度和OCR［14］；M.D.Bolton、R.W.Whittle和C.P.Wroth认为孔隙水压力在一定范围内随总应力的增大而增大，其变化与土的不排水强度、剪切变形和弹性指标有关［15，16］；Hai-Sui Yu运用腔室膨胀理论、临界土力学原理进行理论推导和数值模拟，得出超孔隙水压力随总应力的增大而增大，达到一定值后随应变的增大而降低。由此可见，本次试验的分析结果与国外学者的研究成果是一致的。

4 结论

（1）黏性土在连续加荷过程中，有效应力呈单调增加的趋势，土的孔隙水压力先随总压力的增加而增加；在达到一个峰值后，随总压力的增加逐渐减小。

（2）黏性土的强度和刚度影响着土的孔隙水压力变化。强度大、刚度高的硬土具有更高的抗剪强度，在加荷过程中，硬土能承担更大的剪切力，并能较长时间地维持高孔隙水压力，使孔隙水压力的变化幅度减小；与此相反，软土强度和刚度都较小，抗剪强度低，在一定的剪切力作用下逐渐发生剪切破坏，降低了土的整体强度，增加了土的排水通道，所以软土不能承受高孔隙水压力，且在发生剪切破坏后孔隙水压力从峰值快速下降，使孔隙水压力的变化幅度增大。

（3）本次试验的结果与国外学者的相关研究成果是一致的，说明采用自钻式旁压试验采集土的现场孔隙水压力数值是准确可信的。

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［16］WROTH C P.The Interpretation of in Situ Soil Tests［J］.Geotechnique，1984，34（3）：449-489.

Study on Changes in Pore-water Pressure of Clays Based on Self-boring Pressuremeter Test

CAO Quan1，2，CHAI Shou-xi3，4，SHI Jian-yong1，2，QI Le1，2，WANG Pei3，4

（1.Key Laboratory of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Geotechnical Research Institute，Hohai University，Nanjing 210098，China；3.Department of Civil Engineering，Tianjin Institute of Urban Construction，Tianjin 300384，China；4.Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，Tianjin 300384，China）

During the loading，a high precision measurement of pore water pressure is helpful to understand explicitly the rule of changes of pore water pressure in clays，and plays an important role in instructing the engineering practices.The Cambridge self-boring expansion pressuremeter manufactured by Cambridge Insitu Companly in British is an advanced site investigation device.By means of tests，the instrument provides accurate information about pore water pressures during pressing.Two different types of clays are tested with the self-boring pressuremeter，and in situ data about pore water pressure are analyzed.The test results show that during the loading phase，an effective stress in clays increases monotonically，while pore water pressure generated increases at the starting，and then decreases.Beside that，the amplitude of pore water pressure accumulated in a stiff clay is lower than at in a soft clay；however，the absolute value of pore water pressure of former is further higher than that of the latter，which indicates that the strength and stiffness of clays are important influence factors to the changes of pore water pressure.

pore water pressure；self-boring pressuremeter test；in-situ test；clay

TU413.7

A

1001-5485（2009）07-0029-04

2008-03-15

天津市建设管理委员会科技计划项目（2006-46）

曹 权（1970-），男，安徽安庆人，高级工程师，博士研究生，国家注册土木工程师（岩土），主要从事土的原位测试研究，（电话）13276649292（电子信箱）caoquan＠hhu.edu.cn。

（编辑：刘运飞）