孔压静探试验技术应用探讨

□胡 浩（信阳市水土保持监督监测站）

1.引言

孔压静探测试（CPTU）是在测定锥尖阻力qc和侧壁摩阻力f s的同时，能测量探头贯入时土层中的孔隙水压力u，测量超孔隙水压力△u随时间消散的过程。既可以用超孔压的灵敏性来对土体进行准确分层，还能通过超孔压估算土层的不排水抗剪强度、固结系数和渗透系数等。

2.测试概况

超孔压消散试验采用的探头截面积为15cm2的三桥电测探头，可同时测量端阻、侧摩阻以及由于触探引起的孔压和探头倾斜。在探头肩部装备了水压测量计，测量由于触探引起的孔压，采用真空抽气饱和法对孔压测量计进行饱和。探头的竖向角度偏差由探头内的测斜仪测量。

在孔压静探试验中，达到预定深度停止贯入，以测量由于触探在土层中产生的超孔隙水压力的消散过程。消散60%以上，视为消散结束。以下是采用的参数和定义：

Ui：初始孔隙水压力，指在孔压消散试验刚开始时的孔隙水压力M Pa。

Up：最高孔隙水压力，一般在孔压消散试验开始后几分钟内出现M Pa。

Uf：最终孔隙水压力，指在孔压消散试验完成时的孔隙水压力M Pa。

Uo：静水压力 M Pa。

Di ssi pat i on：超孔隙水压力在试验结束时的消散比例%，这里：

或者，当Ui=Up时，则按下式估算：

而任意t时刻的孔压消散比例，则为：

这里，Ut是任意t时刻的孔隙水压力。

通过对具体土层进行孔压消散试验可知：淤泥土由于渗透系数比较小，所需的消散时间较长，消散比例为50%对应的消散时间超过2000s；粉质粘土与淤泥土相比，纯粘土的渗透系数比较小，所需的消散时间也较长，消散比例为50%对应的消散时间小于300s；砂土由于砂层提供了良好的透水通道，所需消散时间较少，消散比例为50%对应的消散时间仅为13s，完全消散（消散比例100%）的时间也不到300s。

3.试验分析

在本次孔压静探试验中发现，探头的结构、操作方法、土层条件等都可能影响超孔压消散试验结果。这也与他人研究结果吻合。下面从探头的结构、水压测量计的饱和、贯入速率、土层特性等方面对试验结果的影响进行分析总结。

3.1 探头结构

探头的结构中最为关键的是水压测量计的位置，直接影响超孔压消散试验结果。不同位置的水压测量计测出的孔隙水压力有很大的不同，在锥尖处最大，在锥肩处最小，锥面介于两者之间。

3.2 水压测量计的饱和

水压测量计的饱和在测量孔隙水压中极为关键，尤其是渗透性差的粘性土，影响更大。在实际测试中发现，没有充分饱和的水压测量计，测量结果一般偏低，这是因为有部分孔隙水压力被水压测量计中的压缩空气吸收。在时间上也存在一定的滞后性，不饱和程度越高，滞后性越大。

3.3 贯入速率

贯入速率对孔压测量结果的影响，与土层本身的渗透性密切相关。与端阻、侧摩阻相比，孔压测量受贯入速率的影响更为敏感。不同的贯入速率，对土层来讲，就相当于不同的排水条件。在不同的土层中，贯入速率在粉质土中影响则为最重。这是因为在粉质土的贯入过程中，贯入速率的改变，对改变其排水状态影响较大。

3.4 土层特性

孔压消散试验结果表明，在不同的土层中，消散曲线有明显的不同。这与土层本身的排水特性密切相关。一般是渗透性大的土层超孔压消散快，渗透性小的土层超孔压消散慢。通过本次测试，可以得出以下几点：

3.4.1 砂土

对于砂土等粗粒土，其渗透系数较大（k≥1×10-4cm/s），相当于排水状态。超孔压消散曲线表明，其超孔压消散很快，对应于消散水平为50%的消散时间t50一般不超过100s。

3.4.2 粘性土

对于粘土等细粒土，其渗透系数较小（k≤1×10-7cm/s），相当于不排水状态。超孔压消散曲线表明，其超孔压消散很慢，对应于消散水平为50%的消散时间t50一般在1000s以上，而且饱和度越高。

3.4.3 粉质土

对于粉质土，其渗透系数介于砂土和粘性土之间，相当于部分排水状态。超孔压消散曲线表明，其超孔压消散介于砂土和粘土之间，对应于消散水平为50%的消散时间t50一般在500s左右。

4.超孔压消散试验结果的应用

由于孔压静探试验可以连续测试，能够区分出大于20m m的细薄软弱夹层，可以更好地消除工程安全隐患。孔压静探试验测量的超孔压及其消散过程，可以用来估算土层的固结系数、抗剪强度等指标。

4.1 不同消散程度下的固结系数比较

根据超孔压的消散过程可以求得土层固结系数，与室内试验相比，方便快捷，而且准确性高。本次测试用Torst ensson固结系数估算公式，如下所示

式中：Ch为固结系数；

R为探头锥肩半径（cm）；

t为一定固结程度下的消散时间，一般可取t50；

T相应于一定固结度的时间因数（通常取50%固结度）。

公式（4）为一定消散程度下的固结系数。对同一土层，测定不同消散程度的固结系数，研究消散程度对固结系数的影响。

通过实验并运用上式计算表明：不同消散程度下的固结系数变化不大，其平均值比较接近消散程度为50%时，即t50的值。

4.2 不同方法测定的固结系数比较

在实际应用中，通常以现场沉降反算的固结系数为准。

通过对超孔压的消散试验、室内试验、现场沉降反算三种方法结果的比较，结果表明：孔压静探试验求得的固结系数与室内试验测定的结果相比，两者相差较大，室内试验结果小，孔压静探结果大；通过现场沉降反算的固结系数与通过孔压静探求得的固结系数比较接近，偏差范围为0.04-0.17之间，而与室内试验结果相差较大，偏差均＞0.90。

4.3 不排水抗剪强度

不排水抗剪强度是土层重要的力学性质指标，目前多由现场十字板剪切试验直接测出。根据孔压静探的锥尖阻力和超孔压可以求出不排水抗剪强度，其关系式为

式中：Cu为不排水抗剪强度kPa；

qc为锥尖阻力kPa；

△u为超孔隙水压力kPa；

k、c为常数，可以通过试验数据的回归分析求得。

通过对孔压静探估算和现场十字板剪切试验实测两种方法求得的不排水抗剪强度结果进行比较，结果表明，通过孔压静探估算的不排水抗剪强度值与现场十字板剪切试验实测的不排水抗剪强度值较为一致，偏差范围在0.03~0.25之间。

5.结语

孔压静探测试超孔压消散试验中，探头的结构直接影响结果修正，水压测量计的饱和、贯入速率是保证测量结果的关键，测试过程应特别重视。通过与其它测试试验结果的分析对比，发现用孔压静探资料对土层一些物理力学参数进行估算是可行的，加上该技术能较大地缩短勘察周期，且试验性能稳定，值得在水利工程勘察及设计中推广应用。

[1]林宗元.岩土工程试验监测手册[M].第一版.辽宁：辽宁科学出版社，1994.357.

[2]蔡国军，刘松玉，童立元，杜广印.孔压静力触探（CPTU）测试成果影响因素及原始数据修正方法探讨.工程地质学报[J]，2006/14（05）-0632-05.