多功能孔压静力触探在基坑工程降水设计中的应用分析

童立元，刘松玉，郑灿政，杨溢军，王道纲

（1.东南大学 岩土工程研究所，江苏 南京 210008；2.苏州轨道交通集团有限公司，江苏 苏州 215000）

1 引 言

渗透系数是基坑工程降水设计的基本参数，实际工程中，由于对土层渗透系数的提供或选用不当导致设计不合理，进而发生降水效果不理想或坑壁坍塌、坑底涌砂、周边地面沉降过大等事故的案例并不少见，不仅影响基坑土方的开挖，而且会危及临近建筑物或地下管线的安全使用。目前，渗透系数通常由室内常水头或变水头渗透试验测定，重要工程辅以现场的抽水试验或根据地面沉降观测资料进行反算。但由于受钻探、取样、室内试验复杂过程的扰动影响，加之小块样品不能反映土层宏观结构、软黏土和砂土原状试样难以取得等多方面因素，导致室内试验结果与实际情况存在较大偏差，当地基中有较多薄砂层或软弱夹层时，误差更大；抽水试验虽然能更准确地反映土层的综合渗透性能，但技术要求高、周期长、成本高；基于实测资料的反分析方法受制于复杂的工况条件和边界条件及实测资料的可靠性，反演结果不甚理想[1-2]。

地震波孔压静力触探（简称SCPTU）作为一种简捷、连续、方便、可靠的新型原位测试技术[3]，测试过程中能比一般双桥静力触探多量测出土的孔压参数，还能够在预定深度停止贯入进行孔压消散试验和地震波试验，并由此求取土层的固结系数和渗透系数。本文以南京长江四桥南锚碇深基坑场地为例，对长江下游漫滩沉积土进行了室内试验和SCPTU 原位测试，对SCPTU 应用于场地复杂地层的精细划分、长江漫滩沉积黏性土透水性能的评价和预测渗透系数kh几个方面进行了详细分析，并比较了渗透参数确定方法的差异性，为场地锚碇基坑降水设计提供了参考。

2 试验场地概况

试验场地位于长江下游漫滩区，第四系覆盖层厚度约50～60 m，主要由粉砂、粉土、粉质黏土和砾石组成。由于沉积过程中的环境变化，漫滩区广泛分布有黏土、粉土和砂土的混合物，在空间上表现出极大的不均匀性，位置相差不远的土样颗粒分布往往就有大的变化。

研究区典型的沉积物剖面显示土层的二元结构，浅部为细粒土（黏土或粉砂土），其下为粗粒土（砂土和砾石）。由于复杂的沉积历史，二元结构中往往存在一个由互层的粉砂粉土和黏土组成的过渡区。试验场地从上至下分布有粉质黏土、淤泥质粉质黏土（局部缺失）、粉砂、砂土和砾石。特别需要指出的是，土层中分布有较多的薄夹层或不明情况的土层界面，黏土或粉砂薄层、透镜体等的存在，导致土层的精细描述比较困难。图1 展示了场地典型剖面的颗粒组成、动力触探（SPT）、含水率（塑限含水率Wp，自然含水率Wn，液限含水率W1）、液塑限、孔隙比（e0)和超固结比（OCR），其中OCR的数值变化反映场地土层处于正常固结-轻微超固结状态，场地浅层的重超固结状态（OCR=4～7）为人工活动及气候等因素形成，深部的轻微超固结是由于年代因素和剥蚀因素造成。

图1 试验场地土层主要物理性质指标和应力历史状态Fig.1 Main physical indexes and stress histories of soil at testing site

3 试验方法与试验结果分析

3.1 试验设备及方法

本文 SCPTU 试验采用原装进口美国Vertek-Hogentogler 公司产200 kN 的地震波孔压静力触探仪，探头规格符合国际通用标准(ASTM 5778)，探头锥底面积为10 cm2，锥角为60°，摩擦套筒面积为150 cm2；孔压元件（厚5 mm）位于锥肩位置（u2）；探头内置温度传感器和测斜传感器，用来进行数据的温度修正及倾斜修正；探头内置小型地震检波器用来测量剪切波速Vs。试验时，以2 cm/s 的速度贯入，地震剪切波速在每隔1 m 静力触探贯入换杆暂停时采集数据。试验孔数为8 个，均位于勘探孔附近(见图2），与原有勘探孔水平距离控制在1～2 m 左右。

图2 长江四桥南锚碇SCPTU 测试孔布置示意图Fig.2 Location of SCPTU tests in the south anchor site of the Nanjing Fourth Bridge

3.2 应用SCPTU 对长江漫滩沉积土层进行精细划分的分析

SCPTU 试验结果如图3 所示。各测试参数 qt，fs和 u2表现出一定的一致性，而且可以明显分成2组：S02，S03，S07，S08 4 个孔表现一致（组1），S01，S04，S05，S06（组2），经与钻孔记录比较，发现组1 在16～22 m 深度遇到粉质黏土，而组2在该深度遇到的为粉砂夹粉土。

从图中各试验曲线的重叠图还可以看出，各孔测试参数锥尖阻力 qt、侧壁摩阻力fs、孔压u2沿深度剖面均有不同程度的变化，锥尖阻力试验曲线上高频率出现的“尖突”和孔压u2试验曲线出现的反方向“下突”，表明在粉质黏土层中出现较多的粉砂或粉土夹层，而粉砂、粉土层中黏土或粉质黏土夹层的出现，通过高的超孔隙水压力反映出来。这些透水或不透水的层间夹层或小的层面变化在场地各试验孔中均间续出现，而在勘探孔标贯等试验曲线中并不能有效反映或在钻孔柱状图中出现遗漏。

目前，国内通常采用的双桥静力触探，虽然可以利用锥尖阻力、侧壁摩阻力指标划分土层，但受临界深度效应的影响，分层精度也并不太高。而通过孔压静力触探，结合孔压等指标划分土层，可以提高其精度，特别是对于薄夹层精度远远高于普通的静力触探（见图4、5），以试验孔S05为例，对其25～30 m 深度范围进行精细划分，可以通过 qt和u2曲线看出该段黏性土层内至少存在4 个粉砂或粉土薄夹层(25.8～26.2、26.8～27.1、27.8～28.2、29.3～29.6 m），层厚约30～40 cm，而钻孔柱状图往往只能粗略表示。

综上分析，利用孔压静力触探锥肩位置厚度仅5 mm 的孔压元件测试得到的孔压u2的敏感性，可以对长江漫滩沉积土进行精细的划分，准确的分辨出不同性质的土层界面或同一土层中的夹层分布情况（黏性土层中的粉砂、粉土夹层或无黏性土层中的粉质黏土夹层），而当这些透水或不透水夹层累积到一定厚度后对土层的渗透性能将产生重要影响，进而改变地下水的流态，在基坑开挖降水过程中，忽略这些夹层或界面，可能会造成一些工程事故，如增加沿软弱界面滑动、阻碍或增加黏土固结速率的可能性。因此，应用SCPTU 对具有高度分层特性、高度各向异性的长江漫滩沉积土进行精确分层，对于基坑降水设计具有重要意义。

图4 基于SCPTU 的场地土层划分示意图(S05 孔,Robertson &Campanella 分类法,1986)Fig.4 Illustrative profiles of soil classification(borehole S05 used by Robertson &Campanella method(1986)

图5 试验孔S05 地层精确划分示例(深度25～30 m)Fig.5 Precise division of the S05 formation in the experimental hole at the depth 23-30 m of S05

3.3 长江漫滩沉积黏性土透水性能的评价(40 m以前)

以往，对长江漫滩沉积土层的勘察中，对40 m以浅出现的粉质黏土或淤泥质粉质黏土，多根据室内渗透试验结果，认为其渗透性低，将其作为隔水层，其下粉砂、砂土层为承压含水层，通过本次试验对这种含有较多夹层的黏性土层的透水性进行了进一步分析。

图6为不同深度孔压消散试验曲线，可以看出，场地浅部黏性土层（S3 孔，6 m）孔压消散时间稍长（50%消散水平时间约为25 min，试验曲线呈缓变型），而深部消散时间一般都很短（一般在10 min以内即可达到50%的消散水平，试验曲线呈陡降型），说明场地黏性土层由于含有较多的粉土、粉砂夹层，透水性较好；图7 中展示了各消散试验点50%消散水平时间t50与相应试验点颗粒分布之间关系，从图中可看出，绝大部分试验点细砂（0.25～0.075 mm）和粉粒（0.075～0.005 mm）含量较多，t50值大部分在200 s 以内，进一步说明黏性土层具有较强的透水性，因而实际工程中将其作为隔水层考虑并不甚合理，在基坑工程降水设计中，应分析潜水和承压水层上下联通或发生一定程度越流的可能性，在承压水非隔断设计时，坑内外的水力联系问题要高度重视，以避免抽降水引起较大的周边地面沉降等环境问题。

图6 不同深度孔压消散水平-消散时间试验曲线Fig.6 Test curves of pore pressure dissipation at different depths

图7 各试验孔消散时间t50与不同深度土层颗粒组成间关系Fig.7 Relationship between dissipation time of each test hole t50and grain content of soil at different depths

4 基于SCPTU 确定渗透系数计算方法的比较分析

4.1 分析方法

自从多功能孔压静力触探问世以来，国外学者提出了多种基于孔压静力触探测试的渗透系数确定方法，简介如下：

①Baligh &Levadous 方法[4]

式中：kh为水平向渗透系数；RR为超固结土的压缩比，表示压缩试验中有效应力的每个1 g 循环的应变，可以从室内固结试验确定，Baligh &Levadoux认为，0.5×10-2

② Parez &Fauriel 方法[5]

③Burns &Mayne 方法[6]

式中：D′为与试验加载模式相关的一维压缩侧限模量(Δσz/Δεz)。该方法基于 CE-CSSM 模型，可适用于单调或非单调孔压消散模式，按如下步骤计算：

（1）根据孔压消散试验采用Burns &Mayne[7]方法计算固结系数ch：

式中：PI为液性指数。

（2）根据SCPTU 实测剪切波速Vs或qt计算D′[9]

式中：σv0为上覆应力。

式中：Vs为剪切波速。

4.2 不同分析方法的评价比较

图8 室内渗透试验与基于SCPTU 预测k 值的比较(注:＊为含粉砂夹层试样)Fig.8 Comparison of k values between indoor infiltration test and SCPTU test(notes:＊ means samples with silty sand seam)

图8 和表1为各种基于SCPTU 方法渗透系数预测结果与室内变水头试验结果的比较，从中看出，不同方法之间具有比较大的差异性，室内试验得到的kh值要大大低于基于SCPTU 原位测试预测的结果，特别是在10～14 m 和28～36 m 之间，这种趋势更为明显。造成这种结果的原因主要是长江漫滩沉积黏性土层中或多或少含有连续的薄透水夹层或不连续的砂透镜体，室内试验样品多选取均匀土层，而原位消散试验可以更好地反映实际土层不均匀的特点。

比较表明，室内试验 kh值一般比SCPTU 方法预测结果低1～2 个数量级，甚至3 个数量级。而从表1 还可以看出，室内含夹层试验结果与原位测试预测结果比较接近，验证了基于SCPTU 试验预测渗透系数的可行性。室内试验垂向和水平向渗透试验结果之间大致是2 倍的关系(kh/kv=2)，表明了漫滩沉积土层的各向异性，在某些深度，kh/kv的值甚至达到 10 或 60，这个结果与图 3 根据Robertson[10]土分类方法的判断是一致的。

各种基于SCPTU 测试的预测方法中，若以Parez &Fauriel 法[5]预测 kh值为参考值，可以发现Baligh &Levadous 方法[4]预测结果与 Parez &Fauriel 法[5]有类似的趋势，但kh值普遍小一些。而其他2 种方法预测kh值总体上要比Parez &Fauriel法[5]预测kh值大得多。此外，Kulhawy &Mayne 方法[9]、Burns &Mayne 方法[6]分别采用qt和Vs预测D′进而计算kh值，而后一种方法预测得到的kh值与室内含夹层试样渗透试验得到的kh值更为接近。

值得指出的是，从图8 和表1 也可以看出，无论是基于SCPTU 试验预测得到的kh值还是室内试验所得值均具有一定的不确定性和高离散性，分析认为，主要原因为：长江漫滩沉积土土性的空间变化、土层的高度分层性、试验尺寸和试验方法、样品的不均匀性、复杂的试验边界条件等，如图7 土层颗粒分布组成情况反映的漫滩沉积黏性土的高度不均匀性即是明显证据。特别是对于SCPTU 试验来说，由于试验时qt，u2和Vs测试位置的不同，对关系式（6）和（7）的计算结果也有一定的影响。

综合比较结果显示，对于长江漫滩沉积土，由于粉土、粉砂和黏性土的混合特性，各种基于SCPTU 预测 kh值的方法中，不能根据少量试验得出“某一种预测方法明显比其他方法更有优势”的结论，实际工程中，如果结合试验点颗粒组成成分和沉积环境的详细调查，对预测结果的进一步比较会得出更为可靠的结论。虽然具有上述的不确定性，但作为近似预测方法，与室内试验相比，基于SCPTU 预测 kh值的方法仍然可以作为工程初设阶段的重要手段，特别是Burns &Mayne 方法[6]预测值可以作为初步参考值。实际工程中，可通过对抽水试验水位及沉降观测资料的反演对SCPTU 预测 kh值进行进一步核实，为优化设计提供更为可靠的设计值。

表1 室内渗透试验和基于SCPTU 预测k 值的综合统计表Table 1 Summary of k values from laboratory and SCPTU evaluations of hydraulic conductivity

5 结 论

（1）综合利用多功能SCPTU 测试qt、fs、u23 个参数可以对具有高度分层性和不均匀性的长江漫滩沉积土进行精确分层，特别是锥肩位置厚度仅5 mm 的孔压元件u2的测试对不同性质土层界面、同一土层内夹层的存在具有较强的敏感性，可以对影响土层渗透性能的透水或不透水夹层准确判断。

（2）利用多功能SCPTU 钻进过程中的孔压消散试验功能，可以对场地40 m 以浅出现的粉质黏土或淤泥质粉质黏土的透水性能进行评价，分析认为，场地40 m 以浅黏性土层具有一定透水性能，降水设计需考虑地下水的上下联通或越流等问题。

（3）基于SCPTU 预测渗透系数kh的不同方法比较表明，对于长江漫滩沉积土，如粉质黏土或粉土这种中间土类，由于土层的高度分层性和不均匀性，不同方法预测结果均具有一定的离散性，各方法之间的优势比较需根据颗粒组成成分和沉积环境进行进一步分析。

（4）与室内渗透试验结果相比，基于SCPTU预测的渗透系数kh一般比室内试验结果高1～2 个数量级，Burns &Mayne 方法[6]预测值可以作为工程初设阶段的参考值。

（5）由于本文的分析仅基于长江漫滩一个场地进行，其有关结论尚需更多的试验验证和完善，但多功能SCPTU 在长江漫滩复杂沉积土层的精确探测、透水性能的评价及渗透系数的快速预测方面体现出了一定的优越性，为基坑工程降水设计提供了一种简便、快捷的新的技术手段。

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