对比分析CPT土分类方法在地基检测中的应用

王梓旭

摘要：针对当前在地基检测过程中广泛应用的CPT土分类方法，包括Schmertmann法、Douglas法和Robertson法，结合工程实例，对不同分类方法进行对比分析，以此为地基检测土层分类工作提供可靠参考依据，保证最终检测结果的真实性与准确性。

关键词：CPT土分类方法；地基检测；对比分析

在岩土工程勘察中，土层分类为重要组成部分，划分结果能为实际的工程设计和施工提供可靠参考资料，同时划分结果是否准确还决定了工程质量。在土层分类和划分过程中，准确性最高且最直观的方法为钻孔取样方法，同时结合室内试验结果，而对于钻探这一传统意义上的方法，通常会受到工期、成本和场地等因素的限制，无法对钻孔进行广泛布置，所得地层剖面存在一定限制。对于静力触探的方法，由于操作简单、连续快速且经济合理，所以在当前的工程界已经得到广泛应用。在20世纪80年代初期，CPT技术快速发展，很多土层的划分主要是将锥尖阻力与摩阻力作为基础，如Schmertmann法、Douglas法与Olsen法。伴随CPTU技术进一步发展，发现锥尖阻力难免受到孔隙水压等因素的影响，所以借助孔隙水压对锥尖阻力进行修正可以获得良好的土性参数，如Robertson法。为了明确以上几种方法的特点和优劣，有必要进行应用对比。

1. CPT土分类方法

以静力触探试验结果为依据的土层划分方法，主要可以分成以下两类：其一，直接划分，将土层锥尖阻力与摩阻比作为依据划分土层；其二，间接划分，结合CPT所得参数以及CPTU所得孔隙水压力，并根据上覆地层的应力划分。虽然通过修正与归一化处理可以提供可靠度更高的划分方法，但通过Robertson分析可以得出，在深度相对较浅且上覆地层应力为50kPa～150kPa的情况下，以上两类划分方法没有太大差别，但间接方法需在测试结束后才可以进行，并且还需要获得土体密度和明确地下水位；采用直接方法能根据锥尖与摩阻力对土层实施划分，更加快捷。基于此，目前以直接划分方法为主[1]。

1.1 Schmertmann法

该方法相对简单，但因统计数据存在局限性，所以土层划分难免有误差。Tumay曾以CPT数据为依据，结合钻孔取样结果实施了对比修正，获得基于Schmertmann法的划分图。

1.2 Douglas法

1.3 Robertson1986法

虽然原图是以完成修正处理的锥尖阻力为依据进行分类的，但对砂土类地层而言，其修正之后的锥尖阻力与没有修正的无太大差别。基于此，在砂土地层当中，可直接根据锥尖阻力进行土层划分，可划分成12类。

1.4 Robertson1990法

Robertson1986法被广泛使用后，产生了一个问题，即当检测深度不断增加时，相同土层在各种检测深度条件下所划分的区域有所不同，其原因为检测参数会随着上覆地层应力不断增加而明显提高，以原参数为基础的划分结果产生误差。针对这一实际问题，国外很多学者都对地层应力提出了修正公式。

没有进行归一化处理的土类指数与原来归一化处理的指数在公式上完全相同，而参数会转变为与CPT相关的参数。通过统计分析可知，无论采用归一化还是没有归一化处理的指数，当土层压力在50kPa～150kPa范围内时，对分类结果进行的判断，其结果没有太大差别。

2.工程概况

在某工业区中，地基总处理面积在630×10m2左右。项目所在区域地表主要是沉積土，底层是灰岩。沉积层以粉土质砂与砂质黏土为主，其细颗粒含量在5%～10%范围内，部分位置可以达到70%～80%。以设计单位提出的要求，砂类土层必须为中密至密实，而黏性土层需要为硬塑至坚硬，地基检测方式以CPT为主。因砂类土层与黏性土层在验收标准上有所不同，结合相关资料可得，相较于砂类土层，黏性土层对应的验收标准相对较低，但仍然可以达到要求，在地基检测时，除了需要提供锥尖阻力对应的验收数据曲线，还需要提供与之相对的划分方式。特别是可以准确区分细颗粒含量相对较高的土层，采用科学的标准验收，在面积相对较大的项目中，有着重要的作用与意义。

3.不同方法应用结果对比分析

在该项目中以20000m2为单位划区，在每个分区中都随机选取一个点位实施原位测试，同时在测试点位的1.5m区域内再选取一个点位实施补充勘探，勘探方法为钻孔取样。因钻探取样长度按45cm控制，所以锥尖阻力与摩阻比均按照平均值来选取。在现场共取得250个钻孔，在每个钻孔上都选取3个样品实施对比，试样的总数为750个。

对于砂类土与黏性土，其划分将5类与6类视作分界线。通过对现场试验结果的收集和整理，同时将不同深度条件下试样的摩阻比与锥尖阻力输入到相应的土分类当中，以此确定土类别。各类土的细颗粒实际含量如表1所示。

从表1数据可以看出，在6类土中，共有90个样品的细颗粒实际含量为35%～45%，按照相关标准的要求，若土层中细颗粒实际含量超过35%，则该土层属于黏性土。基于此，该项目采用Robertson1986法的错判率等于6%。

地基检测时，黏性土被判别成砂类土，同时采用较高标准来验收，会使项目成本明显增加。基于此，在实际工作中使用和标准完全匹配的方法进行土分类，对降低项目成本有十分重要的作用与意义，必须引起相关人员的高度重视。为了对上述四种方法进行对比，确定各自优劣势，分别对Robertson1986法和Douglas法以及Schmertmann法和Robertson1990法进行对比[2]。

3.1 Robertson1986法和Douglas法的对比

根据Douglas法原理，采用该方法进行土分类时需将4类与5类土视作界限。在对Robertson1986法获得的分区土进行整理和统计的基础上，输入至Douglas法当中实施对比。细颗粒土实际含量如表2所示。这两种方法的对应关系十分清晰，而且Douglas法能将Robertson1986法的8类与9类土合并与Douglas法的5类土相对应，将Robertson1986法的6类与7类土合并与Douglas法的4类土相对应，同时所有6类土都包含在其中。两者唯一的差别在于对敏感性相对较高的土进行的划分，相比之下，Douglas法对敏感性较高的土进行的划分有更小的范围[3]。

通过室内试验可知，采用Robertson1986法对敏感性相对较高的土进行划分以细颗粒实际含量在35%～50%范围内为主。而Douglas法能将这部分分成4类与5类土。除此之外，采用Douglas法还能将采用Robertson1986法时划分的过度性土进一步划分成砂性土。由此可见，相比之下，采用Douglas法具有更大的划分范围，从表2的结果可以看出，有136个试样属于5区砂类土，其误判率相对较高，为18%左右。

3.2 Schmertmann法和Robertson1990法的对比

基于Schmertmann法的细颗粒土实际含量如表3所示。采用Schmertmann法对砂性土进行划分时更加细致，对颗粒级配存在不同的土层进行划分时，确定其密实状态。

采用Robertson1986法时，8区～10区都有局部划分为密实性或者是胶结性的砂性土，其钻孔的SPT击数在10～20范围内。6区被划分成具有一定松散性的砂土，其钻孔的SPT击数在10以内；1区与5区的黏性土被划分成黏质砂土，也就是砂性土，由此可以看出采用Schmertmann法时，对砂性土与黏性土进行的划分有更加宽泛的范围，也就是将Robertson1990法对应的1区、5区与6区都划分成砂性土，其细颗粒的实际含量在50%以上。从表3的数据可以看出，采用Schmertmann法时，无论是黏质砂，还是松散砂土，都含有细颗粒实际含量在35%以上的土样，根据统计结果，有120个试样被划分成砂类土，误判率等于28%[4]。

3.3 Robertson直接法和指数法的对比

基于Robertson指数法的细颗粒实际含量如表4所示。根据表4数据可知，采用Robertson指数法时，能将直接法对应的8区与9区合并为6区，并能将6区与7区合并为5区。根据对比结果可以看出，Robertson直接法对应的6区并不完全分布于Robertson指数法的5区，局部则分布于4区。其原因为Robertson直接法6区细颗粒实际含量有超过35%的情况。根据表4数据，5区中存在10个土样被划分成砂类土。基于此，当土类指数为2.6时，对黏性土与砂类土实施划分，错判率等于4%。通过综合考虑和分析，根据土性指数能对黏性土与砂性土进行良好区分，其错判率相对较低[5]。

从以上对不同方法的应用对比可以看出，Robertson指数法的划分准确率为所有方法中最高的，平均判错率很低，只有4%左右；排在第二的是Robertson直接法，其平均判错率为6%左右；之后分别为Douglas法与Schmertmann法[6]。

4.结论

通过以上分析可得：

4.1采用Robertson1986法进行分类时，各分区都有颗粒级配，而且很大一部分的分区都能对黏性土与砂性土进行良好区分。而对过渡区的6类土而言，和室内试验结果对比后可知，无法对黏性土与砂类土进行良好区分。

4.2从土类划分结果准确性角度讲，以Robertson1990法的划分准确性最高，平均判错率只有4%左右，排在第二的则是Robertson直接法，其平均判错率为6%左右；之后分别为Douglas法与Schmertmann法。

4.3借助Robertson1990法以CPT各项基本参数为基础进行土层划分时，可以满足现行标准的要求，将细颗粒实际含量为35%作为对黏性土与砂性土进行分界的标准，进而为实际的地基检测工作及项目成本控制提供参考。

参考文献：

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[2]巫茂寅，王起才，张戎令，马丽娜，王小龙，等；无砟轨道路基膨胀土分类分级方法试验研究[J].公路， 2016， 61（05）： 38-41.

[3]赵文.隧道软弱地基土分类及承载力检测方法分析[J].铁道工程学报， 2015， 32（12）： 117-119+91.

[4]梁小丛，陈胜，谢小明，等； CPT土分类方法在地基检测中的应用对比[J].水运工程， 2015， 10（03）： 41-46.

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[6]方崇，吕海波，杨军平，等；高速公路路基膨胀土分类的投影寻踪方法[J].公路与汽运， 2009， 11（06）： 80-83.