静力触探CPTu在护岸基槽疏浚底高程验收中的应用

郑洪文 中交广州航道局有限公司

卢生军 中交第四航务工程勘察设计院有限公司

对于建造在地质条件较差的软土上的重力式或斜坡式海工结构，比如码头、防波堤、护岸等，为了满足地基承载力、边坡稳定及消除使用期的残余沉降等，往往需要对海床面以下的软土层进行地基处理。而开挖换填是常用的软基处理方法。开挖换填法采用人工或机械设备将软土挖除，其基槽开挖深度需要根据开挖处的地质条件再结合设计要求的承载力或抗剪强度标准确定。目前，国内项目基槽开挖深度一般采用标高控制，并在开挖过程中辅以土质鉴别，即在开挖之前就需通过钻孔探明软土层的底高程分布，然后按高程进行开挖和验收。

受风、浪、流等海洋环境的影响，海上钻孔工效低、成本高，尤其当项目规模大需要的钻孔数量较多时将严重影响项目进度和费用。静力触探(CPTu)是利用一根安装了若干传感器的圆锥形探头在土体中以准静力匀速贯入时所采集的各项应力数据来迅速、连续地反映土质变化特征的一项土体原位测试方法。相比钻孔，其具有速度快、费用低等明显优势，已在国外被广泛应用于海洋工程的地质勘察。

本文依托海外某大型填海造陆项目，详细阐述了海床式静力触探(CPTu) 原位测试技术在其护岸基槽开挖底高程验收中的应用情况及技术要点，为该项勘察技术在今后类似项目基槽验收中的应用提供一定借鉴。

1.工程概况

1.1 位置

该在建工程位于菲律宾帕赛市，为一特大型填海造陆项目，计划在马尼拉湾现有陆域西侧海域通过填海形成3个大型人工岛，用以给该地区新的现代化住宅和商业地产开发提供建设用地。项目陆域总回填面积约396公顷，回填砂量近1亿m，而为回填砂提供防护的斜坡式护岸结构总长达12.5km。

1.2 地质条件

根据已完成的本项目地质勘察，工程区域地质较差，其土层自上而下可划分为SU1、SU2和SU3三个大的土层，其中SU3又可细分为SU3a至SU3c三个亚层。

SU1：非常软至软的粘土，厚度2至20m不等，标贯N为0-4击，不排水抗剪强度Cu值由表层的2kpa随深度增加至最大约15kpa；

SU2：标贯N为4-15击的粘土层，厚度0至4m，不排水抗剪强度Cu值小于100kpa；

SU3：（a）风化的砂岩、粉砂岩层。（b）硬粘土层，标贯N大于15击，不排水抗剪强度C u值大于100kpa。（c）密实的粉砂层，标贯N大于20击。

结合本项目护岸设计要求，将SU1、SU2层定义为软土层，其在护岸下方的分布厚度在6m 至20m不等，为满足护岸的边坡稳定及残余沉降要求，需对该SU1、SU2软土层进行软基处理。

1.3 护岸软基处理方案

本项目为在深厚软土区、强震区、及强浪区条件下建设的特大型筑岛造陆工程，其护岸软基处理方案主要受地震工况下的边坡稳定控制。

在综合对比堆载预压、DCM及开挖换填等软基处理方案之后，因开挖换填方案既能满足边坡稳定设计要求，又最经济，故最终考虑采用开挖换填的软基处理方案将软土SU1和SU2层通过强度更高的中粗砂进行换填。开挖换填宽度根据边坡稳定分析确定，开挖深度要求达到SU3层顶部，并需进行现场验收。

2.基槽验收标准及方法

2.1 验收标准

护岸下方开挖换填深度由地震工况下的护岸边坡稳定分析确定，要求开挖至硬土SU3层顶部，设计确定的基槽开挖深度验收标准如下：

要求采用现场土工试验对基槽开挖底高程进行验收，开挖深度应至少达到SU3层顶部；

当基槽下方为SU3a风化岩层或SU3b硬粘土层时，要求开挖深度必须达到不排水抗剪强度Cu不小于100kPa的土层；

当基槽下方为SU3c密实粉砂层时，要求开挖深度必须达到砂土层，且其相对密实度Dr需在65%以上。

2.2 验收方法

国内项目海上基槽开挖深度一般采用设计标高控制，并在开挖过程中辅以土质鉴别，做法为在开挖之前首先通过海上钻孔的方式对基槽区域地质进行进行勘察，然后根据设计计算确定基槽开挖需要达到的设计底高程，最后在施工过程中通过标高进行验收，并辅以土质鉴别。由于国内能够做海上静力触探（CPTu）的勘察单位不多且工程师们缺少这方面的设计经验，故除了一些大型的项目外，如港珠澳大桥，国内少有项目采用海上静力触探（CPTu）验收基槽疏浚底高程。

相比钻孔，海上静力触探（CPTu）的试验速度是钻孔的好几倍故而其成本也更低，因此在国外海洋工程中已被广泛应用，且积累了丰富的工程应用经验。

本项目护岸总长度约12.5km，按规范要求的50m间隔布置钻孔，则数量将达250个之多。海上钻孔施工速度慢，每天仅只能完成1个，等250个钻孔全部完成然后再确定基槽疏浚底高程的则至少要花费8个月以上的时间，在项目总工期才3年的情况下这显然是不被接受的。另外，海上钻孔费用很高，250个钻孔将花费数百万美元。

在综合考虑本项目工期、费用及护岸基槽验收要求后，最终选择采用海床式静力触探（CPTu）方法对基槽疏浚底高程进行验收，具体如下：

①疏浚之前采用物探（浅剖）手段大致探明基槽范围的软土深度分布情况，物探线沿基槽中轴线布置。因软土SU1、SU2层与硬土SU3层土性差异很大，通过物探确定的软土深度误差一般在3m以内。

②设计根据物探结果确定初步的基槽开挖底高程，现场根据该设计提供的初步底高程进行基槽开挖。

③在基槽开挖至距离初步预计的底高程3m左右时，采用海床式静力触探（CPTu）设备对基槽下方土层进行原位测试，获得锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压力等原位试验数据。

④根据已有文献的研究成果，对原位试验数据进行分析，确定土层类型、粘性土的不排水抗剪强度Cu及砂土的相对密实度Dr等，然后与设计要求的验收标准比较，确定最终要求的基槽疏浚底高程。

⑤现场疏浚至最终要求的基槽疏浚底高程，然后按高程进行验收。上述采用海床式静力触探（CPTu）验收基槽疏浚底高程的方法不仅本身CPTu比钻孔速度快、费用低，且其不需要先进行地质勘察而是边疏浚边现场原位土工试验，从而使得地质勘察不再是影响项目工期的关键工序。

3.海床式CPTu试验

3.1 试验设备

根据设计要求的验收标准，需设备能够提供锥尖阻力、侧摩阻力及孔隙水压等原位试验数据。故最终选择Van den berg生产的Roson 100kN海床式CPTu设备，其主要包含：一个电压式贯入计探头；下压杆；10吨推力系统；信号线、电源线；数据采集和处理系统。

3.2 试验步骤

该海床式CPTu试验步骤：①通过驳船将CPTu设备运至试验点，抛锚固定驳船；②采用驳船上DGPS定位系统对CPTu原位试验点进行定位，误差控制在±0.5m以内；③通电检查数据采集模块、通信模块和控制模块的运行状况，观测上位机上显示的信息，正常后复位；④利用驳船上的吊机系统及A字架将CPTu设备缓慢吊起并下放至海床面，应注意设备的倾斜度必须控制在15°以内，否则需对CPTu设备姿态进行微调。⑤确保CPTu设备的倾斜度满足要求后，启动推力系统，通过转动驱动轮使锥体开始静压贯入地层，锥体贯入速率控制在20mm/s，每贯入10mm采样锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压；⑥当达到终孔标准时停止试验，收回CPTu设备并移至下一试验点。

3.3 终孔标准

该海床式CPTu试验当达到下列标准之一时即停止试验：（1）根据试验数据判断已穿透软土SU1、SU2层，且在试验设备能力允许的情况下进入SU3层至少1m；（2）达到了CPTu设备推力系统的最大下插力，即100kN；（3）锥尖阻力达到30MPa；

3.4 试验数据

通过该海床式CPTu设备可直接获得锥尖阻力qc、侧摩阻力fs、孔隙水压u2及压杆倾斜角等参数，典型的试验数据（来源CPTu-15）如图1 -图3所示。

图1 锥尖阻力qc随深度变化曲线

图2 锥侧阻力fs随深度变化曲线

图3 不排水抗剪强度Cu随深度变化曲线

4.试验结果分析

4.1 土层类型

锥尖阻力、摩阻比和孔隙水压在不同类型土层的边界处具有明显的波动，据此可判断土层的类型。项目采用Robertson(1990，2009)提出的土的分类图来对土层进行分类，据此得到的其中一个试验点CPTu-15的土类与邻近钻孔BHb-19 的比较如表1所示。

表1 土层分类

4.2 粘性土不排水强度

本项目采用Schmertmann(1975)提供的通过修正后的锥尖阻力qt预估粘性土不排水抗剪强度Cu的经验公式如下：

式中：C为粘性土不排水抗剪强度，kpa；q为校正后的锥尖阻力，q=q+0.25u，MPa；σ为计算点处的总上覆应力，kpa；N为锥体系数，受许多变量影响，比如原状土应力条件、应力历史、土体结构、敏感性、塑性特性、探头类型、贯入速率等，一般取值15至20。

根据上述方法确定的CPTu-15中粘性土不排水抗剪强度Cu随深度变化曲线如图3所示。从图中可以看出，当深度为4.3m时，Cu值大于100kpa，满足设计要求的基槽底高程验收标准，该厚度也与通过邻近钻孔BHb-19确定的软土厚度十分接近。

4.3 砂土相对密实度

当土层为砂土时，同样可以通过CPTu试验数据确定砂土的相对密实度Dr。本项目采用Jamiolkowski等人（2003）提供的经验公式评估砂土的相对密实度，公式如下：

式中：q为锥尖阻力，MPa；σ′为计算点处有效上覆应力，kpa；K为水平应力系数，取0.5。

应注意的是，该公式是基于对干净的细、中砂的校准测试结果，且为硅质砂。

5.结论

受风、浪、流等海洋环境的影响，海上钻孔工效低、成本高，而通过将海床式CPTu原位测试技术应用于护岸结构基槽开挖底高程的验收，并将测试结果与钻孔进行比较，结果表明：

（1）海床式CPTu原位测试结果准确、可靠，与钻孔的一致性较好。

（2）可通过CPTu原位试验确定土层类型、粘性土不排水强度、砂土相对密实度等，满足基槽开挖底高程验收对土质勘察的技术要求。

（3）相比钻孔，海床式CPTu试验更高效、经济，能有效缩短勘察周期及节约费用，具有较好的推广应用价值。