CPTU在确定黏性土压缩模量中的应用研究

寇 婷，孙 荣，徐永成

（江苏省第二地质工程勘察院，江苏 徐州 221004）

随着经济的快速发展，高速公路建设突飞猛进，我国高速公路总里程位列世界第一。但早期建设的高速公路等级较低，绝大多数按照双向四车道设计，已经不能满足现在的交通增长量的需求，急切需要拓宽增大道路通行能力[1]。在高速公路拓宽建设中，新旧路基沉降不均匀，使沉降量难以预测。为了准确掌握沉降规律，土体的压缩模量就必须准确。CPTU（piezocone penetration test）原位测试技术能够准确获取土体数据，通过合适的计算方法，可快速准确的计算出土体压缩模量[2]，进而对路基沉降进行准确预测。本文结合某高速公路拓宽项目，对CPTU 确定黏性土的压缩模量进行研究。在分析项目所在地的地质条件的基础上，对原有路基和待施工路基进行了CPTU 原位测试，通过原有路基沉降量的反演计算方法，求得土体压缩模量，进而建立基于反弯点置零的双曲线沉降量预测模型，对路基的沉降量进行预测。

1 项目概况

某高速公路拓宽项目，全长为81 km，原路段路堤宽度为28 m，边坡为1:1.5，双向四车道设计，最高限速120 km/h。原有路堤填料为低液限黏土，部分路段为高液限黏土，部分路堤采用6%～8%的石灰改良土换填，另有部分路段的路堤填料为粉质黏土，未做任何处理。新拓宽的填筑路堤所用的填料，沿线路中心线以外30～80 m 范围内取土。线路经过浅洼平原区，地势平坦，沿线有较多农田、沟河及鱼塘，浅部黏土以泻湖沉积土为主，表层有厚度为0.5 m 的硬壳层。表层以下为黏土，压缩量较高，工程地质条件较差。地质结构如表1 所示。

表1 工程项目所在区域地质情况

由于工程地质条件较差，需要根据原有路段的施工、沉降等资料，结合CPTU 现场原位测试，制定路基处理方案和路堤压实方案。

2 CPTU 现场原位测试

2.1 仪器设备

待拓宽地基的现场原位CPTU 测试设备采用东南大学的CPTU-1 型多功能数字式孔压静力触探系统。该测试设备轻巧灵活，可用于各种地形环境，钻头上部配置模/数转换模块，在孔下即可完成数据转换，具有高效性、数字化特征。软件系统加入了温度校正和倾斜校正功能，保证了测试精度[3]。

原有地基的CPTU 测试设备采用Hogentogler多功能数字式车载CPTU测试系统。该设备可在原有路面进行直接探测，测点之间转移方便，工作效率高。探测设备的锥角为60°，锥底截面积为1 000 mm2，钻头直径为35.7 mm，孔压测试元件厚度为5 mm，探测钻入速度为0.02 m/s，每隔100 mm 采集一次数据。

2.2 现场试验

根据项目部设计需求，结合待建新地基的地质情况，对存在黏土软弱土层的路段进行CPTU 原位测试，测试深度为20m。测试布置方案如图1 所示。

图1 CPTU 测试布置

对于同一个CPTU 探测位置，沿线间隔5 m钻设3 个孔位，测试数据对比分析，为了最大程度保证数据准确性，如果3 组数据相似，则取3 组数据的算术平均值作为最终结果；如果有1 组数据明显异常，则取两组数据的算术平均值作为最终结果；如果3 组数据均差异较大，则应加测一组数据。

2.3 测试结果与分析

以工程K518+510 断面为例，CPTU 原位测试所获得的锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力和摩阻比数据如图2 所示。

图2 K518+510 断面原位测试数据

在0～3 m 范围内，仅有原有路基的测试数据，因为待拓宽的新建路堤还未施工。工程场地从上到下依次大致为固结黏土、淤泥黏土和粉质粘土。0～8 m 之间的土层锥尖阻力较大。深度达到8m以后，锥尖阻力减小至1 MPa左右，孔隙水压力随之增大，因为8 m 以下为淤泥黏土层，含水量较高，空隙比较大，压缩性较高。

3 CPTU 测定压缩模量的应用

3.1 土体压缩模量计算

锥尖阻力与土体的压缩模量值之间有显著的相关性，但是相关系数的计算比较困难。对于不同的地质层，应选取不同的相关参数。在原有路基沉降数据的基础上，分层反演计算相关系数切实可行。

（1）压缩模量

压缩模量与锥尖阻力有如下关系[4]：

（2）沉降系数

沉降系数的计算公式如下所示[5]：

（3）地基沉降量

地基总沉降量可通过分层系数法进行计算[6]，公式如下所示：

工程地质层分为硬壳层、固结黏土、淤泥黏土和粉质黏土4 个层次，需要计算4 个参数，至少需要5 个相似的断面数据来求解上述超静定方程组，进而求得土体的压缩模量。借助计算机求解，得到相关系数的值分别为5.28、4.32、5.98 和6.61。依据公式(1)可得K518+510 断面附近土体的压缩模量如图3 所示。

图3 K518+510 断面土体压缩模量

由图3 可知，原有路基经过机械压实，密实度较高，得出的压缩模量较大。而自然地基的压缩模量较小，压缩模量比原有路基小1～2 MPa，黏土性质的软土地基压缩性较大，会产生较大的沉降，需要对其进行特殊处理。

3.2 地基沉降变形预测

根据固结理论和原有路基沉降资料分析，路基在填筑路堤和车辆荷载的共同作用下，沉降量曲线呈反S 形，在路堤填筑期和预压期，路基沉降速率较快[7]。面层施工期间沉降速率逐渐变慢，竣工后，土体逐渐固结，沉降量缓慢的趋向稳定。

准确的沉降量变化规律可以制定施工方案提供重要参考，对后续高速公路的养护工作也有指导意义。基于反弯点置零的双曲线预测法，能满足工程中对于沉降量预测的需求。

双曲线预测法将反弯点设置为时间零点，一般是面层开始施工的时间点。由于本工程左右两侧对称，仍以K518+510 断面为例，选取右侧新建路基和原有路基进行沉降量预测。

将已求得的相关系数 1á～á4，用于计算工程所在地的沉降量数据，然后用双曲线进行拟合，得到新建路基和原有路基沉降量预测公式：

对新建路基和原有路基沉降量预测的曲线分别如图4 和下图5 所示。

图4 新建路基沉降量预测曲线

图5 原有路基沉降量预测曲线

由图4 可知，新建路基的预测曲线在0～200 d 的拟合曲线段，拟合相关系数达到0.96，数据吻合程度非常高。新建路基的最终沉降量为81.5 mm，竣工后10 年的沉降量为72.3 mm。由图5 可知，原有路基的预测曲线在0～200 d 的拟合曲线段，拟合相关系数为0.91，比新建路基的预测曲线拟合度略低，但仍然满足工程需求。原有路基的最终沉降量为20.3 mm，竣工后10年的沉降量为17.8 mm。整体而言，基于反弯点置零的双曲线预测法，数据可靠，可用于拓宽工程沉降量的预测，指导路基施工方案的编制。

4 结语

结合某高速公路拓宽项目，对CPTU 确定黏性土的压缩模量进行研究，得出以下结论：

（1）结合原有路基沉降量数据和CPTU原位测试数据，通过反演计算法，可准确计算出土体压缩模量；

（2）基于反弯点置零的双曲线预测法，可准确实现对原有路基和新建路基的沉降量预测。预测数据可用于指导路基施工方案的确定。