孔压静力触探测定土体抗剪强度的应用

许慧娥XU Hui-e

（泉州水务工程建设集团有限公司工程勘察分公司，泉州 362000）

0 引言

近年来，黏性土地基的工程应用日益广泛，因此对黏性土的力学特性和抗剪强度的准确确定具有重要意义[1]。在土壤力学研究中，CPTU 技术成为一种常用的测试方法，它通过测量推进器在地下推进过程中产生的阻力、摩阻和孔隙水压力等参数，可为黏性土不排水抗剪强度的确定提供重要数据[2]。然而，传统黏性土的不排水抗剪强度测试方法存在一些不足，如需大量土样和长时间的试验周期[3]。与室内试验和传统的静力触探相比，CPTU 测试是一种在地下进行的实时测试方法，能够连续地获取地层的力学参数[4]。相比于室内试验，CPTU 技术通过推进锥形推进器进入土中，并同时测量推进阻力、侧摩阻力和孔隙水压力等参数的变化，能够提供直接、连续、实时的土层力学参数[5]。其次，CPTU 测试能够以较快的速度完成，并且不需要大量的土样或繁琐的试验过程。相比于室内试验，其测试过程相对简单，能够节省时间和成本。最后，CPTU 测试是在现场进行的，可以直接获取地下的土壤信息。与传统的静力触探相比，CPTU 测试更能够准确地捕捉到不同深度和位置的地层特性，避免了可能由于土样获取和搬运等过程带来的扰动[6]。

本文以某项目工程为研究背景，通过分析CPTU 测试获取的相关数据并结合十字板剪切试验明确孔压圆锥系数与孔压参数比两者之间的联系，并在此基础上建立CPTU 参数与黏性土不排水抗剪强度的关系，以进一步推动基于CPTU 的土壤力学研究和工程实践的发展。

1 工程概况

该场地位于泉州市城东镇，拟建场地采用预压法对淤泥层进行地基处理。根据委托要求，在拟建物场地布置8个检验点（处理后的地基有5 点，编号：1#～4#、8#；未处理的地基3 点，编号：5#～7#），均采用现场十字板剪切试验进行检验，对处理前后的地基强度进行分析比较。通过当地的地勘报告可知，该地地质共包含六种，从上至下分别为：黏土、淤泥、粘土夹粉砂、淤泥夹粉砂、淤泥夹粉细砂，其重度分别为18.55kN/m3、17.53kN/m3、18.44kN/m3、17.59kN/m3、17.66kN/m3；含水量分别为31.2%、38.3%、32.4%、37.2%、35.6%；孔隙比分别为0.89、1.11、0.912、1.08、1.03；粘聚力分别为19.4kPa、11.8kPa、11.9kPa、11.7kPa、11.4kPa；内摩擦角分别为11.5°、8.8°、8.6°、10.4°、10.5°；地下水位标高为0.8～3.3m。

2 试验研究

2.1 试验设备

本文采用CPTU 测试系统对该场地一共钻5 个孔位，所选用的钻头锥角是60°，截面积12cm2，侧壁面积为150cm2。本测试系统的钻头内置土体电阻率感应装置，可获取土体电阻率的变化情况。所获得的数据通过Enhanced Field Computer System 4.0 计算机系统进行收集并运用相应的数据处理软件获取绘制推进曲线。

2.2 试验原理

CPTU（Cone Penetration Testing with pore pressure measurement）技术是一种用于土壤和岩石的地质勘探和土力学性质测试的方法。CPTU 测试通过将一个尖锥推入地下，并测量推进过程中产生的阻力、摩阻和孔隙水压力等参数，来获取地层的相关性质信息。它的测试原理如下：

CPTU 测试使用一套设备，包括一个带有测量传感器的锥形推进器、一个测量系统和一个数据采集装置。首先，锥形推进器通过液压机械或电动机械将推进器的尖端以恒定速度推入地下。其次，在推进过程中，测量系统记录和测量多个参数，以评估地层的特性。这些参数包括：锥形推进器的推进阻力、侧摩阻力、孔隙水压力、推进速度，以及锥形推进器的位置和深度。最后，收集到的数据通过数据采集装置传输到数据分析软件中进行处理得到推进曲线（CPTU 图）和计算相关参数，通过推进曲线显示的地下不同深度处的阻力、摩阻、孔隙水压力和推进速度的变化，推断地层的性质和土力学特性，如土壤类型、密度、强度、压缩特性、渗透性等。

依据工程经验和相关理论公式，利用孔隙水压力计算不排水抗剪强度的公式如下：

Su为抗剪强度，单位kPa；NΔu（孔压圆锥系数）由空压系数决定，并且大小在2～20 之间；u 为孔隙水压，单位kPa。

3 结果与讨论

3.1 典型测试曲线

图1 显示了由CPTU 测试得到的锥尖阻力、孔隙水压力、电阻率和侧壁摩阻力随深度变化的曲线。由图可知，当钻探深度小于25m 时，钻头处的锥尖阻力随深度缓慢增加，但整体增加的幅度较小，当钻探深度超过25m 后，锥尖阻力迅速增大。这是由于在地下深度较浅的地方，通常会受到较为松散的土层、表层土壤和有机质含量较高的层的影响。这些松散的土层或含有大量有机质的层相对较软，因此给钻头施加的阻力相对较小。此时，锥尖阻力主要受到侧摩阻力的影响，该阻力与土体的剪切强度、密实度等相关因素有关。当钻探深度超过25m 后，该深度处的土层为粉质粘土，土的固结程度和密实度增加，土质变得更加坚硬和坚固土壤颗粒间的摩擦和土体内部的黏聚力增加，从而增加了与钻头接触的土质对钻头的阻力。随着深度的增加，孔隙水压逐渐增大，在超过25m 后迅速减小。下降的原因是钻头进入了粉砂层。随着钻探深度的增加电阻率逐渐减小。这是由于，随着深度的增加，地下土壤或地层中的孔隙水含量相应增加。水是良好的导电介质，当土壤或地层中的含水量增加时，孔隙中的水分子会在电流通过时促进电导，从而降低整体的电阻率。其次，在较浅的土层中，土壤颗粒之间的接触可能相对较好，土壤中颗粒间的电导路径较多。然而，随着深度的增加，土层可能变得更加致密，土壤颗粒之间的接触减少，从而限制了电流的路径，并导致电阻率的降低。最后，随着深度的增加，土层中的矿物质含量可能会发生变化，从而影响土壤的电导特性。某些矿物质具有电导性能，当它们的含量增加时，土壤的电阻率可能会降低。侧摩阻力的曲线变化规律与锥尖阻力基本一致，发生突变的原因在于钻头进入粉质黏土层增加了接触面的摩擦力。

图1 典型CPTU 测试结果

3.2 超静水压对不排水抗剪强度的影响

图2 显示了土体超静水压对不排水抗剪强度的影响。由图可知，剪切试验得到黏土的抗剪强度最小值为16.5kPa；淤泥的最大值为79kPa。随着超静水压的差值增加，土体的抗剪强度逐渐增大，但剪切试验得到的强度数值相对较小。不排水抗剪强度是指土体在快速加载或在排水条件下未被充分排水的情况下的抗剪能力，而超静孔压是指在排水条件下施加正应力时，土体内部的孔隙水压力快速增加的现象。在不排水条件下，土体的抗剪能力主要由土体内部的有效应力和超静孔压共同决定。超静孔压会引起土体内部的应力状态变化，使土体的有效应力下降，从而降低了土体的抗剪强度。因此，超静孔压与土体的不排水抗剪强度之间呈负相关关系。因此超静水压的差值越大，土体的抗剪强度越大。利用公式（1）带入相应的数值进行反算求解得到孔压圆锥系数为8.62 时的直线如图2 所示，此时与十字板试验得到的数值拟合高达0.88，两者具有较高的吻合度，因此选择孔压圆锥系数为8.62 是合理可靠的。

3.3 孔压圆锥系数与参数比关系

孔压圆锥系数是指孔压随深度变化的比例关系，而孔压参数比是指在一定深度范围内孔压的相对变化，两者之间存在一定的关系。具体来说，孔压圆锥系数是由孔压参数比与深度参数比的比值确定；其中孔压参数比是等于（孔压2 与孔压1 的差值）/孔压1，深度参数比是等于（深度2 与深度1 的差值）/深度1。因此，孔压圆锥系数可以用孔压参数比与深度参数比之间的比值表示。孔压圆锥系数的值可以反映孔压的变化趋势和分布特征。当孔压的相对变化较小，并且深度的相对变化也较小时，孔压圆锥系数可能接近于1，表示孔压的变化与深度的变化趋势基本一致。反之，当孔压的相对变化较大，并且深度的相对变化也较大时，孔压圆锥系数可能小于1，表示孔压的变化比深度的变化更剧烈。图3 显示了孔压参数比与NΔu的关系。由图可知，孔压参数比与NΔu呈正相关，公式与实测值的拟合度高达0.92，因此是可靠的。

3.4 两种测试方法对比

图4 显示了采用两种测试方法得到的结果。由图可知，两种方法测试得到的误差均在30%以内，且在现场采用CPTU 方法测试得到的强度值一般大于室内模型值。这是由于，室内试验通常是使用小型试样进行，而CPTU 测试是在现场进行的，覆盖了更大的土体体积。由于土体是一个复杂的多孔介质，它的性质在不同尺度和体积上会存在变化。因此，现场测试可能更好地反映了实际工程中的土体强度。其次，现场测试在土体自然条件下进行，考虑了实际的地下水位、孔隙压力和温度等因素的影响。这些外界环境条件对土体强度和应力状态有重要影响。室内模型试验往往没有考虑这些环境因素，因此得到的强度值可能较小。接着，现场土体和室内试验的土样可能存在某些差异，包括土体类型、应力历史和脆化程度等。这些差异可能导致现场土体的强度值与室内模型的强度值不一致。最后，室内试验和CPTU 测试方法在试验设备、测量技术和操作过程上存在差异。这些差异可能导致测试结果的不同，从而影响强度值的测定。因此采用CPTU 测试方法得到的试验数据更精确更可靠。

图4 不排水抗剪强度对比图

综上可见，孔压静力触探试验作为一种新发展起来的试验，它将量测孔隙水压力的传感元件与标准的静力触探组合在一起，使能在测定贯入阻力的同时量测孔隙水压力；当停止贯入时，还可以测定超孔隙水压力的消散。由于贯入时产生的超孔隙水压力是土类、强度变形特性、以及排水性能的函数，利用孔压静力触探可以大大提高判别土类和划分土层的能力，并能分析土的渗透性和固结特性，以及获得土层相关参数。为后续工程基坑支护设计以及基础设计提供依据。

4 结论

本文以于泉州市城东镇某工程项目为研究背景，通过分析CPTU 测试获取的相关数据并结合十字板剪切试验明确孔压圆锥系数与孔压参数比两者之间的联系，并在此基础上建立CPTU 参数与黏性土不排水抗剪强度的关系。主要结论如下：

①当钻探深度小于25m 时，钻头处的锥尖阻力随深度缓慢增加，但整体增加的幅度较小，当钻探深度超过25m 后，锥尖阻力迅速增大，孔隙水压与深度正相关逐渐增大，并在深度超过25m 后迅速减小。

②随着钻探深度的增加电阻率逐渐减小。侧摩阻力的曲线变化规律与锥尖阻力基本一致。

③随着超静水压的差值增加，土体的抗剪强度逐渐增大，但剪切试验得到的强度数值相对较小，通过公式反算求解得到孔压圆锥系数为8.62，与十字板试验得到的数值拟合高达0.88，两者具有较高的吻合度。

④本文研究内容可以为项目基坑设计和基础设计提供参数依据，使得项目整体设计更为合理经济。