基于孔压静力触探试验的黏性土压缩模量预测

张菊锋，宋益明，薛世恩

(核工业湖州勘测规划设计研究院股份有限公司,浙江 湖州 313000)

由于孔压静力触探试验(CPTU)兼具勘察和测试功能，能够便捷、高效且保持天然状态下对土体进行测试，避免了室内试验中取样尺寸小、扰动大、应力释放导致测试成果偏差、不能反映地层宏观结构和局部土体的非均质性等缺点，测试参数能够反映土体的强度和固结特性，因此，应用静力触探试验测试灵敏度高、结构性强的软黏土和取样困难、受扰动易松散的砂类土而言具有明显优势[1-3]。

李鹏等[4]针对天津地区的软土地层，运用深层双桥静力触探方法进行测试，测试结果与室内固结试验中的压缩模量建立经验公式，研究不同压力段的土体压缩模量预测方法；吴振华[5]依托江苏省某公路黏性土试验工点，运用双桥静力触探试验获得锥尖阻力，并与压缩模量建立相关关系，结果运用于地基沉降量的预测；李君韬[6]依托北京市某大型岩土工程勘察项目，综合运用旁压试验方法和静力触探试验方法，计算土体的地基承载力和压缩模量。

综合现有文献可知，黏性土压缩模量的预测经验公式与土体的区域性具有较强的性关系，而且现有的研究方法多基于双桥静力触探手段，对孔压静力触探试验的研究较少，因此，本文基于孔压静力触探试验对杭州地区软土的压缩模量进行研究，提出该适用于该区域的经验公式，以期可为相关研究提供参考。

1 工程背景

杭政储出(2018)62号地块商务兼容商业用房项目位于杭州地铁1号线、5号线的交汇换乘站西北角，工程用地面积为21 441 m2，总建筑面积为182 017 m2，其中地上建筑面积为128 807 m2，地下建筑面积为53 210 m2。该工程地面以上由两个主楼、两个裙楼组成，1号主楼29层(局部27层)，建筑高度为94.3 m；2、3号裙楼7层，建筑高度为23.60 m；4号主楼30层，建筑高度为97.5 m，1号、4号主楼为装配式钢筋混凝土框架剪力墙结构(部分楼板、次梁预制，楼梯预制)，2、3号群楼为框架结构。项目总平面布置如图1所示，其北侧为规划道路，南侧为城市绿化带，西侧为空置建筑物，东侧为东新路及其高架，地铁1号线运行区间位于南北两侧深基坑之间。

图1 场区总平面布置 m

项目基坑在地铁1号线明挖区间南北两侧开挖，南北基坑开挖深度约为15 m，地铁明挖区间隧道底板埋深约为21 m。项目基坑为一级基坑工程，为有效控制营运地铁明挖隧道水平变形及隆起，需基坑采用分区开挖的形式，共分为6块区域开挖，其中北侧基坑分位3区(自西向东分别为N1、N3、N2区)，南侧基坑也分为3区(自西向东分别为S1、S3、S2区)，本项目30层高的主塔楼在N1、N2区，7层高的裙楼在S区，N1、N2区工程桩的密度远大于其他区域。

2 场区岩土工程地质特性

场地典型土层分布如图2所示，从典型土层分布图可以看出，土层自上而下：①1杂填土、②2砂质粉土、④1淤泥质黏土、④2淤泥质粉质黏土、⑥1淤泥质粉质黏土、⑦黏土和⑧1灰色黏土。④1淤泥质黏土呈灰色，饱和，流塑，含有机质，⑦层黏土呈灰～灰黄色，饱和，可塑，局部呈软塑，⑧1层灰色黏土呈灰色，饱和，流塑～软塑状态，场地地下水位在地面下1.7 m位置。

图2 场区典型的地质土层剖面 m

从图2还可以看出,项目3层地下室的基坑开挖深度约15.3 m,而淤泥质土的厚度接近20 m,在基坑开挖深度范围内主要分布淤泥质土,坑底以下还是淤泥质土,两侧基坑临近明挖地铁隧道,地铁隧道对变形的要求很严格,基坑支护难度较大[4]。由此确定场区黏性土的变形模量、压缩模量等变形参数是基坑设计的重要前提。对场区岩土体的物理力学性质指标进行室内试验,得到结果如表1所示。

表1 土层物理力学性质

由表1可以看出，上部两层淤泥质土(淤泥质黏土④1、淤泥质粉质黏土④2)的压缩模量分别为2.0、2.5 MPa，孔隙比均大于1.0，均属高压缩性土。

3 黏性土压缩模量的试验方法

3.1 黏性土压缩模量的室内试验方法

标准固结试验是为了测得各黏性土层的压缩模量，试验仪器采用南京土壤仪器厂生产的WG型单杠杆固结仪[5]。在现场钻探时，选取取样孔进行试验用土样采集，取样方法为固定活塞式薄壁取土器取样，取样间隔为1.0 m。固结试验主要步骤是将试样浸水真空饱和24 h后，将切好的土样安装入固结仪中进行固结试验[6]。对试样施加不同等级的轴向荷载，分别为50、100、200、400、600 kPa共5级，每级荷载加载时间为24 h，之后再进行下一级的加载。加载时注意砝码轻拿轻放，避免引起冲击和摇晃[7]。

以淤泥质粉质黏土④2、淤泥质粉质黏土⑥1为例，对这两层土分别选取3个土样样本进行标准固结试验，获得试样标准固结试验中轴向荷载和试样轴向应变、孔隙比的关系曲线如图3、4所示。

试样：1—1；2—2；3—3。

从图3的荷载-应变关系曲线可知，将所得的固结试验荷载与应变关系曲线拟合成函数关系表达式，可得到试样1～3的荷载与轴向应变的曲线拟合判定系数R2分别为0.999 2、0.999 8和0.995 8，拟合关系式为三次函数关系，如公式(1)～(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：pa、pb、pc分别表示试件1、2、3的轴向荷载，kPa；εa、εb、εc分别为试件1、2、3的轴向应变，%。

从图4的孔隙比-荷载关系曲线可知,试样1～试样3在荷载p1=100 kPa至p2=200 kPa区间加载时,所对应的压缩模量Es1-2分别为2.93、2.69、3.06 MPa，而试样1～3荷载间隔p2=200 kPa至p4=400 kPa时所对应的压缩模量Es1-4为分别为4.96、4.55、5.28 MPa。

试样：1—1；2—2；3—3。

对于淤泥质粉质黏土⑥1试样，标准固结试验中试样轴向荷载、轴向应变和孔隙比的关系曲线如图5、6所示。

试样：1—4；2—5；3—6。

试样：1—4；2—5；3—6。

从图5的荷载-应变关系曲线可知，将所得的固结试验荷载与应变关系曲线拟合成函数关系表达式，可得到试样1～3的荷载与轴向应变的曲线拟合判定系数R2分别为0.999 3、0.999 8和0.999 9，拟合关系式为三次函数关系，如公式(4)～(6)所示。

(4)

(5)

(6)

从图4中孔隙比-荷载关系曲线可知,试样4～试样6在荷载p1=100 kPa至p2=200 kPa区间加载时，所对应的压缩模量Es1-2分别为3.17、3.05、3.68 MPa，而试样1～3在荷载p2=200 kPa至p4=400 kPa区间加载时，所对应的压缩模量Es1-4为分别为4.48、4.49、5.01 MPa。

3.2 黏性土压缩模量的孔压静力触探试验方法

选用某公司生产的多功能数字式孔压静力触探设备进行试验，试验的探头锥尖角度为60°，锥底截面积为10 cm2，摩擦套筒的表面积为150 cm2，有效面积比为0.8，孔隙水压力滤件安装在锥肩位置，设备采集系统可以自动采集锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力。图7为场区3个典型的孔压静力触探试验孔JC1～JC3的测试参数剖面。

(a)锥尖阻力；(b)侧摩阻力(c)摩阻比；(b)超孔隙水压力 1—JC1孔；2—JC2孔；3—JC3孔；4—静水压力。

基于孔压静力触探试验的土体压缩模量经验公式中，SANGLERAT[8](1972年)、JONES和RUST(1980年)、SENNESET[9-10](1989年)、KULHAWA和MAYNE[11-12](1990年)提出的经验预测方法应用较为广泛，所使用的孔压静力触探参数包括锥尖阻力qc、修正锥尖阻力qt、净锥尖阻力qn，具体的计算公式及适用条件如果表2所示。

表2 基于孔压静力触探试验的土体压缩模量经验公式

4 黏性土压缩模量的测试结果分析

运用孔压静力触探试验得到锥尖阻力qc，由表2中经验公式计算得到的压缩模量ES-CPTU。以室内试验获取的压缩模量ES-LAB为参考，将ES-CPTU与ES-LAB进行拟合，结果如图8～11所示。图中最佳拟合线表示孔压静力触探试验压缩模量与室内试验压缩模量完全一致，为理想预测状态。拟合关系采用综合比较了线性拟合关系与非线性拟合关系，而非线性拟合关系得到的判定系数R2非常小，而线性拟合关系得到的判定系数R2则较高，因此采用线性拟合关系得到孔压静力触探试验压缩模量与室内试验压缩模量的相关关系。图8～11中不仅给出了拟合关系的判定系数R2，也给出了最佳拟合线，如果拟合关系线在最佳拟合线逆时针方向，表明该方法高估了压缩模量，偏离越远，高估量越大，如果拟合关系线在最佳拟合线顺时针方向，表明该方法低估了压缩模量，偏离越远，低估量越大。基于SANGLERAT(1972年)提出的经验公式计算得到的压缩模量Es-CPTU与室内试验压缩模量Es-LAB的拟合关系如公式(7)所示，判定系数为0.994，同样地，基于SENNESET(1989年)、KULHAWA和MAYNE(1990年)、JONES和RUST(1980年)提出的经验公式计算得到的压缩模量Es-CPTU与室内试验压缩模量Es-LAB的拟合关系如公式(8)～(10)所示，判定系数分别为0.938 8、0.993 7、0.904 9。

1—淤泥质黏土④1；2—淤泥质粉质黏土④2；3—淤泥质粉质黏⑥1；4—黏土⑦；5—黏土⑧1；6—粉质黏土⑨1。

1—淤泥质黏土④1；2—淤泥质粉质黏土④2；3—淤泥质粉质黏⑥1；4—黏土⑦；5—黏土⑧1；6—粉质黏土⑨1。

1—淤泥质黏土④1；2—淤泥质粉质黏土④2；3—淤泥质粉质黏⑥1；4—黏土⑦；5—黏土⑧1；6—粉质黏土⑨1。

Es-CPTU=1.343 9Es-LAB

(7)

Es-CPTU=0.948 9Es-LAB

(8)

Es-CPTU=2.294 0Es-LAB

(9)

Es-CPTU=0.782 6Es-LAB

(10)

式中：Es-CPTU为孔压静力触探试验测试获得的土体压缩模量，MPa；Es-LAB为室内压缩试验获得的土体压缩模量，MPa。

由此可知,SANGLERAT(1972年)、KULHAWA和MAYNE(1990年)提出的经验预测方法明显高估了土体的压缩模量，KULHAWA和MAYNE(1990年)预测得到的压缩模量是室内试验得到压缩模量的2倍(使用的孔压静力触探参数为净锥尖阻力qn)，而JONES和RUST(1980年)提出的经验预测方法则明显低估了土体的压缩模量(使用的孔压静力触探参数为锥尖阻力qt)，SENNESET(1989年)提出的经验预测方法可以较好地预测的土体的压缩模量(使用的孔压静力触探参数为修正锥尖阻力qt)，拟合直线关系的斜率为0.948 9，拟合判定系数也较高，达到了0.938 8。表明采用修正锥尖阻力qt可以得到更为精确的压缩模量。

为了很好地评价基于SENNESET(1989年)预测方法的适用性，也为了使得该方法在杭州地区的软土中具有实用性。本文基于实测的孔压静力触探试验锥尖阻力qc，计算得到修正锥尖阻力qt，以SENNESET(1989年)经验公式的形式，拟合修正锥尖阻力qt与ES-LAB进行拟合，以修正SENNESET(1989年)经验公式的系数，进而得出适用于杭州地区软土的预测经验公式，结果如图12所示。

1—淤泥质黏土④1；2—淤泥质粉质黏土④2；3—淤泥质粉质黏⑥1；4—黏土⑦；5—黏土⑧1；6—粉质黏土⑨1。

从图12中可以看出，修正锥尖阻力与室内试验压缩模量具有良好的线性关系，决定系数为0.979 1，两者的关系式如公式(11)所示。基于公式(11)得到的压缩模量对杭政储出(2018)62号地块商务兼容商业用房项目的基坑变形进行计算，计算结果与室内试验测试的压缩模量对本项目的基坑变形计算结果进行对比，结果表明，两者的误差小于5%，验证了公式(11)的有效性和可靠性。

Es-CPTU=3.315 8qt

(11)

式中：qt为孔压静力触探修正锥尖阻力，MPa。

5 结 论

(1)室内试验标准固结试验可以依据荷载-应变关系、孔隙比-荷载关系得到土体的参考切线模量、压缩模量等变形参数，而孔压静力触探则可以提供土体原位状态下的锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力等参数，既有的经验公式表明建立两者的相互关系具有可行性。

(2)SANGLERAT(1972年)、KULHAWA和MAYNE(1990年)提出的经验预测方法明显高估了土体的压缩模量，JONES和RUST(1980年)提出的经验预测方法则明显低估了土体的压缩模量，SENNESET(1989年)提出的经验预测方法可以较好地预测的土体的压缩模量，修正锥尖阻力qt可以得到更为精确的压缩模量。

(3)基于实测的孔压静力触探试验锥尖阻力qc，计算得到修正锥尖阻力qt，以SENNESET(1989年)经验公式的形式，拟合修正锥尖阻力qt与ES-LAB进行拟合，以修正SENNESET(1989年)经验公式的系数，进而得出适用于杭州地区软土的预测经验公式。