孔壓靜探試驗技術應用探討

□胡 浩（信陽市水土保持監督監測站）

1.引言

孔壓靜探測試（CPTU）是在測定錐尖阻力qc和側壁摩阻力f s的同時，能測量探頭貫入時土層中的孔隙水壓力u，測量超孔隙水壓力△u隨時間消散的過程。既可以用超孔壓的靈敏性來對土體進行準確分層，還能通過超孔壓估算土層的不排水抗剪強度、固結系數和滲透系數等。

2.測試概況

超孔壓消散試驗采用的探頭截面積為15cm2的三橋電測探頭，可同時測量端阻、側摩阻以及由于觸探引起的孔壓和探頭傾斜。在探頭肩部裝備了水壓測量計，測量由于觸探引起的孔壓，采用真空抽氣飽和法對孔壓測量計進行飽和。探頭的豎向角度偏差由探頭內的測斜儀測量。

在孔壓靜探試驗中，達到預定深度停止貫入，以測量由于觸探在土層中產生的超孔隙水壓力的消散過程。消散60%以上，視為消散結束。以下是采用的參數和定義：

Ui：初始孔隙水壓力，指在孔壓消散試驗剛開始時的孔隙水壓力M Pa。

Up：最高孔隙水壓力，一般在孔壓消散試驗開始后幾分鐘內出現M Pa。

Uf：最終孔隙水壓力，指在孔壓消散試驗完成時的孔隙水壓力M Pa。

Uo：靜水壓力 M Pa。

Di ssi pat i on：超孔隙水壓力在試驗結束時的消散比例%，這里：

或者，當Ui=Up時，則按下式估算：

而任意t時刻的孔壓消散比例，則為：

這里，Ut是任意t時刻的孔隙水壓力。

通過對具體土層進行孔壓消散試驗可知：淤泥土由于滲透系數比較小，所需的消散時間較長，消散比例為50%對應的消散時間超過2000s；粉質粘土與淤泥土相比，純粘土的滲透系數比較小，所需的消散時間也較長，消散比例為50%對應的消散時間小于300s；砂土由于砂層提供了良好的透水通道，所需消散時間較少，消散比例為50%對應的消散時間僅為13s，完全消散（消散比例100%）的時間也不到300s。

3.試驗分析

在本次孔壓靜探試驗中發現，探頭的結構、操作方法、土層條件等都可能影響超孔壓消散試驗結果。這也與他人研究結果吻合。下面從探頭的結構、水壓測量計的飽和、貫入速率、土層特性等方面對試驗結果的影響進行分析總結。

3.1 探頭結構

探頭的結構中最為關鍵的是水壓測量計的位置，直接影響超孔壓消散試驗結果。不同位置的水壓測量計測出的孔隙水壓力有很大的不同，在錐尖處最大，在錐肩處最小，錐面介于兩者之間。

3.2 水壓測量計的飽和

水壓測量計的飽和在測量孔隙水壓中極為關鍵，尤其是滲透性差的粘性土，影響更大。在實際測試中發現，沒有充分飽和的水壓測量計，測量結果一般偏低，這是因為有部分孔隙水壓力被水壓測量計中的壓縮空氣吸收。在時間上也存在一定的滯后性，不飽和程度越高，滯后性越大。

3.3 貫入速率

貫入速率對孔壓測量結果的影響，與土層本身的滲透性密切相關。與端阻、側摩阻相比，孔壓測量受貫入速率的影響更為敏感。不同的貫入速率，對土層來講，就相當于不同的排水條件。在不同的土層中，貫入速率在粉質土中影響則為最重。這是因為在粉質土的貫入過程中，貫入速率的改變，對改變其排水狀態影響較大。

3.4 土層特性

孔壓消散試驗結果表明，在不同的土層中，消散曲線有明顯的不同。這與土層本身的排水特性密切相關。一般是滲透性大的土層超孔壓消散快，滲透性小的土層超孔壓消散慢。通過本次測試，可以得出以下幾點：

3.4.1 砂土

對于砂土等粗粒土，其滲透系數較大（k≥1×10-4cm/s），相當于排水狀態。超孔壓消散曲線表明，其超孔壓消散很快，對應于消散水平為50%的消散時間t50一般不超過100s。

3.4.2 粘性土

對于粘土等細粒土，其滲透系數較小（k≤1×10-7cm/s），相當于不排水狀態。超孔壓消散曲線表明，其超孔壓消散很慢，對應于消散水平為50%的消散時間t50一般在1000s以上，而且飽和度越高。

3.4.3 粉質土

對于粉質土，其滲透系數介于砂土和粘性土之間，相當于部分排水狀態。超孔壓消散曲線表明，其超孔壓消散介于砂土和粘土之間，對應于消散水平為50%的消散時間t50一般在500s左右。

4.超孔壓消散試驗結果的應用

由于孔壓靜探試驗可以連續測試，能夠區分出大于20m m的細薄軟弱夾層，可以更好地消除工程安全隱患。孔壓靜探試驗測量的超孔壓及其消散過程，可以用來估算土層的固結系數、抗剪強度等指標。

4.1 不同消散程度下的固結系數比較

根據超孔壓的消散過程可以求得土層固結系數，與室內試驗相比，方便快捷，而且準確性高。本次測試用Torst ensson固結系數估算公式，如下所示

式中：Ch為固結系數；

R為探頭錐肩半徑（cm）；

t為一定固結程度下的消散時間，一般可取t50；

T相應于一定固結度的時間因數（通常取50%固結度）。

公式（4）為一定消散程度下的固結系數。對同一土層，測定不同消散程度的固結系數，研究消散程度對固結系數的影響。

通過實驗并運用上式計算表明：不同消散程度下的固結系數變化不大，其平均值比較接近消散程度為50%時，即t50的值。

4.2 不同方法測定的固結系數比較

在實際應用中，通常以現場沉降反算的固結系數為準。

通過對超孔壓的消散試驗、室內試驗、現場沉降反算三種方法結果的比較，結果表明：孔壓靜探試驗求得的固結系數與室內試驗測定的結果相比，兩者相差較大，室內試驗結果小，孔壓靜探結果大；通過現場沉降反算的固結系數與通過孔壓靜探求得的固結系數比較接近，偏差范圍為0.04-0.17之間，而與室內試驗結果相差較大，偏差均＞0.90。

4.3 不排水抗剪強度

不排水抗剪強度是土層重要的力學性質指標，目前多由現場十字板剪切試驗直接測出。根據孔壓靜探的錐尖阻力和超孔壓可以求出不排水抗剪強度，其關系式為

式中：Cu為不排水抗剪強度kPa；

qc為錐尖阻力kPa；

△u為超孔隙水壓力kPa；

k、c為常數，可以通過試驗數據的回歸分析求得。

通過對孔壓靜探估算和現場十字板剪切試驗實測兩種方法求得的不排水抗剪強度結果進行比較，結果表明，通過孔壓靜探估算的不排水抗剪強度值與現場十字板剪切試驗實測的不排水抗剪強度值較為一致，偏差范圍在0.03~0.25之間。

5.結語

孔壓靜探測試超孔壓消散試驗中，探頭的結構直接影響結果修正，水壓測量計的飽和、貫入速率是保證測量結果的關鍵，測試過程應特別重視。通過與其它測試試驗結果的分析對比，發現用孔壓靜探資料對土層一些物理力學參數進行估算是可行的，加上該技術能較大地縮短勘察周期，且試驗性能穩定，值得在水利工程勘察及設計中推廣應用。

[1]林宗元.巖土工程試驗監測手冊[M].第一版.遼寧：遼寧科學出版社，1994.357.

[2]蔡國軍，劉松玉，童立元，杜廣印.孔壓靜力觸探（CPTU）測試成果影響因素及原始數據修正方法探討.工程地質學報[J]，2006/14（05）-0632-05.