CPTU測試技術在高速公路擴建勘察中的應用

許波

（中設設計集團股份有限公司 210014）

1 前言

1.1 工程概況

京滬高速公路是國家高速公路網的主骨架公路，淮安至江都段穿越江蘇省蘇北、蘇中腹地，根據項目功能定位、路網布局以及交通量預測情況，本項目采用以“雙側拼寬為主，局部分離為輔”的總體擴建方案。

1.2 技術應用背景

項目穿過里下河地區，該區分布有軟土，其中在寶應段的寶射河、高郵的北澄子河、江都的鹽邵河等處軟土較為發育。

京滬高速運營近20年，原有路基土經過一定時間壓載后性質存在一定的變化，軟土路基拼接的關鍵是沉降和差異沉降的控制，原有路基范圍內的路基土以及擴建范圍內的原狀土的各種參數指標及沉降預測分析是路基拼寬設計及施工的關鍵，研究分析路基土經過一定時間壓載后的性質變化，從而成為本項目的關鍵性技術難題。

孔隙水壓力靜力觸探技術（CPTU）通過在常規靜力觸探（CPT）探頭上安裝孔壓傳感器元件，除可測錐尖阻力qc、側壁摩擦力fs外，還可測試地下水位以下各土層的孔隙水壓力u及超孔隙水壓力消散過程。根據測得的超孔隙水壓力消散曲線，可以推求土層的滲透系數Kh及固結系數Ch等重要的土的工程性質參數，對土層進行有效應力分析及計算，亦可對其滲透固結及沉降變形進行分析計算。

2 測試參數

2.1 土的原位狀態與應力歷史

2.1.1 土層重度（γ）

利用CPTU實測資料來估算土層重度，Larsson和Mulabdic（1991）通過對在瑞士、挪威和英國的試驗資料的分析，提出采用凈錐尖阻力（qt-σvo）和孔壓參數比Bq對土的密度或重度進行估計。

表1 CPTU測試資料土層重度估算表

2.1.2 超固結比（OCR）

土的超固結比OCR定義為歷史上土層受到的最大有效固結應力與當前有效應力之比。Lunne（1997）推薦采用CPTU測試參數直接估計黏性土OCR的方法：

式中：k的變化范圍在0.2～0.5之間，k取0.33；qt為修正錐尖阻力（見式 2）；σvo為總上覆壓力；σ′vo為有效垂直壓力：σ′vo=σvo-u0，u0為靜水壓力。

式中：qc為量測錐尖阻力，u2為位于圓錐和摩擦筒之間的孔壓測試值；a為有效面積比，范圍一般為0.55～0.9，本文取0.8。

表2 CPTU測試資料OCR估算表

2.1.3 側壓力系數（K0）

本文利用凈錐尖阻力來計算K0值。Kulhawy和Mayne（1990）建議采用下式來估算K0值。

表3 CPTU測試資料K0估算表

2.1.4 靈敏度（St）

土的靈敏度定義為不擾動土的不排水抗剪強度與完全重塑土的不排水抗剪強度的比值。Schmertmann（1978）建議用摩阻比Rf（%）來估算土的靈敏度：

式中：Ns為待定的常數。Schmertmann建議Ns取值15。Robertson和Campanella（1988）在比較從孔壓試驗和十字板試驗得出的靈敏度值后，提出Ns=6。Rad和Lunne提出Ns在5～10之間。本文取其平均值7.5。

表4 CPTU測試資料靈敏度St估算表

2.1.5 不排水抗剪強度（Su）

基于CPTU資料，采用經驗公式法，根據實測錐尖阻力估算Su：

式中：Nk為經驗圓錐系數，根據已有的研究成果，取值范圍為11～19，本文取16，見表5。

2.1.6 壓縮模量（Es）

土的變形特征參數包括固結指數（Cc、Cs、Cr）和彈性模量（E、G、K、B），還有蠕變參數。基于CPTU資料估計土的壓縮模量Es，可以表示成凈錐尖阻力qn的函數。對于超固結黏土，Senneset（1982，1989）建議采用如下線性模型：

表5 CPTU測試資料Su估算表

式中：αi為系數，對于大多數黏土，變化范圍為5～15。

本文采用Kulhawy和Mayne（1990）提出下面更加一般的關系式：

表6 CPTU測試資料壓縮模量Es估算表

2.2 土的滲流和固結特性

2.2.1 固結系數（Ch）

固結系數可以通過CPTU的孔壓消散試驗獲得。根據孔壓消散曲線的形狀分為單調、非單調消散曲線（或標準、非標準消散曲線），其計算方法有所不同：

（1）標準消散曲線的計算方法

TehandHoulsby（1991）提出下列公式：

式中：U為超孔壓消散度；ut為t時刻的孔壓量測值；ui為初始孔壓。

Torstensson（1995）提出下列公式：

式中：T50為理論解中的時間因子，t50為孔壓消散50%對應的時間；r0為探頭半徑。

（2）非標準消散曲線的計算方法

Chai（2004）基于數值分析結果，提出修正的t50公式如下：

對一個給定的t50m值，可用以下方程求解固結系數：

式中：cp為孔壓單位位置系數；對u2錐尖位置，cp為0.245。

表7 基于CPTU孔壓消散的固結系數ch測定結果

2.2.2 滲透系數（kh）

關于土的滲透系數，Baligh and Levadoux（1980）建議通過土的水平向固結系數評價土的水平滲透系數，即用下式估算：

式中：gw為水的重度；RR為超固結土的壓縮比，表示壓縮試驗中有效應力的每個1g循環的應變。

表8 基于CPTU孔壓消散的滲透系數kh測定結果

3 對比分析

場地揭露深度內高速公路上和高速公路下土層分類大致一致，厚度略有偏差。

（1）根據CPTU數據對比，總體來說，高速公路上舊路基對應土層錐尖阻力與高速公路下新路基土體相比較高，側壁摩阻力較高，孔壓較低。

（2）高速公路上舊路基對應土層OCR比高速公路下新路基土體OCR有較高的趨勢，說明舊路基先期固結壓力較大，因此在進行新老路基差異沉降變形計算時應考慮OCR的變化。

（3）由于實際路基土的應力場是處于K0狀態，在計算土體側向變形、土體側壓力時，可參考本次測試K0值來計算，舊路基K0比新路基整體更高。

（4）天然沉積狀態下的黏性土，由于地質歷史作用常具有一定的結構性。在外部因素影響下，土的結構遭受破壞，則土的強度降低，壓縮性增大。黏性土的結構性對強度的影響用靈敏度St來衡量，本次測試結果表明，淤泥質黏土靈敏度較高，土體結構容易破壞，必須對此類土體進行處理加固。

（5）土的不排水抗剪強度Su與土的破壞模式、土體的非均質性、應變速率和應力歷史等有較大關系。根據參數對比，舊路基不排水抗剪強度Su更大。

（6）土的變形參數一般用土的模量表示。總的來講，土的模量與應力歷史、應力和應變水平、排水條件和應力路徑方向等有關。根據參數對比，舊路基壓縮模量Es比新路基大。

（7）土體孔壓消散主要為水平向。由本次測試參數可知，老路基由于孔壓消散較慢，則固結系數相對較大，滲透系數也較大，說明老路基固結程度較高。

4 小結

（1）文中所采用的現代多功能CPTU測試技術是對傳統勘察方法的補充，經過本次勘察的實際應用，為路基拼寬設計提供了合理的地質依據，取得了較好的效果。

（2）本文所作的測試工作主要是在里下河地區進行，在類似工程地質條件區及類似改擴建項目中可以借鑒使用。