基于孔壓靜力觸探的土層分類研究

摘 要：孔壓靜力觸探技術(shù)對土體的擾動較小，因此廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)勘察。本文以某工程場地為研究對象，采用孔壓靜力觸探對地質(zhì)情況及其土層分布規(guī)律進(jìn)行勘測，得出以下結(jié)論：通過孔隙水壓力、錐尖阻力和孔壓比3種土層分類指標(biāo)可直觀判斷土層的分布規(guī)律，通過其曲線變化趨勢可分析不同地層間的差異。地塊1的3種土體分類指標(biāo)較大，說明土體以黏土為主，地塊2的3種土體分類指標(biāo)較小，說明土體以砂土為主。地塊3的土體分類指標(biāo)曲線變化趨勢存在明顯的突變點(diǎn)，當(dāng)深度小于18m時，錐尖阻力曲線變化趨勢波動性較大，而孔隙水壓力與孔壓比曲線變化趨勢較為平緩，當(dāng)深度超過18m時，錐尖阻力曲線的變化趨勢較為平緩，而孔隙水壓力與孔壓比曲線的波動性較大，說明該地塊在18m處存在土層界面。

關(guān)鍵詞：孔壓靜力觸探；土層分類；土層分類指標(biāo)

中圖分類號：TU 413" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

孔壓靜力觸探是對靜力觸探測試技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)得出的一種土層分類技術(shù)，該技術(shù)對土體的擾動較小，因此廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)勘察。目前，許多專家學(xué)者采用這項(xiàng)技術(shù)對工程地質(zhì)進(jìn)行勘察工作。

汪曄歡等[1]基于CPTU貫入原理，對淺地層土體的剪切變形特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明，該技術(shù)可準(zhǔn)確識別淺地層土體的地質(zhì)特性和變形特性，可行性較高。杜宇等[2]基于孔壓靜力觸探測試技術(shù)，建立其測試參數(shù)，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)及原位試驗(yàn)，分析該方法的應(yīng)用效果，結(jié)果表明，該方法在獲取土層的上覆應(yīng)力方面仍存在一定的不確定性。林軍等[3]以江蘇地區(qū)土層為研究對象，進(jìn)行孔壓靜力觸探試驗(yàn)，對其土層進(jìn)行分類，并將其試驗(yàn)結(jié)果與SBT分類方法得出的結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明，該地區(qū)的土層以軟土為主。邱敏等[4]基于層次聚類算法，并結(jié)合孔壓靜力觸探技術(shù)，對某地區(qū)土層進(jìn)行分類劃分，結(jié)果表明采用錐尖阻力、孔隙水壓力作為劃分參數(shù)對地層進(jìn)行劃分準(zhǔn)確性較高。苗永紅等[5]基于模糊隸屬度理論，進(jìn)行CPTU測試，對復(fù)雜土層界面的土體進(jìn)行分類，結(jié)果表明，該技術(shù)可準(zhǔn)確判斷土層過渡層的具體位置。

本研究以某工程場地為研究對象，采用車載孔壓靜力觸探測試系統(tǒng)對其地質(zhì)情況及其土層分布規(guī)律進(jìn)行勘測。

1 工程概況

本研究以某工程場地為研究對象，采用美國Vertek-Hogentogler公司車載孔壓靜力觸探測試系統(tǒng)對地質(zhì)情況及其土層分布規(guī)律進(jìn)行勘測，該試驗(yàn)場地的土體相關(guān)力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

2 孔壓靜力觸探基本原理及相關(guān)試驗(yàn)指標(biāo)

孔壓靜力觸探（CPTU）是基于靜力觸探測試技術(shù)（CPT），對其進(jìn)行改進(jìn)和發(fā)展得出的一種土層原位測試技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)通過探頭錐尖處得出的土層試驗(yàn)指標(biāo)，對試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行換算，根據(jù)試驗(yàn)指標(biāo)換算結(jié)果，對土層進(jìn)行分類[6]。CPTU技術(shù)的探頭主要包括探頭、過濾器、壓力傳感器、椎體傳感器、摩擦套管和側(cè)斜儀等原件，其探頭具有多功能、多參數(shù)測試的特點(diǎn)。由于該技術(shù)對土體的擾動較小，因此廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)勘察工作。由于不同土層的孔隙水壓力（u2）存在明顯的差異性，因此對土體中的薄層、夾層等土層進(jìn)行識別的結(jié)果較為精確。而不同土體類型的錐尖阻力（qt）存在一定的差異性，其中，砂土層的錐尖阻力較大，淤泥質(zhì)土的錐尖阻力較小，當(dāng)存在表觀相似的土層時，可通過測試其錐尖阻力，根據(jù)強(qiáng)度的差異性對土層進(jìn)行區(qū)分。孔壓比（Bq）屬于土體的綜合參數(shù)，用于表征土體的力學(xué)性能。從以上分析可知，研究主要選擇孔隙水壓力、錐尖阻力和孔壓比作為土層分類指標(biāo)，對土層和土體參數(shù)進(jìn)行判斷，計(jì)算過程如公式（1）～公式（3）所示。

u2=Δu+u0" （1）

式中：Δu為超孔隙水壓力；u0為靜水壓力。

qt=qc+u2（1-a） " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

式中：qc為可測錐尖阻力；a為探頭有效面積比。

（3）

式中：σv0為上覆應(yīng)力。

須對通過CPTU得出的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，更直觀地反映不同土層間的差異性。對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并設(shè)定分類目標(biāo)，將期望類別轉(zhuǎn)化為向量，并根據(jù)newpn（）函數(shù)建立分析模型，并判斷回代檢驗(yàn)分類效果是否符合要求，若滿足要求，則利用sim（）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)預(yù)測，將輸出向量轉(zhuǎn)換為指針，選擇孔隙水壓力、錐尖阻力和孔壓比為土層分類指標(biāo)，對其進(jìn)行參數(shù)歸一化處理，輸出PNN分類結(jié)果與結(jié)果的解譯。

3 應(yīng)用分析

為分析孔壓靜力觸探在工程勘察土層分類方面的應(yīng)用效果，分別以3個地塊為研究對象，其中，地塊1的CPTU土層分類指標(biāo)變化曲線如圖1所示。由圖可知，該地塊的3種土體分類指標(biāo)較大，說明其土體以黏土為主。當(dāng)深度為7m時，土體的孔隙水壓力、錐尖阻力和孔壓比均存在突變現(xiàn)象，以上3種參數(shù)的數(shù)值均呈現(xiàn)減少趨勢，說明此處土體性質(zhì)發(fā)生變化，其土層類型存在差異性。當(dāng)深度小于7m時，3種土層分類指標(biāo)的數(shù)值較大，說明此處的土質(zhì)力學(xué)性能較優(yōu)且土質(zhì)較為均勻，無夾雜層現(xiàn)象，該處的土層類型應(yīng)為均質(zhì)的黏土層；當(dāng)深度超過7m時，3種土層分類指標(biāo)減少趨勢顯著，說明此處的土體可能存在夾雜層現(xiàn)象且土體的力學(xué)性能有所降低，此處的土層類型為粉質(zhì)黏土與軟黏土的夾雜層。當(dāng)深度為17m時，3種土層分類指標(biāo)均突然增加，說明此處的土層性質(zhì)發(fā)生突變且物理力學(xué)性能較強(qiáng)，為硬夾雜層，此處的土層類型為粉質(zhì)黏土、黏土和粉質(zhì)砂土的硬夾雜層。

地塊2的CPTU土層分類指標(biāo)變化曲線如圖2所示。與地塊1相比，該地塊的3種土體分類指標(biāo)較小，說明土體以砂土為主。根據(jù)圖2（a）可知，該地塊的錐尖阻力變化趨勢存在一定的波動性，說明該地塊的土層分布不均，有多處夾雜層現(xiàn)象。當(dāng)深度小于2m時，土體的孔隙水壓力和孔壓比較小且變化趨勢較為平緩，說明此處的土質(zhì)較為均勻，無夾雜層現(xiàn)象，其力學(xué)性能較差，此處的土層類型為粉質(zhì)黏土。當(dāng)深度為2.5～4m時，孔隙水壓力和孔壓比較大，錐尖阻力變化趨勢較為平緩，與2m以下的土體相比，此處的土體強(qiáng)度有所提高，土層類型為軟黏土。當(dāng)深度為8～10m時，孔隙水壓力和孔壓比曲線呈先增后減的趨勢且其錐尖阻力變化趨勢較為平緩，此處的地層土層類型為黏土。

地塊3的CPTU土層分類指標(biāo)變化曲線如圖3所示。該地塊的土體分類指標(biāo)曲線變化趨勢存在明顯的突變點(diǎn)，當(dāng)深度小于18m時，錐尖阻力曲線變化趨勢波動性較大，而孔隙水壓力與孔壓比曲線變化趨勢較為平緩，當(dāng)深度超過18m時，錐尖阻力曲線的變化趨勢較為平緩，而孔隙水壓力與孔壓比曲線的波動性較大，說明當(dāng)深度為18m時，該地塊存在土層界面，當(dāng)深度小于18m時，該地塊的土層分布不均，有夾雜層現(xiàn)象，此時，其土層類型主要以粉質(zhì)黏土和粉土為主。隨著深度增加，該地塊的土質(zhì)較為均勻且其力學(xué)性能有所提高，此時其土層類型為黏土。當(dāng)深度為28～30m時，錐尖阻力—深度曲線存在驟升現(xiàn)象，說明此處有夾雜層現(xiàn)象，結(jié)合孔隙水壓力和孔壓比曲線變化趨勢可得，該處的土層仍具有一定的強(qiáng)度，說明此處為粉質(zhì)黏土與黏土的夾雜層。

4 結(jié)論

本文以某工程場地為研究對象，采用車載孔壓靜力觸探測試系統(tǒng)對其地質(zhì)情況和土層分布規(guī)律進(jìn)行勘測，得出以下結(jié)論：1）對地塊1來說，當(dāng)深度小于7m時，3種土層分類指標(biāo)的數(shù)值較大，說明此處的土質(zhì)力學(xué)性能較優(yōu)且土質(zhì)較為均勻，無夾雜層現(xiàn)象，此處的土層類型應(yīng)為均質(zhì)的黏土層；當(dāng)深度超過7m時，3種土層分類指標(biāo)減少趨勢顯著，此處的土層類型為粉質(zhì)黏土與軟黏土的夾雜層。2）對地塊2來說，其錐尖阻力變化趨勢存在一定的波動性，說明該地塊的土層分布不均，有多處夾雜層現(xiàn)象。3）對地塊3來說，當(dāng)深度超過18m時，錐尖阻力曲線的變化趨勢較為平緩，而孔隙水壓力與孔壓比曲線的波動性較大，說明當(dāng)深度為18m時，該地塊存在土層界面，當(dāng)深度小于18m時，該地塊的土層分布不均，有夾雜層現(xiàn)象，此時，其土層類型主要以粉質(zhì)黏土和粉土為主。

參考文獻(xiàn)

[1]汪曄歡，王勇，孔令偉，等.基于原位多功能孔壓靜力觸探的含淺層氣地層識別與應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2022，43（12）：3474-3483.

[2]杜宇，劉松玉，祝劉文，等.基于孔壓靜力觸探試驗(yàn)的水運(yùn)工程土分類方法研究[J].巖土力學(xué)，2022，43（5）：1353-1363.

[3]林軍，劉松玉，程月紅，等.基于孔壓靜力觸探的江蘇地區(qū)軟土分類研究應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報，2021，43（增刊2）：241-244.

[4]邱敏，宋友建，叢璐，等.基于層次聚類算法的孔壓靜力觸探土體分類方法及試驗(yàn)研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2019，46（3）：117-123.

[5]苗永紅，張新，張發(fā)祥，等.基于模糊隸屬度的孔壓靜力觸探技術(shù)分析復(fù)雜土層界面[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，32（5）：349-356，361.

[6]加瑞，趙棟.密度孔壓靜力觸探的測試?yán)碚摵凸こ虘?yīng)用綜述[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2022，30（1）：270-280.