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通過將引進(jìn)Geomil公司帶孔隙水壓力測(cè)試功能的靜力觸探（CPTU）試驗(yàn)儀器，應(yīng)用于澳門填海區(qū)進(jìn)行原位測(cè)試，將CPTU測(cè)得的錐尖阻力qc、側(cè)壁摩阻力fs以及孔隙水壓力u2，按照國內(nèi)鐵道部基于雙橋靜力觸探的土質(zhì)分類圖進(jìn)行分類，同時(shí)采用國際通用的歸一化處理方法后，利用Robertson CPTU土質(zhì)分類圖進(jìn)行分類，將二者的結(jié)果與同一個(gè)場(chǎng)地鉆孔取樣室內(nèi)試驗(yàn)獲得土的分類結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，判斷國內(nèi)基于CPT試驗(yàn)的土質(zhì)分類方法和Robertson分類方法的準(zhǔn)確性和精細(xì)度，為澳門地區(qū)CPTU試驗(yàn)應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

本文來源：徐威, 鄭華文, 陶旭光. 澳門填海區(qū)基于CPTU試驗(yàn)的土質(zhì)分類比較[C]. //第十五屆全國工程物探與巖土工程測(cè)試學(xué)術(shù)大會(huì), 2017.

近年來隨著國外工程的增多，技術(shù)交流也日益增多，CPT/CPTU試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)接成為較為緊迫的問題。筆者所在公司以港澳地區(qū)為窗口，通過澳門地區(qū)的填海和路橋工程與國外的咨詢公司進(jìn)行交流，是國內(nèi)引進(jìn)荷Geomil公司孔壓靜力觸探（CPTU）儀器設(shè)備的公司，并結(jié)合國內(nèi)的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行合理的改進(jìn)，成功將其應(yīng)用于澳門地區(qū)多個(gè)工程項(xiàng)目，積累了較多的經(jīng)驗(yàn)。本文結(jié)合在澳門地區(qū)的CPTU應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，利用國內(nèi)和國際上的CPT/CPTU土質(zhì)分類圖分析CPTU試驗(yàn)參數(shù)，并劃分土層，通過與采取原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)所劃分的土層進(jìn)行對(duì)比來判斷兩種土質(zhì)分類圖的精細(xì)度和準(zhǔn)確性。

澳門地區(qū)土地資源寶貴，在某填海工程場(chǎng)地進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)CPTU試驗(yàn)，并在對(duì)應(yīng)的CPTU測(cè)試點(diǎn)位之間布置了取土試樣鉆孔，用以對(duì)比CPTU試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)地勘結(jié)果顯示，場(chǎng)地內(nèi)主要分布的土層為：表層為灰黃色吹填砂，主要為中粗砂；其下為灰色沉積軟黏性土、灰黃色粉質(zhì)黏土、灰色黏土、砂混黏性土，以及殘積土、花崗巖風(fēng)化層。在場(chǎng)地內(nèi)選取地層分布較為均勻的一段，進(jìn)行CPTU試驗(yàn)和鉆孔取土室內(nèi)試驗(yàn)，將二者的土層劃分進(jìn)行對(duì)比。

Geomil帶孔壓靜力觸探（CPTU）設(shè)備主要包括：履帶式自動(dòng)行進(jìn)車、自動(dòng)夾具、帶孔隙水壓力測(cè)試的探頭、數(shù)據(jù)自動(dòng)測(cè)試采集系統(tǒng)以及探桿等。

CPTU探頭主要包括：錐尖（Cone）、摩擦側(cè)壁（Friction sleeve）、位于錐肩的透水石孔壓傳感器（Pore pressure filter）。

通過傳感器直接測(cè)得的指標(biāo)包括：錐尖阻力q_c（MPa）、側(cè)壁摩阻力f_s（MPa）、孔隙水壓力u₂（MPa），以及傾斜度I_c。

探頭的主要參數(shù)：錐尖頂角為60°，錐尖底截面面積為10cm²，側(cè)壁摩擦筒面積為150cm²，透水石位于錐肩。

CPTU探頭結(jié)構(gòu)示意圖

國內(nèi)使用的雙橋探頭可根據(jù)獲得的錐尖阻力qc 和側(cè)壁摩阻力fs 計(jì)算出摩阻比Rf，計(jì)算公式如下：

R_f=f_s/q_c

然而由于錐尖端面存在壓力不平衡效應(yīng)的影響，對(duì)于飽和黏性土，特別是軟黏土，在觸探深度很大時(shí)，q_c值明顯減小，f_s值也會(huì)發(fā)生改變，從而使R_f值產(chǎn)生明顯誤差。對(duì)于這種情況，僅僅采用雙橋探頭是無法解決的，因此國際上多采用孔壓修正后的參數(shù)進(jìn)行土的分類，Robertson(1990)采用歸一化的參數(shù)，建立了以歸一化錐尖阻力Q_t、歸一化摩阻比F_r和孔隙水壓力比B_q的土的分類圖，此分類圖將土的種類歸于9類：

1. 靈敏細(xì)粒土(Sensitive, fine grained)；
2. 有機(jī)質(zhì)土、泥炭(Organic soil-clay)；
3. 黏土-粉質(zhì)黏土(Clay-silty clay to clay)；
4. 黏質(zhì)粉土-粉質(zhì)黏土(Silt mixture-clayed silt to silty clay)；
5. 粉砂-砂質(zhì)粉土(Sand mixtures-silty sand to sandy silt)；
6. 砂-粉砂(Sands-clean sand to silty sand)；
7. 礫砂-密實(shí)砂(Gravelly sand to dense sand)；
8. 極密實(shí)砂-黏質(zhì)砂(Very stiff sand to clayey sand)；
9. 級(jí)配良好極密實(shí)砂(Very stiff fine grained)。

并且考慮了上覆應(yīng)力的影響，修正了由測(cè)試深度的增加導(dǎo)致的錐尖阻力q_c、側(cè)壁摩阻力f_s和孔隙水壓力u₂增大對(duì)土的分類的影響，在國際上獲得了較好的應(yīng)用，準(zhǔn)確率也可以達(dá)到80%以上。歸一化的分類圖是采用歸一化摩阻比F_r～歸一化錐尖阻力Q_t進(jìn)行分類。

考慮到錐尖阻力受到孔隙水壓力影響，進(jìn)行孔壓修正后的錐尖阻力q_t：

q_t=q_c+（1-a）u₂

a=A_n/A_c

其中，a為探頭的有效面積比；

A_n為探頭空心柱截面積；

A_c為錐端截面積。

凈錐尖阻力：q_n=q_t-σv₀，其中，σv₀為上覆應(yīng)力；

歸一化的錐尖阻力：Q_t=q_n/σ’v₀

其中，σ’v₀為上覆有效應(yīng)力，

考慮到孔隙水壓力的影響：σ’v₀=σv₀-u₀

其中，u₀為靜孔隙水壓力，隨深度變化。

孔隙水壓力比：B_q=Δu/q_n，

其中，Δu為超孔隙水壓力，

表達(dá)式為：Δu=u₂-u₀。

歸一化的摩阻比：F_r=f_s/(q_t-σv₀)×100%。

在澳門填海工程的CPTU測(cè)試過程中，按照以下方法進(jìn)行操作：

典型的CPTU直接采集到的數(shù)據(jù)生成q_c-h關(guān)系圖、f_s-h關(guān)系圖、R_f-h關(guān)系圖、u₂-h關(guān)系圖。

相鄰鉆孔采取原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，在上部吹填砂層中采用環(huán)刀取土器采取砂樣，在軟黏性土層中采用薄壁取土器靜壓法取樣，在硬黏性土層中采用敞口活閥取土器取樣，土樣采取后立即進(jìn)行蠟封保存，運(yùn)送過程中盡量避免土的擾動(dòng)。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，該場(chǎng)地的土層物理性質(zhì)指標(biāo)如表所示。

從以上數(shù)據(jù)分析可以得出：

• 吹填砂層CPTU數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較為離散，主要分布于砂土和各類土交界的混合土區(qū)域，少量數(shù)據(jù)點(diǎn)分布于粉土區(qū)域，因場(chǎng)地表部吹填砂層為人工吹填形成，成分以砂為主但不排除局部含泥量和級(jí)配有差別，更有可能在吹填施工過程中導(dǎo)致軟土鼓包，所以數(shù)據(jù)點(diǎn)分布于以砂為主、局部分布于黏性土和砂混合土區(qū)域較為合理。
• 粉質(zhì)黏土層CPTU數(shù)據(jù)點(diǎn)主要分布于粉質(zhì)黏土和粉土區(qū)域，因粉土中的黏粒含量對(duì)土的性質(zhì)影響較大，因此簡(jiǎn)單地通過錐尖阻力q_c和摩阻比R_f較難準(zhǔn)確區(qū)分粉質(zhì)黏土和黏質(zhì)粉土。
• 砂混黏性土層CPTU數(shù)據(jù)點(diǎn)主要分布于粉土區(qū)域，相比于砂土，砂土中的黏性土對(duì)側(cè)壁摩阻力f_s影響較大，從而導(dǎo)致該層的摩阻比較大，而砂土中的黏性土又降低了密實(shí)度，導(dǎo)致錐尖阻力q_c較小。
• 殘積土層的CPTU數(shù)據(jù)點(diǎn)分布最離散，除砂土區(qū)域分布較少，其他區(qū)域皆有分布，從鉆孔取樣判斷，殘積土主要呈現(xiàn)黏性土特征，可以成團(tuán)，可搓成條，但局部粉性較重，混石英殘留顆粒。CPTU曲線表現(xiàn)特征為錐尖阻力q_c不大，但摩阻比R_f較大，且變化跳躍性大。

下面按照歸一化的處理原則，將試驗(yàn)獲得的錐尖阻力q_c、側(cè)壁摩阻力f_s、孔隙水壓力u₂帶入歸一化方法修正公式，分別求出歸一化錐尖阻力Q_t、歸一化摩阻比F_r和孔隙水壓力比B_q，然后按照臨近鉆孔地層進(jìn)行初步的地層分類，在Robertson F_r-Q_t分類圖上點(diǎn)繪各個(gè)采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)，分類結(jié)果如圖所示。

從Robertson分類圖上CPTU數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布分析可以得出：

• 吹填砂層CPTU數(shù)據(jù)點(diǎn)分布依然較為離散，相比于鐵道部分類圖，Robertson分類更為明細(xì)，7區(qū)域密實(shí)砂土、6區(qū)域砂-粉砂分布最多，局部為5粉砂和砂質(zhì)粉土混合區(qū)域，另外在3區(qū)域黏土-粉質(zhì)黏土區(qū)域分布也較多，表明局部可能存在吹填過程中軟土鼓包現(xiàn)象；
• 淤泥質(zhì)土層CPTU數(shù)據(jù)點(diǎn)分布明顯集中在3黏土-粉質(zhì)黏土區(qū)域，這表明原海底淤泥層經(jīng)過吹填砂堆載和排水處理后，性質(zhì)已經(jīng)有改善；
• 粉質(zhì)黏土層CPTU數(shù)據(jù)點(diǎn)也明顯集中在3黏土-粉質(zhì)黏土區(qū)域；
• 殘積土層CPTU數(shù)據(jù)點(diǎn)絕大部分分布在3黏土-粉質(zhì)黏土區(qū)域，且明顯為超固結(jié)土。

本文通過對(duì)澳門填海區(qū)域進(jìn)行CPTU試驗(yàn)和取土室內(nèi)試驗(yàn)分層對(duì)比，分別采用鐵道部土分類圖和國際上通用的Robertson土分類圖判斷CPTU試驗(yàn)土質(zhì)分層的準(zhǔn)確性，對(duì)比分析可以看出，無論是在分層的精細(xì)程度還是準(zhǔn)確程度上，Robertson分類圖都具有優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在：

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