基于CPTU的宁波黏性土不排水抗剪强度确定研究

2016-05-25李学鹏杨晓娟蔡国军

重庆交通大学学报(自然科学版) 2016年6期

李学鹏，杨晓娟，蔡国军，李飚，林军

(1.东南大学江苏省城市地下工程与环境安全重点实验室，江苏南京 210096；2.东南大学交通学院岩土工程研究所，江苏南京 210096；3.江西省公路工程监理公司，江西南昌 330002；4.浙江省工程勘察院，浙江宁波 315012)

李学鹏1，2，杨晓娟3，蔡国军1，2，李飚4，林军1，2

黏性土的不排水抗剪强度是黏性土的重要力学指标，对于地铁车站的设计是非常重要的。由于获得无扰动试样的困难或成本限制，现代原位测试技术已广泛用于不排水抗剪强度的评价之中。以宁波地铁车站为工程背景，采用多功能孔压静力触探技术(CPTU)对黏性土进行土层测试和评价。介绍了CPTU测试技术的基本原理；根据十字板剪切强度反演孔压圆锥系数(NΔu)，提出了不排水抗剪强度与超静孔压的关系，并探讨了孔压圆锥系数与孔压参数比的关系；将基于CPTU测试技术的不排水抗剪强度与室内测试结果进行对比。结果表明，采用CPTU测试技术能有效地评价黏性土的不排水抗剪强度；基于十字板剪切试验的不排水抗剪强度与基于CPTU测试技术的超静孔压有着较好的相关性；孔压圆锥系数与孔压参数比有着较好的对应关系。

岩土工程；黏性土；不排水抗剪强度；CPTU；十字板剪切试验

0 引言

不排水抗剪强度(Su)是黏性土十分重要的力学特性参数，对黏性土的强度特性分析和稳定性评价具有重要作用[1-6]。目前，确定黏性土不排水抗剪强度的方法大致可分为室内试验和现场原位试验两大类。室内试验主要包括快剪试验、三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验等，而现场原位试验主要由十字板剪切试验(FVT)、扁板侧胀试验(DMT)和静力触探试验(CPT)等[7-9]。近年来，国内外学者对评价黏性土的不排水抗剪强度有了一定的研究。曾玲玲等[10-11]通过对福州天然沉积黏土原状样及不同初始含水率重塑样进行三轴固结不排水抗剪试验，探讨了土的结构性对天然沉积黏土强度的影响规律。由于土样在取样及保存中很难保持原位应力状态，故而采用室内试验方法进行不排水抗剪强度的评价在工程应用上受到了一定的限制，使得现代原位测试方法得到了广泛的应用。刘松玉等[12]对连云港海相黏土和苏州太湖冲湖积相黏土进行了孔压静力触探试验(CPTU)，以此评价江苏黏性土的不排水抗剪强度。童立元等[13]通过CPTU试验对桥梁基础中的黏性土进行不排水抗剪强度的估算。K.SENNESET等[14]建议采用对锥尖阻力qc修正后的有效锥尖阻力qe来估算Su，T.LUNNE等[15]通过超净孔隙水压力Δu来评价Su。

相比于室内试验以及传统的静力触探,孔压静力触探(CPTU)试验除了能提供锥尖阻力qc、侧壁摩阻力fs，还能提供孔隙水压力u以及土体电阻率ρ等参数，而这些参数对于土体的参数评价具有重要的参考价值[16-19]。鉴于CPTU自身的优势，CPTU测试技术已在国外得到了广泛的应用，但在国内的科学研究和工程应用还需要进一步推广。

基于此，对宁波地铁车站黏性土进行了多功能CPTU原位测试，并结合现场十字板剪切试验，通过十字板剪切试验得到的不排水抗剪强度反演得到孔压圆锥系数NΔu，并得到孔压参数比Bq与圆锥系数的关系,以此来确定黏性土不排水抗剪强度，并探求宁波地铁车站黏性土CPTU参数与不排水抗剪强度之间的相关关系。

1 试验研究

1.1 场地描述

本次现代多功能CPTU试验场地位于宁波市地铁车站腊梅路站。腊梅路站沿规划的院士路高架东侧南北向设置，现状位置为原大漕村村舍。站位东侧为拆迁空地，南侧为在建腊梅路延伸段，西侧南部为高楼，西侧北部为宁波体育运动学校。该测试场地地形较为平坦，地貌类型单一，属于冲湖积平原，岩土种类较多，岩性多变，均一性较差，且广泛分布有淤泥质土和软弱黏性土等特殊性土。根据该地区多功能CPTU试验，结合钻孔资料，场地揭露深度内原状土层自上而下可分为：黏土、淤泥质黏土、黏土、粉砂。该测试场地附近无明显地表水，原有河塘处已被填埋形成暗浜，由于场地地势较低，雨季时地势低洼处会有明显积水现象。根据地下水含水层介质、水动力特征及其赋存条件，可将场地内地下水分为孔隙潜水、孔隙承压水和基岩裂隙水。

1.2 试验设备

试验采用东南大学岩土工程研究所于2005年引进的美国Hogentogler原装多功能数字化车载式CPTU系统。对宁波市地铁车站腊梅路站进行了CPTU试验，该测试场地CPTU试验孔位布点如图1。现场共钻孔5个，孔号分别为CPTU1，CPTU2，CPTU3，CPTU4，CPTU5。腊梅路站的南侧是高新区站，北侧是三官堂站。现场数据采集使用Enhanced Field Computer System 4.0计算机系统，使用CONEPOLT和CLEANUP软件得到数据列表。值得注意的是，本次试验运用电阻率CPTU探头，该探头不仅可测锥尖阻力qc、侧壁摩阻力fs，孔隙水压力u，还能提供土体电阻率ρ[20-21]。该探头的锥角为60°，侧壁摩擦筒表面积为150 cm2，锥底截面积为10 cm2。

图1 宁波地铁腊梅路站CPTU试验孔位布点Fig.1 Layout of CPTU test points at Lamei Station of Ningbo Subway

1.3 测试原理

CPT的技术原理是将一个内部装有传感器的探头匀速地压入土中，而不同的土层对探头的阻力由传感器以电信号的形式输入到记录仪表中，通过分析探头阻力确定土层工程特征。在CPT技术的基础上，CPTU技术增加了孔隙水压力测试元件，即在探头锥肩处增加了孔压元件。而这孔压元件实际上就是一个高滤水性的多孔滤石，该孔压测试元件具有高透水性、低气渗性特征。因此CPTU技术可测试贯入工程土体孔压的连续变化或消散过程。而笔者采用的探头是在普通CPTU探头的基础上增加了一个电阻率传感器，安装在标准CPTU探头后部，主要由4个铜质电极及电路系统组成。其电路系统与4个电极同步，连续测量两对电极间的电压变化，并根据欧姆定律编制的程序计算电极周围土体的电阻率大小。

通过建立在孔穴扩张理论基础上的理论解和半经验-半理论解[22]，建立了超孔隙水压力Δu与Su的关系式(1)，采用量测的孔隙水压力来估算Su：

(1)

式中：NΔu为孔压圆锥系数,根据孔穴扩张理论，NΔu的理论值大致为2～20；u0为静水压力；u2为CPTU锥肩位置量测的孔隙水压力；Δu为超孔隙水压力。

2 试验结果

2.1 典型测试曲线

在宁波地铁腊梅路站共进行了5个CPTU试验孔，试验深度均超过了25 m，最深的达到了27.85 m。利用锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力和土体电阻率等CPTU测试数据，对土体进行均质性检验，确定均质土体的边界，进行力学分层。图2给出了本次CPTU试验的典型结果。

图2 典型CPTU测试结果Fig.2 Test results of typical piezocone penetration test

由图2可见，试验场地分层从上到下大致为黏土，淤泥质黏土，粉质黏土，粉砂。锥尖阻力是CPTU测试的重要内容，几乎所有基于CPTU测试数据估算的岩土工程参数都与其有关。可以清楚地看出，该孔号的地表面大概有1 m左右的硬壳层，该土体锥尖阻力值较大，具有一定的强度。硬壳层下有很深的软土，该软土以黏土和淤泥质黏土为主，其黏性土的锥尖阻力值普遍较小，该软土具有含水率高、孔隙比大、低强度、黏粒含量高等显著特征。当深度超过26 m的时候，粉砂层的锥尖阻力和侧壁摩阻力明显增大，而此处孔压逐渐减小。该场地地下水位在1.0 m处，地下水位以上土体的电阻率值较大，而进入地下水位以下时土体的电阻率值较小。

2.2 不排水抗剪强度与超静孔压的关系

从Δu与Su的关系式(1)中可以看出，可根据Δu求出土体的不排水抗剪强度Su。然而孔压圆锥系数NΔu=2～20。为精确得出该试验段的孔压圆锥系数值，通过现场的十字板剪切试验求得的不排水抗剪强度值来反演孔压圆锥系数值。从十字板剪切试验得到的黏性土的不排水抗剪强度Su比较小，最小值为16 kPa；位于淤泥质黏土中,最大值大致为80 kPa，位于粉质黏土中。而CPTU测试得到的孔隙水压力u2值减去静水压力u0值可与十字板剪切试验得到的Su值对应起来。图3为现场十字板剪切试验得到的Su与NΔu的关系图，通过拟合得到基于CPTU测试的Su与Δu的关系式(2)：

(2)

图3 基于十字板剪切试验反演宁波黏性土NΔu值Fig.3 Pore pressure cone coefficient (NΔu) of Ningbo clayey soil based on the inversion of field vane shear tests

由图3可见，随着超静孔隙水压力的增大，土的抗剪强度也随之增大，通过25处数据拟合后得到的宁波地铁车站黏性土NΔu=8.62，相关性R2=0.88。式(2)为CPTU测试的Su与Δu的相关关系。在得到CPTU参数Δu后，即可通过式(2)计算得到土体不排水抗剪强度值。

2.3 孔压圆锥系数与孔压参数比的关系

研究表明，锥尖阻力的测试精度和可靠度比侧壁摩阻力高，故而基于CPTU测试技术的土分类方法主要采用净锥尖阻力qt和孔压参数比Bq。其实孔压参数比的作用不仅在于CPTU土层分类，它对CPTU其它参数的评价也有着重要的参考价值。孔压参数比Bq的定义如式(3)：

(3)

qt=qc+u2(1-a)

(4)

式中：σv0为总上覆应力；qt为经过面积修正的锥尖阻力；a为有效面积比，a=Aa/Ac(Aa，Ac分别为顶柱和锥底的横截面积)；qc为锥尖阻力。

孔压圆锥系数Δu与孔压参数比Bq有着对应关系。通过CPTU测试可得到连续的孔压参数比值。图4为宁波地铁车站测试场地黏性土中二者的相关关系。从图4中可知NΔu与Bq的关系如式(5)：

(5)

图4 孔压参数比Bq与孔压圆锥系数NΔu关系Fig.4 Relationship between pore pressure parameter ratio (Bq) and pore pressure cone coefficient (NΔu)

图4 给出的孔压参数比Bq与孔压圆锥系数NΔu关系表明孔压圆锥系数与孔压参数比成线性关系，孔压圆锥系数可近似拟合为11.1倍的孔压参数比。从图4可知，在CPTU测试技术中，可以运用已知的CPTU测试参数孔压参数比Bq来求得孔压圆锥系数NΔu，继而求出不排水抗剪强度，因此，孔压参数比在CPTU测试技术中有着十分重要的作用。

图5给出了基于室内三轴固结不排水试验得到的Su值与基于NΔu法的CPTU测试得到的Su值的对比。此处NΔu值为图3所拟合的结果(即NΔu= 8.62)。因CPTU测试技术是在现场进行的测试，故而在通常情况下CPTU测试值要高于室内试验值。而从图5中可以看出，基于CPTU测试得到的黏性土的Su值与室内Su值的差距不大，最大差距在30%以内。

图5 基于CPTU测试得到的Su值与室内试验得到的Su值对比Fig.5 Contrast of Su obtained from CPTU and laboratory tests

本次现场测试与室内测试造成的最大误差有近30%。主要原因：①室内试验不可避免造成的误差；②黏性土在取样过程中造成的土样扰动；③试验仪器的精确度有限。考虑上述原因，CPTU测试得到的黏性土的Su值与室内Su值十分吻合，故而CPTU测试技术估算黏性土的Su值是可行的。

3 结论

笔者研究了采用CPTU测试技术进行黏性土的不排水抗剪强度Su值的评价，建立了宁波地铁车站腊梅路站地下黏性土的不排水抗剪强度与超静孔压的关系以及孔压圆锥系数与孔压参数比的关系，得出了如下结论：

1)黏性土中超静孔隙水压力越大的地方，其抗剪强度也更大。宁波地铁车站黏性土的不排水抗剪强度与超静孔压成线性关系，其孔压圆锥系数NΔu值为8.62。

2)孔压参数比在CPTU测试技术中有着十分重要的作用。孔压圆锥系数与孔压参数比有着对应关系，宁波地铁车站腊梅路站黏性土的孔压圆锥系数可近似拟合为11.1倍的孔压参数比。

3)基于CPTU测试技术与室内试验得到的不排水抗剪强度Su值误差较小，因此，基于CPTU测试技术评价不排水抗剪强度Su值是可行的。

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Determination of Undrained Shear Strength of Clayey Soil in Ningbo Based on CPTU

LI Xuepeng1, 2, YANG Xiaojuan3, CAI Guojun1, 2, LI Biao4, LIN Jun1, 2

(1. Jiangsu Key Laboratory of Urban Underground Engineering and Environmental Safety, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, P. R. China; 2. Institute of Geotechnical Engineering, School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, P. R. China; 3. Jiangxi Highway Engineering Supervision Company, Nanchang 330002, Jiangxi, P. R. China; 4. Zhejiang Engineering Survey Institute, Ningbo 315012, Zhejiang, P. R. China)

The undrained shear strength is an important physical property of clayey soils and is also very valuable to the design of subway. According to the difficulty and cost constraint of obtaining the undisturbed samples of high quality, a modern in-situ test was commonly applied to evaluate the undrained shear strength. In the case study of Ningbo Subway, the piezocone penetration test (CPTU) was used to test and evaluate the clayey soil. Firstly, the basic operation principles of piezocone penetration test were introduced. Secondly, according to the pore pressure cone coefficient (NΔu) obtained from the inversion of field vane shear test, the relationship between undrained shear strength and excess pore pressure was analyzed, and the relationship between the pore pressure cone coefficient and pore pressure parameter ratio was also discussed. Moreover, the results of undrained shear strength based on the piezocone penetration test were contrasted with the results obtained from laboratory test. It is shown that piezocone penetration test can be used for effective evaluation of undrained shear strength of clayey soil; the undrained shear strength obtained from field vane shear test has a good relevance with the excess pore pressure obtained from piezocone penetration test; and the pore pressure cone coefficient and pore pressure parameter ratio have some corresponding relation with each other.

geotechnical engineering; clayey soil; undrained shear strength; piezocone penetration test; field vane shear test

2015-09-29；

2015-12-05

国家自然科学基金项目(41330641,41202203)；全国优秀博士学位论文作者专项资金项目(201353)；江苏省杰出青年基金项目(BK20140027)；教育部新世纪优秀人才支持计划 (NCET-13-0118)；中央高校基本科研业务费(2242013R30014)

李学鹏(1984—)，男，江西萍乡人，博士研究生，主要从事原位测试技术方面的研究。E-mail：lixuepeng1984@126.com。

蔡国军(1977—)，男，山东兖州人，博士，教授，主要从事现代原位测试、地基处理等方面的研究。E-mail：focuscai@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.05

U452.1+2;TU413

1674-0696(2016)06-020-04