孔压静力触探试验(PCPT)在非均质土勘察中的应用

段存俊，吴朝东，赵 欣

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032)

非洲东北部亚丁湾西岸近海岸及海岸(吉布提共和国阿尔塔地区)普遍分布较大厚度的含胶结碎块、珊瑚礁黏土质砂及含珊瑚礁砂质黏土，厚度大于60 m，层底高程小于-75 m。该类土的特征为土颗粒(黏粒、粉粒及少量砂粒)局部胶结成块状，呈现非均质性。

在岩土工程勘察时含胶结碎块、珊瑚礁黏土质砂很难采取到原状土样，即使采用双管取样器采取到土样，由于含胶结碎块、珊瑚礁，室内试验时环刀无法切取试样，因此无法进行力学试验，仅能进行含水量、液塑限及颗粒分析试验。在该类土的岩土工程勘察中，一般常用的原位测试方法为标准贯入试验。孔压静力触探试验(piezocone penetration test，简称PCPT)可测得锥尖阻力(qc)、侧壁阻力(fs)、探头倾角(l)及动孔隙水压力(u2)。研究表明：土层中探头附近孔压的改变是由探头挤土引起的八面体正应力和探头刺入剪切引起的八面体剪应力共同作用的结果[1]。野外采集的PCPT原始数据通过CPT数据处理软件[2]可计算出非均质土的内摩擦角(φ)、不排水抗剪强度(Su)等力学指标及生成PCPT成果图。另外，实测的探头倾角可用于对试验深度进行校正。特别是针对境外执行美标或欧标的同类工程项目的岩土工程勘察[3-5]，PCPT原位测试相比标准贯入试验具有更广泛的应用。本文通过吉布提LNG工厂建设工程岩土勘察项目阐述PCPT在非均质土勘察中的应用，希望能为同类工程的勘察提供参考。

1 场地非均质土分布与特征

采用的CONE GS10型孔压静力触探探头各传感器位置见图1。

图1 探头各传感器位置

吉布提LNG工厂建设工程项目场地非均质土分布与特征见表1。

表1 场地非均质土分布与特征

2 非均质土孔压静力触探试验方法

2.1 多重护管法

工程场地为近海岸，水深16～19 m，水底泥面高程为-17.1～-16.2 m，工程PCPT测试孔深度要求为50 m，需使用70 m长的探杆。由于深度较大，探杆没有横向的边界约束力，上部贯入推力极易对探杆造成不可逆转的弯曲变形甚至折断，导致PCPT测试无法到达设计终孔深度，故采用多重护管的施工方法(图2)。

图2 多重护管

以保护35.7 mm PCPT探杆、减少上部土层对探杆的摩阻力及导向为目的，为PCPT杆配置多重钢护管(规格为φ146、φ108、φ73 mm)，其中φ73 mm护管底部配有合金钻头或复合片钻头(兼有钻具功能)；钢护管最上端设置卡扣将所有护管悬挂固定在钻探平台甲板上，以防止护管自沉扰动土层。

现场实施精确控制多重护管入泥深度，一般情况下，控制φ146 mm和φ108 mm护管嵌入软土层至硬土层层顶为止，φ73 mm护管与PCPT探杆交替贯入，对于探杆严重反弹的情况，根据现场情况加大φ146 mm和φ108 mm护管嵌入深度。

2.2 钻机引孔配合施工工艺

从表1可知，场地分布的非均质土主要为④2层含胶结碎块、珊瑚礁黏土质砂，以密实黏土质砂为主，局部含有胶结碎块与珊瑚礁，特别是当探头贯入至珊瑚礁时，孔压静力触探探头很难连续贯入，因此引入钻机引孔施工工艺。

鉴于钻机对含胶结碎块、珊瑚礁黏土质砂钻进适应性较强，兼顾施工效率，引入GXY-1C型钻机配合PCPT设备实施贯入，将配有滑道的钻机设备装载在钻探平台上，与PCPT设备相配合。

对于海底上部覆盖软层，使用PCPT探头直接贯入，探头进入含胶结碎块、珊瑚礁黏土质砂后，当锥尖阻力(qc)超过30 MPa或探头倾角大于15°时，为防止探杆发生不可恢复的弯曲变形或探杆折断，暂停试验，并记录中止深度；然后起拔PCPT探杆，移开PCPT贯入设备，通过滑道移动钻机至井口，钻机直接对接φ73 mm钻具实施钻进；根据土层的密实情况，采用φ73 mm钻具钻进至探头贯入深度以上0.5 m处或穿透局部珊瑚礁与胶结碎块含量较多的层位，并记录钻探的深度，再下置探头与探杆进行孔压静力触探试验，为了减少因钻头对试验土层扰动影响PCPT数据，从本次钻探引孔深度以下0.5 m开始记录；PCPT按每贯入1 cm采集1次数据，通过多次交替试验与钻探引孔的方法，达到满足PCPT试验深度的要求；由于孔压静力触探探头遇珊瑚礁或胶结碎块时无法穿透需钻探配合，导致孔压静力触探的非连续性，因此在该类地层条件下，孔压静力触探孔需布设在钻探孔边(影响范围外)，与钻探孔进行对比。

3 孔压静力触探试验成果的应用

3.1 实例工程PCPT孔成果图与其相邻钻孔地质剖面图对比分析

图3为工程P8孔(PCPT)成果图。P8孔位于钻孔B105孔北侧16 m，根据P8孔成果图与B105～B2地质剖面图(图4)对比，对④2、④3层PCPT指标评价如下：

图3 qc、fs 与u2成果图

图4 B2、B105孔地质剖面(单位：m)

1)P8孔第④2层含胶结碎块、珊瑚礁黏土质砂的锥尖阻力qc最小值为2.22 MPa，最大值达49.8 MPa；侧壁阻力fs最小值为0.05 MPa；最大值达0.94 MPa；摩阻比Rf最小值为0.12%，最大值为5.32%；动孔隙水压力u2在20 m以内(高程-37 m)基本接近0或为负压，22 m(高程-39 m)以下反复振荡，u2曲线呈锯齿状，局部接近0或为负压，充分表明土体以密实砂含致密胶结物为主，局部夹薄层黏性土，密实的胶结砂经探头刺入剪切破坏有剪胀效应。

2)第④3层含珊瑚礁砂质低液限黏土的锥尖阻力qc最小值为3.01 MPa，最大值达30.96 MPa；侧壁阻力fs最小值为0.053 MPa；最大值达0.91 MPa；摩阻比Rf最小值为0.24%，最大值为6.99%；动孔隙水压力u2最大值为1.35 MPa，局部段基本接近0或为负压，平均值为0.07 MPa。

实例工程B105孔第④2层含胶结碎块、珊瑚礁黏土质砂、④3层含珊瑚礁砂质低液限黏土及⑤3层含珊瑚礁砂质低液限黏土代表性芯样见图5。

图5 各层代表性岩芯

3.2 工程场地非均质土PCPT指标

选取工程场地6个PCPT孔，对非均质土PCPT指标进行统计，结果见表2。

表2 场地非均质土PCPT指标

3.3 非均质土力学指标评价

3.3.1非均质土的内摩擦角φ

采用的理论公式为：

(1)

表3 利用PCPT成果计算的内摩擦角结果

3.3.2非均质土的不排水抗剪强度Su

采用的理论公式为：

Su=(qc-σvz)/Nk

(2)

式中：Nk为孔压圆锥系数，Nkmin=12，Nkmax=20；σvz为总竖向应力，分别取表2中各土层统计标准值；经计算各层不排水剪切强度，结果见表4。

表4 利用PCPT成果计算的不排水剪切强度结果

由于Nk是一个经验系数，并仅有最大、最小经验值，因此在利用PCPT评价土的不排水剪切强度时，仅能评价一个范围值，所以需要在借鉴国外已有成果的基础上积累地区经验。

根据国内外研究成果，利用PCPT成果还可评价土的密度ρ及土的应力历史如超固结比(OCR)等。

4 结语

1)PCPT探头在测定锥尖阻力qc、侧壁阻力fs的同时测定了探头周围土体的动孔隙水压力u2及探头倾斜角，特别是针对含有胶结碎块与珊瑚礁的非均质土，探头易产生倾斜，通过实测的探头倾角可对试验深度进行校正，另外可对探头贯入可行性进行判断，防止探杆产生永久弯曲变形甚至折断。

2)含有珊瑚礁、胶结碎块等的黏性、砂性非均质土往往分布于近海岸、海岸区，由于该类土质坚硬或非常密实，PCPT探头无法实现连续贯入。采用下置多重钢套管结合φ73 mm钻具分段贯入钻探的施工工艺，解决了该类土层PCPT无法满足设计深度要求的问题，并获得该非均质土的锥尖阻力qc、侧壁阻力fs及动孔隙水压力u2。

3)含胶结碎块、珊瑚礁非均质土很难采取到原状土样，因此通过钻探取样手段难以获得该类非均质土的力学指标，而利用PCPT成果计算可得该类非均质土的重要力学性质指标内摩擦角φ与不排水抗剪强度Su。