时间平方根法评价隔离墙t50及固结系数

2022-10-15李学鹏李彩华陈荣保蔡国军

广东土木与建筑 2022年9期

李学鹏，李彩华，陈荣保，蔡国军

（1、佛山市禅城区建设工程质量安全检测站佛山 528000；2、东南大学岩土工程研究所南京 222100）

0 引言

孔压静力触探技术（CPTU）是在探头中加入孔压传感器以达到测试地下孔隙水压力的目的，具有传统静力触探测试锥尖阻力及侧壁摩阻力的功能，又能测试孔隙水压力及其消散过程［1-2］。由于操作简便，测试范围广，测试数据准确等因素，CPTU 技术自问世来已在国内外工程及科研中得到广泛应用［3-5］。

孔压静力触探技术有助于评价粘性土的物理力学特性及固结渗透特性等［6］。TORSTENSSON［7］在分析孔压消散过程中，将初始孔压ui与静水压力u0的差值定义为超孔压△u，如下：

而在孔穴扩张理论中，如图1所示，探头贯入对土的应力应变产生影响，可分为塑性区、剪切区及弹性区。超孔压△u主要由两部分组成［7］：①贯入引起的正应力所产生的超孔压△uoct；②贯入引起的剪应力所产生的超孔压△ushear，如下：

地表下孔隙水压力随时间逐步减小直至静水压力，或超孔隙水压力逐步消散直至为0，如图2 所表现的消散规律为标准消散类型。文献［7］从排水条件出发，采用超孔压消散50%的时间t50及理论解中的时间因子T50计算固结系数，这是目前最常用的计算固结系数方法，公式如下：

式中：r为探头半径（m）。

HOULSBY 等人［8］从大应变有限元分析结果分析中，对T50进行修正，并用新的修正时间因子T*替代，结合刚性指数Ir及孔压消散时间t，固结系数ch如下：

而对于非标准消散类型，以现场某实验场地超孔压消散曲线为例，如图3所示，超孔压呈现出先增大后减小的现象［9-11］。图3 表明贯入引起的初始超孔压△u=5.57 kPa，随时间的推移而增加，当t=95 s 时，△u增加到最大值7.969 kPa，随后随时间减少直至超孔压消散为0 kPa。BURNS等人［12］应用迭代计算程序的方法拟合孔压消散过程，SULLY 等人［13］提出忽略孔压上升那部分，将最大值看似为初始孔压。CHAI 等人［14］在日本场地对t50值进行修正，修正后的t50m替代t50，并得出t50与t50m的倍数关系为2.6～8.8。

基于时间平方根法的孔压消散曲线如图4 所示。时间平方根法以孔压消散的时间平方根作为横坐标，孔压或超孔压的变化作为纵坐标的研究方法。在贯入后的初始阶段，孔压先会提升至最大值，继而消散。SULLY 等人［13］提出从最大值至消散过程后阶段可近似看成一条直线，即孔压及消散时间的平方根成线性关系，通过该直线反推至纵坐标得出初始孔压ui，这是对初始孔压的一种修正方法。相比于原初始孔压，修正的初始孔压有所提高，并通过超孔压消散一半即（ui-u0）计算所对应的时间。DANZIGER［15］利用时间平方根法对孔压消散过程进行研究分析，认为时间平方根法得出的结论是可靠的，进一步验证了时间平方根法的可行性。

1 现场测试

1.1 试验准备

为保证实验结果的准确性，CPTU 测试前需至少提前一天对孔压过滤环进行饱和，同时对探头进行标定，将饱和好的孔压过滤环装入到探头锥肩u2处，继而连接电缆线与探头，测试数据可在电脑上实时显示。

1.2 测试现场

隔离墙试验段位于在垃圾填埋场周边，隔离材料由5%天然基土含量和95%膨润土含量拌和而成，地下水位位于地表下约1 m。测试探头需贯穿隔离墙深度。探头贯入后，孔压处于上升期，当孔压上升到较大值时可停止贯入，之后进行孔压消散试验。孔压消散试验较长，在消散过程中，可根据孔压最大值及静水压力，初步判断超孔压消散50%的时间，达到该时间后原则上可停止消散试验，并通过消散数据作为下一步分析的依据［16］。

1.3 典型曲线

孔压静力触探测试典型参数数据曲线如图5 所示，可通过测试结果判段土层分布情况，尤其是锥尖阻力及孔隙水压力沿深度的变化。其中，土-膨润土的锥肩阻力较小，在深度约4 m内，锥尖阻力基本维持在约0.15 MPa，下半段的锥尖阻力约0.33 MPa。在地下水位以下处，随着贯入的深入，孔隙水压力u2逐步提高，产生了较大超孔压（u2-u0）。而探头一旦进入粉质砂土层，孔压迅速减小。

2 孔压消散结果

当孔压达到较大值时，贯入停止后进行抗压消散试验，孔压立即减小，直至消散至静水压力。土-膨润土试验段孔压消散时间过长，往往需要约24 h。为此，试验会出现两种情况，即t≥t50及t＜t50。现场常出现超孔压未消散到一半就停止的现象。

2.1 修正初始孔压

考虑到孔压消散的上升期，初始孔压不是孔压最大值。文献［13］认为需对初始孔压进行修正，以得出修正后的初始孔压。由图4 可知，在孔隙水压力减小的过程中，可判定为随时间的线性减小，通过该直线反推与纵坐标交点为修正后的初始孔压。修正后的初始孔压对于后续土体参数的评价至关重要。

2.2 消散时间t≥t50

消散时间t≥t50时基于时间平方根法的消散曲线如图6 所示。孔压消散测试深度为7.1 m。由图4 可知，消散时间远大于t50值。初始孔压非最大值，需对初始孔压进行修正，根据时间平方根法，修正后的初始孔压ui为72.7 kPa。为更精确地得出t50值，结合静水压力值，超孔压需消散一半即10.8 kPa，得出t50为1 142 s。

2.3 消散时间t＜t50

消散时间t＜t50时基于时间平方根法的消散曲线如图7所示。孔压消散测试深度为4.35 m。考虑到孔压消散时间过长，节约现场测试时间，此处的消散时间未达到t50值时停止了消散。由于孔压消散减小过程可看成直线，通过该直线延长与超孔压消散一半对应的孔压水平线有一处交点，该交点横坐标即为t50平方根。计算得知，该深度处的t50值为3 856 s。通过时间平方根法可节约现场试验时间，该深度的孔压现场消散时间为2 339 s，而实际需要的消散时间为3 856 s，即节约39%的消散时间。

2.4 原因分析

考虑到本工程为正常固结土，出现非标准消散的主要原因是前期孔压过滤环未充分饱和问题。贯入前安装的过滤环因未充分饱和，从而导致探头贯入至地下水位时，地下水会进入探头处直至饱和，故而此时的孔压会先增大，故而孔压消散试验时先出现孔压增大的现象。当孔压过滤环充分饱和后，孔压才会随时间的消散逐步减小。

2.5 固结系数

基于SULLY时间对数法、时间平方根法［13］及修正t50m法［14］的固结系数值如图8 所示。通过时间平方根法，测试场地的固结系数值为0.01～0.08 cm2/min。基于时间对数法及时间平方根法得出的固结系数值比较接近，而修正t50m法得出的固结系数值较前二者大。以上方法均是对原始数据进行修正，但原理及修正参数不同，时间对数法及时间平方根法是对初始孔压进行修正，而修正t50m法是对t50的修正。