基于孔压静力触探的土层分类研究

摘 要：孔压静力触探技术对土体的扰动较小，因此广泛应用于工程地质勘察。本文以某工程场地为研究对象，采用孔压静力触探对地质情况及其土层分布规律进行勘测，得出以下结论：通过孔隙水压力、锥尖阻力和孔压比3种土层分类指标可直观判断土层的分布规律，通过其曲线变化趋势可分析不同地层间的差异。地块1的3种土体分类指标较大，说明土体以黏土为主，地块2的3种土体分类指标较小，说明土体以砂土为主。地块3的土体分类指标曲线变化趋势存在明显的突变点，当深度小于18m时，锥尖阻力曲线变化趋势波动性较大，而孔隙水压力与孔压比曲线变化趋势较为平缓，当深度超过18m时，锥尖阻力曲线的变化趋势较为平缓，而孔隙水压力与孔压比曲线的波动性较大，说明该地块在18m处存在土层界面。

关键词：孔压静力触探；土层分类；土层分类指标

中图分类号：TU 413" 文献标志码：A

孔压静力触探是对静力触探测试技术进行改进得出的一种土层分类技术，该技术对土体的扰动较小，因此广泛应用于工程地质勘察。目前，许多专家学者采用这项技术对工程地质进行勘察工作。

汪晔欢等[1]基于CPTU贯入原理，对浅地层土体的剪切变形特性进行分析，结果表明，该技术可准确识别浅地层土体的地质特性和变形特性，可行性较高。杜宇等[2]基于孔压静力触探测试技术，建立其测试参数，进行室内试验及原位试验，分析该方法的应用效果，结果表明，该方法在获取土层的上覆应力方面仍存在一定的不确定性。林军等[3]以江苏地区土层为研究对象，进行孔压静力触探试验，对其土层进行分类，并将其试验结果与SBT分类方法得出的结果进行对比，结果表明，该地区的土层以软土为主。邱敏等[4]基于层次聚类算法，并结合孔压静力触探技术，对某地区土层进行分类划分，结果表明采用锥尖阻力、孔隙水压力作为划分参数对地层进行划分准确性较高。苗永红等[5]基于模糊隶属度理论，进行CPTU测试，对复杂土层界面的土体进行分类，结果表明，该技术可准确判断土层过渡层的具体位置。

本研究以某工程场地为研究对象，采用车载孔压静力触探测试系统对其地质情况及其土层分布规律进行勘测。

1 工程概况

本研究以某工程场地为研究对象，采用美国Vertek-Hogentogler公司车载孔压静力触探测试系统对地质情况及其土层分布规律进行勘测，该试验场地的土体相关力学性能指标见表1。

2 孔压静力触探基本原理及相关试验指标

孔压静力触探（CPTU）是基于静力触探测试技术（CPT），对其进行改进和发展得出的一种土层原位测试技术，这项技术通过探头锥尖处得出的土层试验指标，对试验指标进行换算，根据试验指标换算结果，对土层进行分类[6]。CPTU技术的探头主要包括探头、过滤器、压力传感器、椎体传感器、摩擦套管和侧斜仪等原件，其探头具有多功能、多参数测试的特点。由于该技术对土体的扰动较小，因此广泛应用于工程地质勘察工作。由于不同土层的孔隙水压力（u2）存在明显的差异性，因此对土体中的薄层、夹层等土层进行识别的结果较为精确。而不同土体类型的锥尖阻力（qt）存在一定的差异性，其中，砂土层的锥尖阻力较大，淤泥质土的锥尖阻力较小，当存在表观相似的土层时，可通过测试其锥尖阻力，根据强度的差异性对土层进行区分。孔压比（Bq）属于土体的综合参数，用于表征土体的力学性能。从以上分析可知，研究主要选择孔隙水压力、锥尖阻力和孔压比作为土层分类指标，对土层和土体参数进行判断，计算过程如公式（1）～公式（3）所示。

u2=Δu+u0" （1）

式中：Δu为超孔隙水压力；u0为静水压力。

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

式中：qc为可测锥尖阻力；a为探头有效面积比。

（3）

式中：σv0为上覆应力。

须对通过CPTU得出的相关试验数据进行处理，更直观地反映不同土层间的差异性。对样本数据进行归一化处理，并设定分类目标，将期望类别转化为向量，并根据newpn（）函数建立分析模型，并判断回代检验分类效果是否符合要求，若满足要求，则利用sim（）进行网络预测，将输出向量转换为指针，选择孔隙水压力、锥尖阻力和孔压比为土层分类指标，对其进行参数归一化处理，输出PNN分类结果与结果的解译。

3 应用分析

为分析孔压静力触探在工程勘察土层分类方面的应用效果，分别以3个地块为研究对象，其中，地块1的CPTU土层分类指标变化曲线如图1所示。由图可知，该地块的3种土体分类指标较大，说明其土体以黏土为主。当深度为7m时，土体的孔隙水压力、锥尖阻力和孔压比均存在突变现象，以上3种参数的数值均呈现减少趋势，说明此处土体性质发生变化，其土层类型存在差异性。当深度小于7m时，3种土层分类指标的数值较大，说明此处的土质力学性能较优且土质较为均匀，无夹杂层现象，该处的土层类型应为均质的黏土层；当深度超过7m时，3种土层分类指标减少趋势显著，说明此处的土体可能存在夹杂层现象且土体的力学性能有所降低，此处的土层类型为粉质黏土与软黏土的夹杂层。当深度为17m时，3种土层分类指标均突然增加，说明此处的土层性质发生突变且物理力学性能较强，为硬夹杂层，此处的土层类型为粉质黏土、黏土和粉质砂土的硬夹杂层。

地块2的CPTU土层分类指标变化曲线如图2所示。与地块1相比，该地块的3种土体分类指标较小，说明土体以砂土为主。根据图2（a）可知，该地块的锥尖阻力变化趋势存在一定的波动性，说明该地块的土层分布不均，有多处夹杂层现象。当深度小于2m时，土体的孔隙水压力和孔压比较小且变化趋势较为平缓，说明此处的土质较为均匀，无夹杂层现象，其力学性能较差，此处的土层类型为粉质黏土。当深度为2.5～4m时，孔隙水压力和孔压比较大，锥尖阻力变化趋势较为平缓，与2m以下的土体相比，此处的土体强度有所提高，土层类型为软黏土。当深度为8～10m时，孔隙水压力和孔压比曲线呈先增后减的趋势且其锥尖阻力变化趋势较为平缓，此处的地层土层类型为黏土。

地块3的CPTU土层分类指标变化曲线如图3所示。该地块的土体分类指标曲线变化趋势存在明显的突变点，当深度小于18m时，锥尖阻力曲线变化趋势波动性较大，而孔隙水压力与孔压比曲线变化趋势较为平缓，当深度超过18m时，锥尖阻力曲线的变化趋势较为平缓，而孔隙水压力与孔压比曲线的波动性较大，说明当深度为18m时，该地块存在土层界面，当深度小于18m时，该地块的土层分布不均，有夹杂层现象，此时，其土层类型主要以粉质黏土和粉土为主。随着深度增加，该地块的土质较为均匀且其力学性能有所提高，此时其土层类型为黏土。当深度为28～30m时，锥尖阻力—深度曲线存在骤升现象，说明此处有夹杂层现象，结合孔隙水压力和孔压比曲线变化趋势可得，该处的土层仍具有一定的强度，说明此处为粉质黏土与黏土的夹杂层。

4 结论

本文以某工程场地为研究对象，采用车载孔压静力触探测试系统对其地质情况和土层分布规律进行勘测，得出以下结论：1）对地块1来说，当深度小于7m时，3种土层分类指标的数值较大，说明此处的土质力学性能较优且土质较为均匀，无夹杂层现象，此处的土层类型应为均质的黏土层；当深度超过7m时，3种土层分类指标减少趋势显著，此处的土层类型为粉质黏土与软黏土的夹杂层。2）对地块2来说，其锥尖阻力变化趋势存在一定的波动性，说明该地块的土层分布不均，有多处夹杂层现象。3）对地块3来说，当深度超过18m时，锥尖阻力曲线的变化趋势较为平缓，而孔隙水压力与孔压比曲线的波动性较大，说明当深度为18m时，该地块存在土层界面，当深度小于18m时，该地块的土层分布不均，有夹杂层现象，此时，其土层类型主要以粉质黏土和粉土为主。

参考文献

[1]汪晔欢，王勇，孔令伟，等.基于原位多功能孔压静力触探的含浅层气地层识别与应用[J].岩土力学，2022，43（12）：3474-3483.

[2]杜宇，刘松玉，祝刘文，等.基于孔压静力触探试验的水运工程土分类方法研究[J].岩土力学，2022，43（5）：1353-1363.

[3]林军，刘松玉，程月红，等.基于孔压静力触探的江苏地区软土分类研究应用[J].岩土工程学报，2021，43（增刊2）：241-244.

[4]邱敏，宋友建，丛璐，等.基于层次聚类算法的孔压静力触探土体分类方法及试验研究[J].水文地质工程地质，2019，46（3）：117-123.

[5]苗永红，张新，张发祥，等.基于模糊隶属度的孔压静力触探技术分析复杂土层界面[J].济南大学学报（自然科学版），2018，32（5）：349-356，361.

[6]加瑞，赵栋.密度孔压静力触探的测试理论和工程应用综述[J].工程地质学报，2022，30（1）：270-280.