澳门填海区基于CPTU试验的土质分类比较

本文来源：徐威, 郑华文, 陶旭光. 澳门填海区基于CPTU试验的土质分类比较[C]. //第十五届全国工程物探与岩土工程测试学术大会, 2017.

近年来随着国外工程的增多，技术交流也日益增多，CPT/CPTU试验数据的对接成为较为紧迫的问题。笔者所在公司以港澳地区为窗口，通过澳门地区的填海和路桥工程与国外的咨询公司进行交流，是国内第一家引进荷Geomil公司先进的孔压静力触探（CPTU）仪器设备的公司，并结合国内的工程经验进行合理的改进，成功将其应用于澳门地区多个工程项目，积累了较多的经验。本文结合在澳门地区的CPTU应用经验，利用国内和国际上的CPT/CPTU土质分类图分析CPTU试验参数，并划分土层，通过与采取原状土样进行室内试验所划分的土层进行对比来判断两种土质分类图的精细度和准确性。

澳门地区土地资源宝贵，在某填海工程场地进行了大量的现场CPTU试验，并在对应的CPTU测试点位之间布置了取土试样钻孔，用以对比CPTU试验数据。

根据地勘结果显示，场地内主要分布的土层为：表层为灰黄色吹填砂，主要为中粗砂；其下为灰色沉积软黏性土、灰黄色粉质黏土、灰色黏土、砂混黏性土，以及残积土、花岗岩风化层。在场地内选取地层分布较为均匀的一段，进行CPTU试验和钻孔取土室内试验，将二者的土层划分进行对比。

Geomil带孔压静力触探（CPTU）设备主要包括：履带式自动行进车、自动夹具、带孔隙水压力测试的探头、数据自动测试采集系统以及探杆等。

CPTU探头主要包括：锥尖（Cone）、摩擦侧壁（Friction sleeve）、位于锥肩的透水石孔压传感器（Pore pressure filter）。

通过传感器直接测得的指标包括：锥尖阻力q_c（MPa）、侧壁摩阻力f_s（MPa）、孔隙水压力u₂（MPa），以及倾斜度I_c。

探头的主要参数：锥尖顶角为60°，锥尖底截面面积为10cm²，侧壁摩擦筒面积为150cm²，透水石位于锥肩。

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国内使用的双桥探头可根据获得的锥尖阻力qc 和侧壁摩阻力fs 计算出摩阻比Rf，计算公式如下：

R_f=f_s/q_c

然而由于锥尖端面存在压力不平衡效应的影响，对于饱和黏性土，特别是软黏土，在触探深度很大时，q_c值明显减小，f_s值也会发生改变，从而使R_f值产生明显误差。对于这种情况，仅仅采用双桥探头是无法解决的，因此国际上多采用孔压修正后的参数进行土的分类，Robertson(1990)采用归一化的参数，建立了以归一化锥尖阻力Q_t、归一化摩阻比F_r和孔隙水压力比B_q的土的分类图，此分类图将土的种类归于9类：

1. 灵敏细粒土(Sensitive, fine grained)；

2. 有机质土、泥炭(Organic soil-clay)；

3. 黏土-粉质黏土(Clay-silty clay to clay)；

4. 黏质粉土-粉质黏土(Silt mixture-clayed silt to silty clay)；

5. 粉砂-砂质粉土(Sand mixtures-silty sand to sandy silt)；

6. 砂-粉砂(Sands-clean sand to silty sand)；

7. 砾砂-密实砂(Gravelly sand to dense sand)；

8. 极密实砂-黏质砂(Very stiff sand to clayey sand)；

9. 级配良好极密实砂(Very stiff fine grained)。

并且考虑了上覆应力的影响，修正了由测试深度的增加导致的锥尖阻力q_c、侧壁摩阻力f_s和孔隙水压力u₂增大对土的分类的影响，在国际上获得了较好的应用，准确率也可以达到80%以上。归一化的分类图是采用归一化摩阻比F_r～归一化锥尖阻力Q_t进行分类。

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考虑到锥尖阻力受到孔隙水压力影响，进行孔压修正后的锥尖阻力q_t：

q_t=q_c+（1-a）u₂ 

a=A_n/A_c

其中，a为探头的有效面积比；

A_n为探头空心柱截面积；

A_c为锥端截面积。

净锥尖阻力：q_n=q_t-σv₀，其中，σv₀为上覆应力；

归一化的锥尖阻力：Q_t=q_n/σ’v₀

其中，σ’v₀为上覆有效应力，

考虑到孔隙水压力的影响：σ’v₀=σv₀-u₀

其中，u₀为静孔隙水压力，随深度变化。

孔隙水压力比：B_q=Δu/q_n，

其中，Δu为超孔隙水压力，

表达式为：Δu=u₂-u₀。

归一化的摩阻比：F_r=f_s/(q_t-σv₀)×100%。

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在澳门填海工程的CPTU测试过程中，按照以下方法进行操作：

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典型的CPTU直接采集到的数据生成q_c-h关系图、f_s-h关系图、R_f-h关系图、u₂-h关系图。

相邻钻孔采取原状土样进行室内试验，在上部吹填砂层中采用环刀取土器采取砂样，在软黏性土层中采用薄壁取土器静压法取样，在硬黏性土层中采用敞口活阀取土器取样，土样采取后立即进行蜡封保存，运送过程中尽量避免土的扰动。根据室内试验结果，该场地的土层物理性质指标如表所示。

从以上数据分析可以得出：

下面按照归一化的处理原则，将试验获得的锥尖阻力q_c、侧壁摩阻力f_s、孔隙水压力u₂带入归一化方法修正公式，分别求出归一化锥尖阻力Q_t、归一化摩阻比F_r和孔隙水压力比B_q，然后按照临近钻孔地层进行初步的地层分类，在Robertson F_r-Q_t分类图上点绘各个采集到的数据点，分类结果如图所示。

从Robertson分类图上CPTU数据点的分布分析可以得出：

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