基于CPTU的临海高等级公路软土固结系数的探求方法研究

蔡二伟

摘要：土的固结系数是软土地基变形分析和软土地基加固设计的关键参数，本文简要介绍了利用CPTU试验资料在临海高等级公路探求地基土固结系数的方法。结合临海高等级公路CPTU试验进行了实例计算，试验结果表明，现场所得的固结系数较室内试验的固结系数大十到几十倍，更接近工程实际，对软基的处理设计起很好的技术支撑。

关键词：孔压静力触探，固结系数，孔压消散试验

1 前言

临海高等级公路地处江苏省沿海地区东部，在沿海高速以东邻近海岸线自北向南串联连云港、盐城、南通三市东部地区。由于沿线软土分布广泛且厚度比较大，而且临海高等级公路将来交通量大，重载车辆较多，软基长期沉降问题不容忽视，因此研究软土沉降问题是一重要课题。

固结系数是表征土体流变和固结特性的参数之一，传统的固结系数获取方法依赖于原状土的室内试验结果，然而受到土样扰动、边界条件改变、尺寸效应以及土体各向异性等因素的影响，同时室内试验具有固有的试验周期长、代价高等缺点。本文简要介绍了利用CPTU试验求解地基土固结系数的理论方法，并以应变路径理论模型为例，详细叙述了利用CPTU试验资料探求地基土固结系数的方法，并结合临海高等级公路的CPTU试验进行了实例计算。

2 孔压消散试验的测试技术

原位试验所用孔压静力触探仪为美国原装多功能数字式车载CPTU系统，配备了最新的功能测试探头。

在测试之前，CPTU压力传感器在室内由压力标定设备进行标定。为了得到准确的孔压反应，孔压传感器元件和探头必须脱气饱和。具体做法是先把过滤器和探头在密闭容器内用真空泵抽真空，然后灌入硅油继续抽真空，整个过程至少持续4～8小时。然后储存在含有100%甘油真空容器中至少24小时以确保饱和。

3 室内试验

3.1 取样方法和试验种类

未扰动土样通过固定活塞式薄壁取土器在路堤施工之前，沿深度每m的间隔进行取样。谢尔贝薄壁取样器从钻孔中提出后，在地面上立即进行封蜡保存。

3.2 水平固结系数ch的测试

因为常规固结仪仅仅允许竖向排水，因此不适于ch的测试。如果采用竖向修剪的土样（例如，切削横截面平行于土样的轴线），固结仪也能够用于测试ch值。但是这个方法ch值测试是不可靠的。从两个固结仪试验得到的结果比较，一个为土样水平向切削，另一个为竖直向切削，试验采用的土样均来自于相同的取样器。

3 利用CPTU求取软粘土的固结系数

本文基于Baligh和Levadoux的理论[3]，采用实测曲线与理论曲线拟和的方法，对现场实测超静孔压消散曲线进行理论拟和：

⑴原始试驗资料的选择

对于正常固结或欠固结的软土，在停止贯入之后其孔隙水压力应当随时间变化而逐渐降低。然而在实际测试过程中，由于探头饱和等因素的影响，部分实测曲线的孔隙水压力在开始消散的相当长时间内在上升，而后才逐渐下降，即出现了所谓的“消峰滞后”现象，这样的资料不能用于计算。

⑵绘制理论消散曲线

以时间因数T值为横坐标，并采用对数坐标形式，以某一时刻的超孔隙水压力值与停止贯入瞬时所测的该深度最大超孔隙水压力值的比值为纵坐标作图，由此得到理论消散曲线。

⑶绘制实测归一化消散曲线

以时间t为横坐标，并采用对数坐标形式，以归一化孔压U为纵坐标作图得到U-logt归一化孔压消散曲线。

⑷决定时间因数T

将实测的归一化孔压消散曲线与理论消散曲线进行比较，使二者尽可能在U=0.3～0.8一段拟和，在拟和最好的一根理论曲线上，按时间因数比例尺确定各消散水平的时间因数T。

⑸Ch值的计算

确定固结系数Ch，时间因数T及时间t是与某个消散水平相对应的，各不同的消散水平都有各自的T和t。通常以消散水平为0.5的固结系数作为设计参数。

4 工程实例

4.1场地概况

临海高等级公路不良地质与特殊性土主要为1-2层软土与2-2层软土。根据钻探、原位测试等勘察资料显示，该段地层由上至下大致可分为：

1层素填土：土性以粉土、粉质粘土为主，灰黄色，粉土表现为稍湿，稍密，粘性土可塑～软塑状态，一般厚度0.5～3.6m。

1-1 层粉质粘土：灰黄色～灰色，可塑为主，土质较均，局部地段为粉土层，具中偏高～中等压缩性。一般厚度0.5～4.5m。

1-2层淤泥、淤泥质粉质粘土：灰褐色～灰色，流塑，局部软塑，土质不均，局部地段夹粉砂、高压缩性。厚度0.6～18.9m。

2-1 层粉土（砂）：灰色～灰黄色，湿，局部很湿（饱和），稍密～中密为主，夹粘土薄层，最大揭露厚度21.6m。

2-2层淤泥质粉质粘土：局部为软粘土，黄褐色～灰色，流塑，含粉砂薄层，具高压缩性；层厚2.4～10.0m。

此次孔压静探试验位于临海高等级公路典型断面K118，现场共做CPTU消散位置3个，深度分别为10.80 m、12.75 m和15.0 m，孔压消散位置均在1-2层淤泥、淤泥质粉质粘土与2-2层淤泥质粉质粘土。

4.2试验结果分析

为了更好地确定土层的固结系数，做了大量的室内固结试验，并与CPTU超孔压消散试验的估算值作了比较。室内试验采用时间平方根法确定土层的竖向固结系数Cv。具体比较结果见表1。

由表1看出，在淤泥、淤泥质粉质粘土中，CPTU测定的Ch值在（2.83～9.34）×10-3cm2/s范围内，而室内试验测定的Cv值在（0.24～1.46）×10-3cm2/s之间，二者相差1～2个数量级。由表也可看出，CPTU测定的Ch值变化范围较室内试验所得的固结系数变化范围要小，而室内试验所得的固结系数则较为分散，这与国内外其他学者的研究成果相一致。CPTU测定的Ch值变化幅度很小，与现场沉降观测资料反演的固结系数值很接近。实际工程中，一般规范是以室内固结系数为准，因此采用CPTU测定的固结系数提供设计参数时，需乘以一定的系数进行修正，这个系数可通过统计CPTU测试结果、室内试验结果以及现场沉降观测资料反演结果给出。

5 结束语

对于临海高等级公路的淤泥、淤泥质粉质粘土来说， CPTU测得的Ch值比室内试验测定的Cv值大1～2个数量级，为软基的处理设计提供更加准确的设计参数。本次试验的计算结果表明，在淤泥、淤泥质粉质粘土内，CPTU测得的Ch值的变动范围较室内Cv值的变动范围小，与现场沉降观测资料反演的固结系数值很接近。采用CPTU测定的固结系数为实际工程提供参数时，需乘以一定的系数进行修正，这样更能接近工程实际。

参考文献

1.Head K H. Manual of soil laboratory testing， 1986.Vol. 3， Pentech Press， London.

2.Baligh， M.M. and Levedoax， J.N.（1986） “Consolidation After Undrained Piezozone Penetration， Ⅱ： Interpretation ” ，Journal of Geotechnical Engineering， ASCE， 112（7） 727-745

3.Baligh， M.M. （1985） “Strain path method ” ，Journal of Geotechnical Engineering， ASCE， 111（GT9） 1108-36