基于自鉆式旁壓試驗的黏性土孔壓變化研究

曹 權(quán)，柴壽喜，施建勇，亓 樂，王 沛

（1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098；2.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，南京 210098；3.天津城市建設(shè)學(xué)院土木工程系，天津 300384；4.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384）

基于自鉆式旁壓試驗的黏性土孔壓變化研究

曹 權(quán)1，2，柴壽喜3，4，施建勇1，2，亓 樂1，2，王 沛3，4

（1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098；2.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，南京 210098；3.天津城市建設(shè)學(xué)院土木工程系，天津 300384；4.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384）

土孔隙水壓力的準(zhǔn)確測量有助于清楚地認(rèn)識加壓過程中孔隙水壓力的變化規(guī)律，對工程實踐具有重要的指導(dǎo)意義。劍橋自鉆式旁壓儀是英國Cambridge Insitu公司生產(chǎn)的一種先進(jìn)的原位測試儀器，能夠在加壓過程中準(zhǔn)確測量土的孔隙水壓力。通過對兩類土性相差較大黏性土的自鉆式旁壓試驗及孔隙水壓力的數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為：在加荷過程中，軟黏性土的有效應(yīng)力呈單調(diào)增大趨勢，產(chǎn)生的孔隙水壓力先增大，后減?。挥拆ば酝林挟a(chǎn)生的孔隙水壓力變化幅度明顯小于軟黏性土，但其孔隙水壓力的絕對值要比后者大得多。上述分析結(jié)果表明土的強度和剛度是影響孔隙水壓力變化的重要因素。

孔隙水壓力；自鉆式旁壓試驗；原位測試；黏性土

土的孔隙水壓力是土力學(xué)中的一個基本參數(shù)，準(zhǔn)確地測量其在不同荷載下的變化對于分析土的穩(wěn)定與變形具有重要作用。自從Terzaghi提出著名的有效應(yīng)力原理以來，受到許多學(xué)者的重視并做了大量的研究。Skempton首先提出了大家熟知的孔隙水壓力方程［1］，Bishop將其應(yīng)用到工程實例中［2］，曾國熙提出了以應(yīng)力不變量表達(dá)的孔隙水壓力方程（適宜于飽和黏土應(yīng)用）［3］。上述孔隙水壓力方程中的孔隙水壓力參數(shù)是由室內(nèi)三軸壓縮試驗獲取的。然而，土的孔隙水壓力參數(shù)不僅與土的應(yīng)力應(yīng)變有關(guān)，還受到應(yīng)力路徑、固結(jié)狀態(tài)和應(yīng)力水平等因素的影響，此外，還受土樣的應(yīng)力釋放、取樣質(zhì)量、室內(nèi)試驗條件等方面的影響。在當(dāng)前的技術(shù)水平下，較準(zhǔn)確的孔隙水壓力數(shù)值宜依靠現(xiàn)場實測獲得［4，5］。

1 孔隙水壓力的原位測試方法比較

兩種原位測試方法能直接測量土的孔隙水壓力，一種是孔壓靜力觸探試驗（CPTU），另一種是自鉆式旁壓試驗（SBPMT）［6，7］。兩者的測試重點不同，前者主要記錄錐頭貫入土中時的孔隙水壓力，反映土層中某一點在某一壓力作用下瞬間的孔隙水壓力值；后者主要測量選定試驗段在不同荷載作用下孔隙水壓力的變化情況。本文采用自鉆式旁壓試驗測量現(xiàn)場孔隙水壓力及變化。

旁壓試驗分為自鉆式和預(yù)鉆式兩種。自鉆式旁壓試驗是上世紀(jì)70年代在國際上興起的，目前國內(nèi)大多采用預(yù)鉆式旁壓試驗。盡管自鉆式旁壓儀在費用和操作難度上都較預(yù)鉆式旁壓儀高，但由于采用了自鉆技術(shù)，降低了對被測試土的擾動。因此，其試驗結(jié)果的利用價值無論在科研上還是在生產(chǎn)實踐中都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)鉆式旁壓試驗。目前許多國家都采用自鉆式旁壓試驗數(shù)據(jù)推導(dǎo)土的基本性質(zhì)指標(biāo)［8］。自鉆式旁壓試驗有以下優(yōu)點：①試驗的邊界條件相對容易確定；②試驗?zāi)芡瑫r測得應(yīng)力和應(yīng)變的變化過程；③造孔采用自鉆技術(shù)，最大限度地降低了對土的擾動，保證了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。由自鉆式旁壓試驗可以推算下列參數(shù)［9］：總原位水平應(yīng)力（P0）、不排水抗剪強度（Cu）、剪切模量（G）、水平向固結(jié)系數(shù)（Ch）；對于砂土，還能測出平面應(yīng)變下抗剪強度的內(nèi)摩擦角（φ'ps）和剪脹角（υ）。

2 測試儀器

試驗采用英國Cambridge Insitu公司生產(chǎn)的劍橋MKVIIId三臂自鉆式旁壓儀，它對周圍土體施加的最大壓力為4 MPa，探頭能從初始的腔直徑83 mm膨脹到直徑91 mm，位移測量精度可達(dá)1μm，最小加壓單位是1 kPa，最大設(shè)計鉆進(jìn)深度為100 m。

劍橋自鉆式旁壓儀由自鉆探頭（含測試系統(tǒng)）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。探頭是系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，所有測試數(shù)據(jù)都由安裝在其內(nèi)部的傳感器采集并通過多芯線纜傳輸?shù)降孛娼邮掌魃?；?shù)據(jù)采集系統(tǒng)由電子箱、應(yīng)變控制器、數(shù)據(jù)采集器等組成；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過專門軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。整個工作系統(tǒng)見圖1。

圖1 劍橋自鉆式旁壓儀系統(tǒng)工作示意圖Fig.1 Sketch of Cambridge self-boring pressuremeter system

旁壓儀探頭長1.2 m，直徑83 mm。0.5 m長的膨脹腔在干氮氣加壓下膨脹，最大徑向位移約為初始直徑的10%。覆蓋探頭中部的膜設(shè)有內(nèi)外兩層：內(nèi)層是封閉層，厚1.25 mm，由聚氨酯材料組成；外面罩有一層保護(hù)“鎧”，由一系列不銹鋼窄條附在橡皮上，起減小鉆入阻力和保護(hù)內(nèi)膜的作用。膜的徑向位移由3個觸臂狀電測傳感器測定，3個傳感器分布在一個平面上，間隔120°分布；在膨脹膜上還裝有2只孔隙水壓力傳感器，間隔180°分布，它隨膜一起擴張，保持與土直接接觸，可測出孔隙水壓力。此外，膜內(nèi)還有一個傳感器用來測定施加的總壓力。圖2為劍橋自鉆式旁壓儀探頭的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 自鉆式旁壓儀探頭結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Configuration of self-boring pressuremeter probe

自鉆式旁壓試驗包括4個階段［10］：①自鉆完成試驗區(qū)段；②對探頭膨脹腔加壓；③進(jìn)行加荷—卸荷循環(huán)，形成回滯圈；④完全卸荷。試驗中，連續(xù)自動記錄加荷過程中土的孔隙水壓力變化。

3 測試概況和結(jié)果分析

3.1 地層描述

選用2個試驗段為研究對象，均為黏性土。B2T2試驗段為低強度、高壓縮性的軟土；B20T3試驗段為高強度、低壓縮性的硬土，土的基本指標(biāo)見表1。

選用這2個土性相差較大的試驗段，目的是研究孔隙水壓力的影響因素，并進(jìn)行對比分析。

3.2 測試過程

（1）探頭自鉆測試區(qū)段后，靜置30 min，使鉆進(jìn)中產(chǎn)生的超孔隙水壓力恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）采用小增量的應(yīng)力控制加荷方式施加膨脹壓力；當(dāng)壓力超過土的屈服壓力時，改為應(yīng)變控制加荷方式，確保初始階段和塑性變形階段均能采集更多的試驗數(shù)據(jù)。

（3）在加荷過程中應(yīng)保持應(yīng)變速率在每分鐘的應(yīng)變?yōu)?%，這個速率可保證受荷的黏性土處于不排水壓縮狀態(tài)。

（4）在進(jìn)行加荷—卸荷循環(huán)時，卸荷值應(yīng)與被測試土的剪切強度相當(dāng)，保證加荷—卸荷循環(huán)處于彈性變化范圍內(nèi)。

（5）當(dāng)徑向應(yīng)變達(dá)到10%時，可完全卸荷。（6）當(dāng)腔內(nèi)壓力降至零時，試驗即可終止。

3.3 試驗結(jié)果分析

計算出的土性指標(biāo)見表2?？倝毫Γ行毫εc徑向位移關(guān)系、總壓力／孔隙水壓力與徑向位移關(guān)系、孔隙水壓力與總壓力關(guān)系，見圖3至圖5。

圖3 兩試驗段總壓力／有效壓力與徑向位移關(guān)系曲線Fig.3 Total pressure or effective pressure vs radial displacement for B2T2 and B20T3 test segments

表1 試驗段的土性指標(biāo)Table 1 Description of soil characteristics indexes for test phases

表2 自鉆式旁壓試驗部分成果Table 2 Some results of self-boring pressuremeter test

圖4 兩試驗段總壓力／孔隙水壓力與徑向位移關(guān)系曲線Fig.4 Total pressure or pore water pressure vs radial displacement for B2T2 and B20T3 test segments

圖5 兩試驗段孔隙水壓力與總壓力關(guān)系曲線Fig.5 Pore water pressure vs total pressure for B2T2 and B20T3 test segments

從圖3中看出，隨著總壓力的增大，黏性土的有效應(yīng)力呈增大趨勢，但2類土中有效應(yīng)力增長幅度差別較大。B2T2軟土的有效應(yīng)力增長較快，而B20T3硬土的增幅較??；在完全卸荷階段，B2T2軟土的總應(yīng)力曲線和有效應(yīng)力曲線基本重合，而B20T3硬土的2條應(yīng)力曲線則保持一定距離，近似平行分布。根據(jù)有效應(yīng)力原理，認(rèn)為軟土在加荷過程中產(chǎn)生的孔隙水壓力變化幅度較大，硬土變化較小，但硬土產(chǎn)生的孔隙水壓力的絕對值要比軟土大得多。這一點在圖4中有直觀的反映。

B2T2的軟土在總壓力為230 kPa時產(chǎn)生了56 kPa的最大孔隙水壓力，此時膜的徑向位移是1 mm；B20T3的硬土在總壓力為762.5 kPa時產(chǎn)生了540 kPa的最大孔隙水壓力，此時膜的徑向位移是1 mm。由此可見，在加荷過程中硬土不僅比軟土具有更強的承受外載能力，而且還有更強的抵抗土內(nèi)積聚的孔隙水壓力的能力。

為了更加清晰地反映加荷過程中孔隙水壓力的變化，將圖5中的數(shù)據(jù)點剔除了加荷—卸荷循環(huán)和完全卸荷階段的測試數(shù)據(jù)，予以說明。

由圖5看出：在加荷過程中，土的孔隙水壓力并不隨總壓力的增加而單調(diào)增加，而是在達(dá)到一個峰值后逐漸減??；從變化幅度上看，硬黏性土中孔壓最大值與最小值之差與最大值的比值為63%，而軟黏性土中達(dá)到100%，硬黏性土中孔壓變化幅度明顯比軟黏土中小。

黏性土在加荷過程中孔隙水壓力先增加，達(dá)到峰值后逐漸下降，但在軟土和硬土中的具體分布情況又有所不同，土的有效應(yīng)力在加荷過程中呈單調(diào)增加的趨勢。對正常固結(jié)飽和黏土，在加荷開始階段剪切變形很小，體積變形主要為靜水壓力所致，以后剪切力才開始明顯引起土的壓縮，且孔隙水壓力近似線性地隨剪切力呈平方倍數(shù)增加。接著，土不因剪切力的增大而發(fā)生體積壓縮，而是體積不變或轉(zhuǎn)入膨脹狀態(tài)，即孔隙水壓力不變或減小，這時可認(rèn)為土進(jìn)入損壞階段［11～13］。B20T3的硬土無論在強度還是剛度上都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于B2T2的軟土，具有更高的抗剪強度，所以在加荷過程中，硬土能承擔(dān)更大的剪切力，并能較長時間地維持高孔隙水壓力，使孔隙水壓力變化幅度較小；與此相反，軟土由于強度和剛度都較小，抗剪強度低，在一定的剪切力作用下逐漸發(fā)生剪切破壞，降低了土的整體強度，增加了土的排水通道，所以軟土不能承受高孔隙水壓力，且在發(fā)生剪切破壞后孔隙水壓力從峰值快速下降。顯然，土性的差異直接影響了土的孔隙水壓力變化。

Fernando Schnaid認(rèn)為加荷過程中孔隙水壓力的變化取決于土的剛度和OCR［14］；M.D.Bolton、R.W.Whittle和C.P.Wroth認(rèn)為孔隙水壓力在一定范圍內(nèi)隨總應(yīng)力的增大而增大，其變化與土的不排水強度、剪切變形和彈性指標(biāo)有關(guān)［15，16］；Hai-Sui Yu運用腔室膨脹理論、臨界土力學(xué)原理進(jìn)行理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬，得出超孔隙水壓力隨總應(yīng)力的增大而增大，達(dá)到一定值后隨應(yīng)變的增大而降低。由此可見，本次試驗的分析結(jié)果與國外學(xué)者的研究成果是一致的。

4 結(jié)論

（1）黏性土在連續(xù)加荷過程中，有效應(yīng)力呈單調(diào)增加的趨勢，土的孔隙水壓力先隨總壓力的增加而增加；在達(dá)到一個峰值后，隨總壓力的增加逐漸減小。

（2）黏性土的強度和剛度影響著土的孔隙水壓力變化。強度大、剛度高的硬土具有更高的抗剪強度，在加荷過程中，硬土能承擔(dān)更大的剪切力，并能較長時間地維持高孔隙水壓力，使孔隙水壓力的變化幅度減小；與此相反，軟土強度和剛度都較小，抗剪強度低，在一定的剪切力作用下逐漸發(fā)生剪切破壞，降低了土的整體強度，增加了土的排水通道，所以軟土不能承受高孔隙水壓力，且在發(fā)生剪切破壞后孔隙水壓力從峰值快速下降，使孔隙水壓力的變化幅度增大。

（3）本次試驗的結(jié)果與國外學(xué)者的相關(guān)研究成果是一致的，說明采用自鉆式旁壓試驗采集土的現(xiàn)場孔隙水壓力數(shù)值是準(zhǔn)確可信的。

［1］ SKEMPTON A W.The Pore-pressure Coefficients Aand B［J］.Geotechnique，1954，4（4）：143-147.

［2］ BISHOP A W.The Use of Pore-pressure Coefficients in Practice［J］.Geotechnique，1954，4（4）：148-152.

［3］ 王鐵儒，陳龍珠，李明逵.正常固結(jié)飽和黏性土孔隙水壓力性狀的研究［J］.巖土工程學(xué)報，1987，9（4）：23-32.

［4］ 錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算（第二版）［M］.北京：中國水利水電出版社，1996.

［5］ 龔曉南.高等土力學(xué)［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，1996.

［6］ JOSEPH E B.Foundation Analysis and Design［M］.Washiongton：McGraw-Hill Company，Inc.，1996.

［7］ 劉松玉，吳燕開.論我國靜力觸探技術(shù)（CPT）現(xiàn)狀與

發(fā)展［J］.巖土工程學(xué)報，2004，26（4）：553-556.

［8］ YU H S.Cavity Expansion Methods in Geomechanics［M］.London：KLUWER ACADEMICPUBLISHERS，2000.

［9］ Working Instructors of Cambridge Self Boring Pressuremeter［R］.Cambridge：Cambridge Insitu Ltd，2005.

［10］JEFFERIES M G.Determination of Horizontal Geostatic Stress in Clay with Self-bored Pressuremeter［J］.Canadian Geotechnical Journal，1988，25：559-573.

［11］錢壽易，符圣聰.正常固結(jié)飽和黏性土孔隙水壓力［J］.巖土工程學(xué)報，1988，10（1）：1-7.

［12］蔡 羽，孔令偉，郭愛國，等.剪應(yīng)變率對湛江強結(jié)構(gòu)性黏土力學(xué)性狀的影響［J］.巖土力學(xué)，2006，27（8）：1235-1240.

［13］曹文貴，張 升，趙明華.飽和土變形過程模擬的統(tǒng)計損傷方法研究［J］.巖土力學(xué)，2008，29（1）：13-17.

［14］SCHNAID Fernando.Geo-characterisation and Properties of Natural Soils by in Situ Tests［C］∥Proceedings of the 16th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering，Rotterdam Netherlands：Millpress Scienec Publishers，2005，5：1-45.

［15］BOLTON M D，WHITTLE R W.A Non-linear Elastic／Perfectly Plastic Analysis for Plane Strain Undrained Expansion Tests［J］.Geotechnique，1999，49（1）：133-141.

［16］WROTH C P.The Interpretation of in Situ Soil Tests［J］.Geotechnique，1984，34（3）：449-489.

Study on Changes in Pore-water Pressure of Clays Based on Self-boring Pressuremeter Test

CAO Quan1，2，CHAI Shou-xi3，4，SHI Jian-yong1，2，QI Le1，2，WANG Pei3，4

（1.Key Laboratory of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Geotechnical Research Institute，Hohai University，Nanjing 210098，China；3.Department of Civil Engineering，Tianjin Institute of Urban Construction，Tianjin 300384，China；4.Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，Tianjin 300384，China）

During the loading，a high precision measurement of pore water pressure is helpful to understand explicitly the rule of changes of pore water pressure in clays，and plays an important role in instructing the engineering practices.The Cambridge self-boring expansion pressuremeter manufactured by Cambridge Insitu Companly in British is an advanced site investigation device.By means of tests，the instrument provides accurate information about pore water pressures during pressing.Two different types of clays are tested with the self-boring pressuremeter，and in situ data about pore water pressure are analyzed.The test results show that during the loading phase，an effective stress in clays increases monotonically，while pore water pressure generated increases at the starting，and then decreases.Beside that，the amplitude of pore water pressure accumulated in a stiff clay is lower than at in a soft clay；however，the absolute value of pore water pressure of former is further higher than that of the latter，which indicates that the strength and stiffness of clays are important influence factors to the changes of pore water pressure.

pore water pressure；self-boring pressuremeter test；in-situ test；clay

TU413.7

A

1001-5485（2009）07-0029-04

2008-03-15

天津市建設(shè)管理委員會科技計劃項目（2006-46）

曹 權(quán)（1970-），男，安徽安慶人，高級工程師，博士研究生，國家注冊土木工程師（巖土），主要從事土的原位測試研究，（電話）13276649292（電子信箱）caoquan＠hhu.edu.cn。

（編輯：劉運飛）