多功能孔壓靜力觸探在基坑工程降水設(shè)計中的應(yīng)用分析

童立元，劉松玉，鄭燦政，楊溢軍，王道綱

（1.東南大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 南京 210008；2.蘇州軌道交通集團(tuán)有限公司，江蘇 蘇州 215000）

1 引 言

滲透系數(shù)是基坑工程降水設(shè)計的基本參數(shù)，實際工程中，由于對土層滲透系數(shù)的提供或選用不當(dāng)導(dǎo)致設(shè)計不合理，進(jìn)而發(fā)生降水效果不理想或坑壁坍塌、坑底涌砂、周邊地面沉降過大等事故的案例并不少見，不僅影響基坑土方的開挖，而且會危及臨近建筑物或地下管線的安全使用。目前，滲透系數(shù)通常由室內(nèi)常水頭或變水頭滲透試驗測定，重要工程輔以現(xiàn)場的抽水試驗或根據(jù)地面沉降觀測資料進(jìn)行反算。但由于受鉆探、取樣、室內(nèi)試驗復(fù)雜過程的擾動影響，加之小塊樣品不能反映土層宏觀結(jié)構(gòu)、軟黏土和砂土原狀試樣難以取得等多方面因素，導(dǎo)致室內(nèi)試驗結(jié)果與實際情況存在較大偏差，當(dāng)?shù)鼗杏休^多薄砂層或軟弱夾層時，誤差更大；抽水試驗雖然能更準(zhǔn)確地反映土層的綜合滲透性能，但技術(shù)要求高、周期長、成本高；基于實測資料的反分析方法受制于復(fù)雜的工況條件和邊界條件及實測資料的可靠性，反演結(jié)果不甚理想[1-2]。

地震波孔壓靜力觸探（簡稱SCPTU）作為一種簡捷、連續(xù)、方便、可靠的新型原位測試技術(shù)[3]，測試過程中能比一般雙橋靜力觸探多量測出土的孔壓參數(shù)，還能夠在預(yù)定深度停止貫入進(jìn)行孔壓消散試驗和地震波試驗，并由此求取土層的固結(jié)系數(shù)和滲透系數(shù)。本文以南京長江四橋南錨碇深基坑場地為例，對長江下游漫灘沉積土進(jìn)行了室內(nèi)試驗和SCPTU 原位測試，對SCPTU 應(yīng)用于場地復(fù)雜地層的精細(xì)劃分、長江漫灘沉積黏性土透水性能的評價和預(yù)測滲透系數(shù)kh幾個方面進(jìn)行了詳細(xì)分析，并比較了滲透參數(shù)確定方法的差異性，為場地錨碇基坑降水設(shè)計提供了參考。

2 試驗場地概況

試驗場地位于長江下游漫灘區(qū)，第四系覆蓋層厚度約50～60 m，主要由粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土和礫石組成。由于沉積過程中的環(huán)境變化，漫灘區(qū)廣泛分布有黏土、粉土和砂土的混合物，在空間上表現(xiàn)出極大的不均勻性，位置相差不遠(yuǎn)的土樣顆粒分布往往就有大的變化。

研究區(qū)典型的沉積物剖面顯示土層的二元結(jié)構(gòu)，淺部為細(xì)粒土（黏土或粉砂土），其下為粗粒土（砂土和礫石）。由于復(fù)雜的沉積歷史，二元結(jié)構(gòu)中往往存在一個由互層的粉砂粉土和黏土組成的過渡區(qū)。試驗場地從上至下分布有粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（局部缺失）、粉砂、砂土和礫石。特別需要指出的是，土層中分布有較多的薄夾層或不明情況的土層界面，黏土或粉砂薄層、透鏡體等的存在，導(dǎo)致土層的精細(xì)描述比較困難。圖1 展示了場地典型剖面的顆粒組成、動力觸探（SPT）、含水率（塑限含水率Wp，自然含水率Wn，液限含水率W1）、液塑限、孔隙比（e0)和超固結(jié)比（OCR），其中OCR的數(shù)值變化反映場地土層處于正常固結(jié)-輕微超固結(jié)狀態(tài)，場地淺層的重超固結(jié)狀態(tài)（OCR=4～7）為人工活動及氣候等因素形成，深部的輕微超固結(jié)是由于年代因素和剝蝕因素造成。

圖1 試驗場地土層主要物理性質(zhì)指標(biāo)和應(yīng)力歷史狀態(tài)Fig.1 Main physical indexes and stress histories of soil at testing site

3 試驗方法與試驗結(jié)果分析

3.1 試驗設(shè)備及方法

本文 SCPTU 試驗采用原裝進(jìn)口美國Vertek-Hogentogler 公司產(chǎn)200 kN 的地震波孔壓靜力觸探儀，探頭規(guī)格符合國際通用標(biāo)準(zhǔn)(ASTM 5778)，探頭錐底面積為10 cm2，錐角為60°，摩擦套筒面積為150 cm2；孔壓元件（厚5 mm）位于錐肩位置（u2）；探頭內(nèi)置溫度傳感器和測斜傳感器，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的溫度修正及傾斜修正；探頭內(nèi)置小型地震檢波器用來測量剪切波速Vs。試驗時，以2 cm/s 的速度貫入，地震剪切波速在每隔1 m 靜力觸探貫入換桿暫停時采集數(shù)據(jù)。試驗孔數(shù)為8 個，均位于勘探孔附近(見圖2），與原有勘探孔水平距離控制在1～2 m 左右。

圖2 長江四橋南錨碇SCPTU 測試孔布置示意圖Fig.2 Location of SCPTU tests in the south anchor site of the Nanjing Fourth Bridge

3.2 應(yīng)用SCPTU 對長江漫灘沉積土層進(jìn)行精細(xì)劃分的分析

SCPTU 試驗結(jié)果如圖3 所示。各測試參數(shù) qt，fs和 u2表現(xiàn)出一定的一致性，而且可以明顯分成2組：S02，S03，S07，S08 4 個孔表現(xiàn)一致（組1），S01，S04，S05，S06（組2），經(jīng)與鉆孔記錄比較，發(fā)現(xiàn)組1 在16～22 m 深度遇到粉質(zhì)黏土，而組2在該深度遇到的為粉砂夾粉土。

從圖中各試驗曲線的重疊圖還可以看出，各孔測試參數(shù)錐尖阻力 qt、側(cè)壁摩阻力fs、孔壓u2沿深度剖面均有不同程度的變化，錐尖阻力試驗曲線上高頻率出現(xiàn)的“尖突”和孔壓u2試驗曲線出現(xiàn)的反方向“下突”，表明在粉質(zhì)黏土層中出現(xiàn)較多的粉砂或粉土夾層，而粉砂、粉土層中黏土或粉質(zhì)黏土夾層的出現(xiàn)，通過高的超孔隙水壓力反映出來。這些透水或不透水的層間夾層或小的層面變化在場地各試驗孔中均間續(xù)出現(xiàn)，而在勘探孔標(biāo)貫等試驗曲線中并不能有效反映或在鉆孔柱狀圖中出現(xiàn)遺漏。

目前，國內(nèi)通常采用的雙橋靜力觸探，雖然可以利用錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力指標(biāo)劃分土層，但受臨界深度效應(yīng)的影響，分層精度也并不太高。而通過孔壓靜力觸探，結(jié)合孔壓等指標(biāo)劃分土層，可以提高其精度，特別是對于薄夾層精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的靜力觸探（見圖4、5），以試驗孔S05為例，對其25～30 m 深度范圍進(jìn)行精細(xì)劃分，可以通過 qt和u2曲線看出該段黏性土層內(nèi)至少存在4 個粉砂或粉土薄夾層(25.8～26.2、26.8～27.1、27.8～28.2、29.3～29.6 m），層厚約30～40 cm，而鉆孔柱狀圖往往只能粗略表示。

綜上分析，利用孔壓靜力觸探錐肩位置厚度僅5 mm 的孔壓元件測試得到的孔壓u2的敏感性，可以對長江漫灘沉積土進(jìn)行精細(xì)的劃分，準(zhǔn)確的分辨出不同性質(zhì)的土層界面或同一土層中的夾層分布情況（黏性土層中的粉砂、粉土夾層或無黏性土層中的粉質(zhì)黏土夾層），而當(dāng)這些透水或不透水夾層累積到一定厚度后對土層的滲透性能將產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而改變地下水的流態(tài)，在基坑開挖降水過程中，忽略這些夾層或界面，可能會造成一些工程事故，如增加沿軟弱界面滑動、阻礙或增加黏土固結(jié)速率的可能性。因此，應(yīng)用SCPTU 對具有高度分層特性、高度各向異性的長江漫灘沉積土進(jìn)行精確分層，對于基坑降水設(shè)計具有重要意義。

圖4 基于SCPTU 的場地土層劃分示意圖(S05 孔,Robertson &Campanella 分類法,1986)Fig.4 Illustrative profiles of soil classification(borehole S05 used by Robertson &Campanella method(1986)

圖5 試驗孔S05 地層精確劃分示例(深度25～30 m)Fig.5 Precise division of the S05 formation in the experimental hole at the depth 23-30 m of S05

3.3 長江漫灘沉積黏性土透水性能的評價(40 m以前)

以往，對長江漫灘沉積土層的勘察中，對40 m以淺出現(xiàn)的粉質(zhì)黏土或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，多根據(jù)室內(nèi)滲透試驗結(jié)果，認(rèn)為其滲透性低，將其作為隔水層，其下粉砂、砂土層為承壓含水層，通過本次試驗對這種含有較多夾層的黏性土層的透水性進(jìn)行了進(jìn)一步分析。

圖6為不同深度孔壓消散試驗曲線，可以看出，場地淺部黏性土層（S3 孔，6 m）孔壓消散時間稍長（50%消散水平時間約為25 min，試驗曲線呈緩變型），而深部消散時間一般都很短（一般在10 min以內(nèi)即可達(dá)到50%的消散水平，試驗曲線呈陡降型），說明場地黏性土層由于含有較多的粉土、粉砂夾層，透水性較好；圖7 中展示了各消散試驗點50%消散水平時間t50與相應(yīng)試驗點顆粒分布之間關(guān)系，從圖中可看出，絕大部分試驗點細(xì)砂（0.25～0.075 mm）和粉粒（0.075～0.005 mm）含量較多，t50值大部分在200 s 以內(nèi)，進(jìn)一步說明黏性土層具有較強(qiáng)的透水性，因而實際工程中將其作為隔水層考慮并不甚合理，在基坑工程降水設(shè)計中，應(yīng)分析潛水和承壓水層上下聯(lián)通或發(fā)生一定程度越流的可能性，在承壓水非隔斷設(shè)計時，坑內(nèi)外的水力聯(lián)系問題要高度重視，以避免抽降水引起較大的周邊地面沉降等環(huán)境問題。

圖6 不同深度孔壓消散水平-消散時間試驗曲線Fig.6 Test curves of pore pressure dissipation at different depths

圖7 各試驗孔消散時間t50與不同深度土層顆粒組成間關(guān)系Fig.7 Relationship between dissipation time of each test hole t50and grain content of soil at different depths

4 基于SCPTU 確定滲透系數(shù)計算方法的比較分析

4.1 分析方法

自從多功能孔壓靜力觸探問世以來，國外學(xué)者提出了多種基于孔壓靜力觸探測試的滲透系數(shù)確定方法，簡介如下：

①Baligh &Levadous 方法[4]

式中：kh為水平向滲透系數(shù)；RR為超固結(jié)土的壓縮比，表示壓縮試驗中有效應(yīng)力的每個1 g 循環(huán)的應(yīng)變，可以從室內(nèi)固結(jié)試驗確定，Baligh &Levadoux認(rèn)為，0.5×10-2

② Parez &Fauriel 方法[5]

③Burns &Mayne 方法[6]

式中：D′為與試驗加載模式相關(guān)的一維壓縮側(cè)限模量(Δσz/Δεz)。該方法基于 CE-CSSM 模型，可適用于單調(diào)或非單調(diào)孔壓消散模式，按如下步驟計算：

（1）根據(jù)孔壓消散試驗采用Burns &Mayne[7]方法計算固結(jié)系數(shù)ch：

式中：PI為液性指數(shù)。

（2）根據(jù)SCPTU 實測剪切波速Vs或qt計算D′[9]

式中：σv0為上覆應(yīng)力。

式中：Vs為剪切波速。

4.2 不同分析方法的評價比較

圖8 室內(nèi)滲透試驗與基于SCPTU 預(yù)測k 值的比較(注:＊為含粉砂夾層試樣)Fig.8 Comparison of k values between indoor infiltration test and SCPTU test(notes:＊ means samples with silty sand seam)

圖8 和表1為各種基于SCPTU 方法滲透系數(shù)預(yù)測結(jié)果與室內(nèi)變水頭試驗結(jié)果的比較，從中看出，不同方法之間具有比較大的差異性，室內(nèi)試驗得到的kh值要大大低于基于SCPTU 原位測試預(yù)測的結(jié)果，特別是在10～14 m 和28～36 m 之間，這種趨勢更為明顯。造成這種結(jié)果的原因主要是長江漫灘沉積黏性土層中或多或少含有連續(xù)的薄透水夾層或不連續(xù)的砂透鏡體，室內(nèi)試驗樣品多選取均勻土層，而原位消散試驗可以更好地反映實際土層不均勻的特點。

比較表明，室內(nèi)試驗 kh值一般比SCPTU 方法預(yù)測結(jié)果低1～2 個數(shù)量級，甚至3 個數(shù)量級。而從表1 還可以看出，室內(nèi)含夾層試驗結(jié)果與原位測試預(yù)測結(jié)果比較接近，驗證了基于SCPTU 試驗預(yù)測滲透系數(shù)的可行性。室內(nèi)試驗垂向和水平向滲透試驗結(jié)果之間大致是2 倍的關(guān)系(kh/kv=2)，表明了漫灘沉積土層的各向異性，在某些深度，kh/kv的值甚至達(dá)到 10 或 60，這個結(jié)果與圖 3 根據(jù)Robertson[10]土分類方法的判斷是一致的。

各種基于SCPTU 測試的預(yù)測方法中，若以Parez &Fauriel 法[5]預(yù)測 kh值為參考值，可以發(fā)現(xiàn)Baligh &Levadous 方法[4]預(yù)測結(jié)果與 Parez &Fauriel 法[5]有類似的趨勢，但kh值普遍小一些。而其他2 種方法預(yù)測kh值總體上要比Parez &Fauriel法[5]預(yù)測kh值大得多。此外，Kulhawy &Mayne 方法[9]、Burns &Mayne 方法[6]分別采用qt和Vs預(yù)測D′進(jìn)而計算kh值，而后一種方法預(yù)測得到的kh值與室內(nèi)含夾層試樣滲透試驗得到的kh值更為接近。

值得指出的是，從圖8 和表1 也可以看出，無論是基于SCPTU 試驗預(yù)測得到的kh值還是室內(nèi)試驗所得值均具有一定的不確定性和高離散性，分析認(rèn)為，主要原因為：長江漫灘沉積土土性的空間變化、土層的高度分層性、試驗尺寸和試驗方法、樣品的不均勻性、復(fù)雜的試驗邊界條件等，如圖7 土層顆粒分布組成情況反映的漫灘沉積黏性土的高度不均勻性即是明顯證據(jù)。特別是對于SCPTU 試驗來說，由于試驗時qt，u2和Vs測試位置的不同，對關(guān)系式（6）和（7）的計算結(jié)果也有一定的影響。

綜合比較結(jié)果顯示，對于長江漫灘沉積土，由于粉土、粉砂和黏性土的混合特性，各種基于SCPTU 預(yù)測 kh值的方法中，不能根據(jù)少量試驗得出“某一種預(yù)測方法明顯比其他方法更有優(yōu)勢”的結(jié)論，實際工程中，如果結(jié)合試驗點顆粒組成成分和沉積環(huán)境的詳細(xì)調(diào)查，對預(yù)測結(jié)果的進(jìn)一步比較會得出更為可靠的結(jié)論。雖然具有上述的不確定性，但作為近似預(yù)測方法，與室內(nèi)試驗相比，基于SCPTU 預(yù)測 kh值的方法仍然可以作為工程初設(shè)階段的重要手段，特別是Burns &Mayne 方法[6]預(yù)測值可以作為初步參考值。實際工程中，可通過對抽水試驗水位及沉降觀測資料的反演對SCPTU 預(yù)測 kh值進(jìn)行進(jìn)一步核實，為優(yōu)化設(shè)計提供更為可靠的設(shè)計值。

表1 室內(nèi)滲透試驗和基于SCPTU 預(yù)測k 值的綜合統(tǒng)計表Table 1 Summary of k values from laboratory and SCPTU evaluations of hydraulic conductivity

5 結(jié) 論

（1）綜合利用多功能SCPTU 測試qt、fs、u23 個參數(shù)可以對具有高度分層性和不均勻性的長江漫灘沉積土進(jìn)行精確分層，特別是錐肩位置厚度僅5 mm 的孔壓元件u2的測試對不同性質(zhì)土層界面、同一土層內(nèi)夾層的存在具有較強(qiáng)的敏感性，可以對影響土層滲透性能的透水或不透水夾層準(zhǔn)確判斷。

（2）利用多功能SCPTU 鉆進(jìn)過程中的孔壓消散試驗功能，可以對場地40 m 以淺出現(xiàn)的粉質(zhì)黏土或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的透水性能進(jìn)行評價，分析認(rèn)為，場地40 m 以淺黏性土層具有一定透水性能，降水設(shè)計需考慮地下水的上下聯(lián)通或越流等問題。

（3）基于SCPTU 預(yù)測滲透系數(shù)kh的不同方法比較表明，對于長江漫灘沉積土，如粉質(zhì)黏土或粉土這種中間土類，由于土層的高度分層性和不均勻性，不同方法預(yù)測結(jié)果均具有一定的離散性，各方法之間的優(yōu)勢比較需根據(jù)顆粒組成成分和沉積環(huán)境進(jìn)行進(jìn)一步分析。

（4）與室內(nèi)滲透試驗結(jié)果相比，基于SCPTU預(yù)測的滲透系數(shù)kh一般比室內(nèi)試驗結(jié)果高1～2 個數(shù)量級，Burns &Mayne 方法[6]預(yù)測值可以作為工程初設(shè)階段的參考值。

（5）由于本文的分析僅基于長江漫灘一個場地進(jìn)行，其有關(guān)結(jié)論尚需更多的試驗驗證和完善，但多功能SCPTU 在長江漫灘復(fù)雜沉積土層的精確探測、透水性能的評價及滲透系數(shù)的快速預(yù)測方面體現(xiàn)出了一定的優(yōu)越性，為基坑工程降水設(shè)計提供了一種簡便、快捷的新的技術(shù)手段。

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