CPTU測(cè)試技術(shù)在高速公路擴(kuò)建勘察中的應(yīng)用

許波

（中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 210014）

1 前言

1.1 工程概況

京滬高速公路是國(guó)家高速公路網(wǎng)的主骨架公路，淮安至江都段穿越江蘇省蘇北、蘇中腹地，根據(jù)項(xiàng)目功能定位、路網(wǎng)布局以及交通量預(yù)測(cè)情況，本項(xiàng)目采用以“雙側(cè)拼寬為主，局部分離為輔”的總體擴(kuò)建方案。

1.2 技術(shù)應(yīng)用背景

項(xiàng)目穿過(guò)里下河地區(qū)，該區(qū)分布有軟土，其中在寶應(yīng)段的寶射河、高郵的北澄子河、江都的鹽邵河等處軟土較為發(fā)育。

京滬高速運(yùn)營(yíng)近20年，原有路基土經(jīng)過(guò)一定時(shí)間壓載后性質(zhì)存在一定的變化，軟土路基拼接的關(guān)鍵是沉降和差異沉降的控制，原有路基范圍內(nèi)的路基土以及擴(kuò)建范圍內(nèi)的原狀土的各種參數(shù)指標(biāo)及沉降預(yù)測(cè)分析是路基拼寬設(shè)計(jì)及施工的關(guān)鍵，研究分析路基土經(jīng)過(guò)一定時(shí)間壓載后的性質(zhì)變化，從而成為本項(xiàng)目的關(guān)鍵性技術(shù)難題。

孔隙水壓力靜力觸探技術(shù)（CPTU）通過(guò)在常規(guī)靜力觸探（CPT）探頭上安裝孔壓傳感器元件，除可測(cè)錐尖阻力qc、側(cè)壁摩擦力fs外，還可測(cè)試地下水位以下各土層的孔隙水壓力u及超孔隙水壓力消散過(guò)程。根據(jù)測(cè)得的超孔隙水壓力消散曲線，可以推求土層的滲透系數(shù)Kh及固結(jié)系數(shù)Ch等重要的土的工程性質(zhì)參數(shù)，對(duì)土層進(jìn)行有效應(yīng)力分析及計(jì)算，亦可對(duì)其滲透固結(jié)及沉降變形進(jìn)行分析計(jì)算。

2 測(cè)試參數(shù)

2.1 土的原位狀態(tài)與應(yīng)力歷史

2.1.1 土層重度（γ）

利用CPTU實(shí)測(cè)資料來(lái)估算土層重度，Larsson和Mulabdic（1991）通過(guò)對(duì)在瑞士、挪威和英國(guó)的試驗(yàn)資料的分析，提出采用凈錐尖阻力（qt-σvo）和孔壓參數(shù)比Bq對(duì)土的密度或重度進(jìn)行估計(jì)。

表1 CPTU測(cè)試資料土層重度估算表

2.1.2 超固結(jié)比（OCR）

土的超固結(jié)比OCR定義為歷史上土層受到的最大有效固結(jié)應(yīng)力與當(dāng)前有效應(yīng)力之比。Lunne（1997）推薦采用CPTU測(cè)試參數(shù)直接估計(jì)黏性土OCR的方法：

式中：k的變化范圍在0.2～0.5之間，k取0.33；qt為修正錐尖阻力（見(jiàn)式 2）；σvo為總上覆壓力；σ′vo為有效垂直壓力：σ′vo=σvo-u0，u0為靜水壓力。

式中：qc為量測(cè)錐尖阻力，u2為位于圓錐和摩擦筒之間的孔壓測(cè)試值；a為有效面積比，范圍一般為0.55～0.9，本文取0.8。

表2 CPTU測(cè)試資料OCR估算表

2.1.3 側(cè)壓力系數(shù)（K0）

本文利用凈錐尖阻力來(lái)計(jì)算K0值。Kulhawy和Mayne（1990）建議采用下式來(lái)估算K0值。

表3 CPTU測(cè)試資料K0估算表

2.1.4 靈敏度（St）

土的靈敏度定義為不擾動(dòng)土的不排水抗剪強(qiáng)度與完全重塑土的不排水抗剪強(qiáng)度的比值。Schmertmann（1978）建議用摩阻比Rf（%）來(lái)估算土的靈敏度：

式中：Ns為待定的常數(shù)。Schmertmann建議Ns取值15。Robertson和Campanella（1988）在比較從孔壓試驗(yàn)和十字板試驗(yàn)得出的靈敏度值后，提出Ns=6。Rad和Lunne提出Ns在5～10之間。本文取其平均值7.5。

表4 CPTU測(cè)試資料靈敏度St估算表

2.1.5 不排水抗剪強(qiáng)度（Su）

基于CPTU資料，采用經(jīng)驗(yàn)公式法，根據(jù)實(shí)測(cè)錐尖阻力估算Su：

式中：Nk為經(jīng)驗(yàn)圓錐系數(shù)，根據(jù)已有的研究成果，取值范圍為11～19，本文取16，見(jiàn)表5。

2.1.6 壓縮模量（Es）

土的變形特征參數(shù)包括固結(jié)指數(shù)（Cc、Cs、Cr）和彈性模量（E、G、K、B），還有蠕變參數(shù)。基于CPTU資料估計(jì)土的壓縮模量Es，可以表示成凈錐尖阻力qn的函數(shù)。對(duì)于超固結(jié)黏土，Senneset（1982，1989）建議采用如下線性模型：

表5 CPTU測(cè)試資料Su估算表

式中：αi為系數(shù)，對(duì)于大多數(shù)黏土，變化范圍為5～15。

本文采用Kulhawy和Mayne（1990）提出下面更加一般的關(guān)系式：

表6 CPTU測(cè)試資料壓縮模量Es估算表

2.2 土的滲流和固結(jié)特性

2.2.1 固結(jié)系數(shù)（Ch）

固結(jié)系數(shù)可以通過(guò)CPTU的孔壓消散試驗(yàn)獲得。根據(jù)孔壓消散曲線的形狀分為單調(diào)、非單調(diào)消散曲線（或標(biāo)準(zhǔn)、非標(biāo)準(zhǔn)消散曲線），其計(jì)算方法有所不同：

（1）標(biāo)準(zhǔn)消散曲線的計(jì)算方法

TehandHoulsby（1991）提出下列公式：

式中：U為超孔壓消散度；ut為t時(shí)刻的孔壓量測(cè)值；ui為初始孔壓。

Torstensson（1995）提出下列公式：

式中：T50為理論解中的時(shí)間因子，t50為孔壓消散50%對(duì)應(yīng)的時(shí)間；r0為探頭半徑。

（2）非標(biāo)準(zhǔn)消散曲線的計(jì)算方法

Chai（2004）基于數(shù)值分析結(jié)果，提出修正的t50公式如下：

對(duì)一個(gè)給定的t50m值，可用以下方程求解固結(jié)系數(shù)：

式中：cp為孔壓?jiǎn)挝晃恢孟禂?shù)；對(duì)u2錐尖位置，cp為0.245。

表7 基于CPTU孔壓消散的固結(jié)系數(shù)ch測(cè)定結(jié)果

2.2.2 滲透系數(shù)（kh）

關(guān)于土的滲透系數(shù)，Baligh and Levadoux（1980）建議通過(guò)土的水平向固結(jié)系數(shù)評(píng)價(jià)土的水平滲透系數(shù)，即用下式估算：

式中：gw為水的重度；RR為超固結(jié)土的壓縮比，表示壓縮試驗(yàn)中有效應(yīng)力的每個(gè)1g循環(huán)的應(yīng)變。

表8 基于CPTU孔壓消散的滲透系數(shù)kh測(cè)定結(jié)果

3 對(duì)比分析

場(chǎng)地揭露深度內(nèi)高速公路上和高速公路下土層分類大致一致，厚度略有偏差。

（1）根據(jù)CPTU數(shù)據(jù)對(duì)比，總體來(lái)說(shuō)，高速公路上舊路基對(duì)應(yīng)土層錐尖阻力與高速公路下新路基土體相比較高，側(cè)壁摩阻力較高，孔壓較低。

（2）高速公路上舊路基對(duì)應(yīng)土層OCR比高速公路下新路基土體OCR有較高的趨勢(shì)，說(shuō)明舊路基先期固結(jié)壓力較大，因此在進(jìn)行新老路基差異沉降變形計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮OCR的變化。

（3）由于實(shí)際路基土的應(yīng)力場(chǎng)是處于K0狀態(tài)，在計(jì)算土體側(cè)向變形、土體側(cè)壓力時(shí)，可參考本次測(cè)試K0值來(lái)計(jì)算，舊路基K0比新路基整體更高。

（4）天然沉積狀態(tài)下的黏性土，由于地質(zhì)歷史作用常具有一定的結(jié)構(gòu)性。在外部因素影響下，土的結(jié)構(gòu)遭受破壞，則土的強(qiáng)度降低，壓縮性增大。黏性土的結(jié)構(gòu)性對(duì)強(qiáng)度的影響用靈敏度St來(lái)衡量，本次測(cè)試結(jié)果表明，淤泥質(zhì)黏土靈敏度較高，土體結(jié)構(gòu)容易破壞，必須對(duì)此類土體進(jìn)行處理加固。

（5）土的不排水抗剪強(qiáng)度Su與土的破壞模式、土體的非均質(zhì)性、應(yīng)變速率和應(yīng)力歷史等有較大關(guān)系。根據(jù)參數(shù)對(duì)比，舊路基不排水抗剪強(qiáng)度Su更大。

（6）土的變形參數(shù)一般用土的模量表示。總的來(lái)講，土的模量與應(yīng)力歷史、應(yīng)力和應(yīng)變水平、排水條件和應(yīng)力路徑方向等有關(guān)。根據(jù)參數(shù)對(duì)比，舊路基壓縮模量Es比新路基大。

（7）土體孔壓消散主要為水平向。由本次測(cè)試參數(shù)可知，老路基由于孔壓消散較慢，則固結(jié)系數(shù)相對(duì)較大，滲透系數(shù)也較大，說(shuō)明老路基固結(jié)程度較高。

4 小結(jié)

（1）文中所采用的現(xiàn)代多功能CPTU測(cè)試技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)勘察方法的補(bǔ)充，經(jīng)過(guò)本次勘察的實(shí)際應(yīng)用，為路基拼寬設(shè)計(jì)提供了合理的地質(zhì)依據(jù)，取得了較好的效果。

（2）本文所作的測(cè)試工作主要是在里下河地區(qū)進(jìn)行，在類似工程地質(zhì)條件區(qū)及類似改擴(kuò)建項(xiàng)目中可以借鑒使用。