靜力觸探CPTu在護岸基槽疏浚底高程驗收中的應(yīng)用

鄭洪文 中交廣州航道局有限公司

盧生軍 中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司

對于建造在地質(zhì)條件較差的軟土上的重力式或斜坡式海工結(jié)構(gòu)，比如碼頭、防波堤、護岸等，為了滿足地基承載力、邊坡穩(wěn)定及消除使用期的殘余沉降等，往往需要對海床面以下的軟土層進行地基處理。而開挖換填是常用的軟基處理方法。開挖換填法采用人工或機械設(shè)備將軟土挖除，其基槽開挖深度需要根據(jù)開挖處的地質(zhì)條件再結(jié)合設(shè)計要求的承載力或抗剪強度標(biāo)準(zhǔn)確定。目前，國內(nèi)項目基槽開挖深度一般采用標(biāo)高控制，并在開挖過程中輔以土質(zhì)鑒別，即在開挖之前就需通過鉆孔探明軟土層的底高程分布，然后按高程進行開挖和驗收。

受風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境的影響，海上鉆孔工效低、成本高，尤其當(dāng)項目規(guī)模大需要的鉆孔數(shù)量較多時將嚴(yán)重影響項目進度和費用。靜力觸探(CPTu)是利用一根安裝了若干傳感器的圓錐形探頭在土體中以準(zhǔn)靜力勻速貫入時所采集的各項應(yīng)力數(shù)據(jù)來迅速、連續(xù)地反映土質(zhì)變化特征的一項土體原位測試方法。相比鉆孔，其具有速度快、費用低等明顯優(yōu)勢，已在國外被廣泛應(yīng)用于海洋工程的地質(zhì)勘察。

本文依托海外某大型填海造陸項目，詳細闡述了海床式靜力觸探(CPTu) 原位測試技術(shù)在其護岸基槽開挖底高程驗收中的應(yīng)用情況及技術(shù)要點，為該項勘察技術(shù)在今后類似項目基槽驗收中的應(yīng)用提供一定借鑒。

1.工程概況

1.1 位置

該在建工程位于菲律賓帕賽市，為一特大型填海造陸項目，計劃在馬尼拉灣現(xiàn)有陸域西側(cè)海域通過填海形成3個大型人工島，用以給該地區(qū)新的現(xiàn)代化住宅和商業(yè)地產(chǎn)開發(fā)提供建設(shè)用地。項目陸域總回填面積約396公頃，回填砂量近1億m，而為回填砂提供防護的斜坡式護岸結(jié)構(gòu)總長達12.5km。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)已完成的本項目地質(zhì)勘察，工程區(qū)域地質(zhì)較差，其土層自上而下可劃分為SU1、SU2和SU3三個大的土層，其中SU3又可細分為SU3a至SU3c三個亞層。

SU1：非常軟至軟的粘土，厚度2至20m不等，標(biāo)貫N為0-4擊，不排水抗剪強度Cu值由表層的2kpa隨深度增加至最大約15kpa；

SU2：標(biāo)貫N為4-15擊的粘土層，厚度0至4m，不排水抗剪強度Cu值小于100kpa；

SU3：（a）風(fēng)化的砂巖、粉砂巖層。（b）硬粘土層，標(biāo)貫N大于15擊，不排水抗剪強度C u值大于100kpa。（c）密實的粉砂層，標(biāo)貫N大于20擊。

結(jié)合本項目護岸設(shè)計要求，將SU1、SU2層定義為軟土層，其在護岸下方的分布厚度在6m 至20m不等，為滿足護岸的邊坡穩(wěn)定及殘余沉降要求，需對該SU1、SU2軟土層進行軟基處理。

1.3 護岸軟基處理方案

本項目為在深厚軟土區(qū)、強震區(qū)、及強浪區(qū)條件下建設(shè)的特大型筑島造陸工程，其護岸軟基處理方案主要受地震工況下的邊坡穩(wěn)定控制。

在綜合對比堆載預(yù)壓、DCM及開挖換填等軟基處理方案之后，因開挖換填方案既能滿足邊坡穩(wěn)定設(shè)計要求，又最經(jīng)濟，故最終考慮采用開挖換填的軟基處理方案將軟土SU1和SU2層通過強度更高的中粗砂進行換填。開挖換填寬度根據(jù)邊坡穩(wěn)定分析確定，開挖深度要求達到SU3層頂部，并需進行現(xiàn)場驗收。

2.基槽驗收標(biāo)準(zhǔn)及方法

2.1 驗收標(biāo)準(zhǔn)

護岸下方開挖換填深度由地震工況下的護岸邊坡穩(wěn)定分析確定，要求開挖至硬土SU3層頂部，設(shè)計確定的基槽開挖深度驗收標(biāo)準(zhǔn)如下：

要求采用現(xiàn)場土工試驗對基槽開挖底高程進行驗收，開挖深度應(yīng)至少達到SU3層頂部；

當(dāng)基槽下方為SU3a風(fēng)化巖層或SU3b硬粘土層時，要求開挖深度必須達到不排水抗剪強度Cu不小于100kPa的土層；

當(dāng)基槽下方為SU3c密實粉砂層時，要求開挖深度必須達到砂土層，且其相對密實度Dr需在65%以上。

2.2 驗收方法

國內(nèi)項目海上基槽開挖深度一般采用設(shè)計標(biāo)高控制，并在開挖過程中輔以土質(zhì)鑒別，做法為在開挖之前首先通過海上鉆孔的方式對基槽區(qū)域地質(zhì)進行進行勘察，然后根據(jù)設(shè)計計算確定基槽開挖需要達到的設(shè)計底高程，最后在施工過程中通過標(biāo)高進行驗收，并輔以土質(zhì)鑒別。由于國內(nèi)能夠做海上靜力觸探（CPTu）的勘察單位不多且工程師們?nèi)鄙龠@方面的設(shè)計經(jīng)驗，故除了一些大型的項目外，如港珠澳大橋，國內(nèi)少有項目采用海上靜力觸探（CPTu）驗收基槽疏浚底高程。

相比鉆孔，海上靜力觸探（CPTu）的試驗速度是鉆孔的好幾倍故而其成本也更低，因此在國外海洋工程中已被廣泛應(yīng)用，且積累了豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗。

本項目護岸總長度約12.5km，按規(guī)范要求的50m間隔布置鉆孔，則數(shù)量將達250個之多。海上鉆孔施工速度慢，每天僅只能完成1個，等250個鉆孔全部完成然后再確定基槽疏浚底高程的則至少要花費8個月以上的時間，在項目總工期才3年的情況下這顯然是不被接受的。另外，海上鉆孔費用很高，250個鉆孔將花費數(shù)百萬美元。

在綜合考慮本項目工期、費用及護岸基槽驗收要求后，最終選擇采用海床式靜力觸探（CPTu）方法對基槽疏浚底高程進行驗收，具體如下：

①疏浚之前采用物探（淺剖）手段大致探明基槽范圍的軟土深度分布情況，物探線沿基槽中軸線布置。因軟土SU1、SU2層與硬土SU3層土性差異很大，通過物探確定的軟土深度誤差一般在3m以內(nèi)。

②設(shè)計根據(jù)物探結(jié)果確定初步的基槽開挖底高程，現(xiàn)場根據(jù)該設(shè)計提供的初步底高程進行基槽開挖。

③在基槽開挖至距離初步預(yù)計的底高程3m左右時，采用海床式靜力觸探（CPTu）設(shè)備對基槽下方土層進行原位測試，獲得錐尖阻力、側(cè)摩阻力和孔隙水壓力等原位試驗數(shù)據(jù)。

④根據(jù)已有文獻的研究成果，對原位試驗數(shù)據(jù)進行分析，確定土層類型、粘性土的不排水抗剪強度Cu及砂土的相對密實度Dr等，然后與設(shè)計要求的驗收標(biāo)準(zhǔn)比較，確定最終要求的基槽疏浚底高程。

⑤現(xiàn)場疏浚至最終要求的基槽疏浚底高程，然后按高程進行驗收。上述采用海床式靜力觸探（CPTu）驗收基槽疏浚底高程的方法不僅本身CPTu比鉆孔速度快、費用低，且其不需要先進行地質(zhì)勘察而是邊疏浚邊現(xiàn)場原位土工試驗，從而使得地質(zhì)勘察不再是影響項目工期的關(guān)鍵工序。

3.海床式CPTu試驗

3.1 試驗設(shè)備

根據(jù)設(shè)計要求的驗收標(biāo)準(zhǔn)，需設(shè)備能夠提供錐尖阻力、側(cè)摩阻力及孔隙水壓等原位試驗數(shù)據(jù)。故最終選擇Van den berg生產(chǎn)的Roson 100kN海床式CPTu設(shè)備，其主要包含：一個電壓式貫入計探頭；下壓桿；10噸推力系統(tǒng)；信號線、電源線；數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。

3.2 試驗步驟

該海床式CPTu試驗步驟：①通過駁船將CPTu設(shè)備運至試驗點，拋錨固定駁船；②采用駁船上DGPS定位系統(tǒng)對CPTu原位試驗點進行定位，誤差控制在±0.5m以內(nèi)；③通電檢查數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊和控制模塊的運行狀況，觀測上位機上顯示的信息，正常后復(fù)位；④利用駁船上的吊機系統(tǒng)及A字架將CPTu設(shè)備緩慢吊起并下放至海床面，應(yīng)注意設(shè)備的傾斜度必須控制在15°以內(nèi)，否則需對CPTu設(shè)備姿態(tài)進行微調(diào)。⑤確保CPTu設(shè)備的傾斜度滿足要求后，啟動推力系統(tǒng)，通過轉(zhuǎn)動驅(qū)動輪使錐體開始靜壓貫入地層，錐體貫入速率控制在20mm/s，每貫入10mm采樣錐尖阻力、側(cè)摩阻力和孔隙水壓；⑥當(dāng)達到終孔標(biāo)準(zhǔn)時停止試驗，收回CPTu設(shè)備并移至下一試驗點。

3.3 終孔標(biāo)準(zhǔn)

該海床式CPTu試驗當(dāng)達到下列標(biāo)準(zhǔn)之一時即停止試驗：（1）根據(jù)試驗數(shù)據(jù)判斷已穿透軟土SU1、SU2層，且在試驗設(shè)備能力允許的情況下進入SU3層至少1m；（2）達到了CPTu設(shè)備推力系統(tǒng)的最大下插力，即100kN；（3）錐尖阻力達到30MPa；

3.4 試驗數(shù)據(jù)

通過該海床式CPTu設(shè)備可直接獲得錐尖阻力qc、側(cè)摩阻力fs、孔隙水壓u2及壓桿傾斜角等參數(shù)，典型的試驗數(shù)據(jù)（來源CPTu-15）如圖1 -圖3所示。

圖1 錐尖阻力qc隨深度變化曲線

圖2 錐側(cè)阻力fs隨深度變化曲線

圖3 不排水抗剪強度Cu隨深度變化曲線

4.試驗結(jié)果分析

4.1 土層類型

錐尖阻力、摩阻比和孔隙水壓在不同類型土層的邊界處具有明顯的波動，據(jù)此可判斷土層的類型。項目采用Robertson(1990，2009)提出的土的分類圖來對土層進行分類，據(jù)此得到的其中一個試驗點CPTu-15的土類與鄰近鉆孔BHb-19 的比較如表1所示。

表1 土層分類

4.2 粘性土不排水強度

本項目采用Schmertmann(1975)提供的通過修正后的錐尖阻力qt預(yù)估粘性土不排水抗剪強度Cu的經(jīng)驗公式如下：

式中：C為粘性土不排水抗剪強度，kpa；q為校正后的錐尖阻力，q=q+0.25u，MPa；σ為計算點處的總上覆應(yīng)力，kpa；N為錐體系數(shù)，受許多變量影響，比如原狀土應(yīng)力條件、應(yīng)力歷史、土體結(jié)構(gòu)、敏感性、塑性特性、探頭類型、貫入速率等，一般取值15至20。

根據(jù)上述方法確定的CPTu-15中粘性土不排水抗剪強度Cu隨深度變化曲線如圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)深度為4.3m時，Cu值大于100kpa，滿足設(shè)計要求的基槽底高程驗收標(biāo)準(zhǔn)，該厚度也與通過鄰近鉆孔BHb-19確定的軟土厚度十分接近。

4.3 砂土相對密實度

當(dāng)土層為砂土?xí)r，同樣可以通過CPTu試驗數(shù)據(jù)確定砂土的相對密實度Dr。本項目采用Jamiolkowski等人（2003）提供的經(jīng)驗公式評估砂土的相對密實度，公式如下：

式中：q為錐尖阻力，MPa；σ′為計算點處有效上覆應(yīng)力，kpa；K為水平應(yīng)力系數(shù)，取0.5。

應(yīng)注意的是，該公式是基于對干凈的細、中砂的校準(zhǔn)測試結(jié)果，且為硅質(zhì)砂。

5.結(jié)論

受風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境的影響，海上鉆孔工效低、成本高，而通過將海床式CPTu原位測試技術(shù)應(yīng)用于護岸結(jié)構(gòu)基槽開挖底高程的驗收，并將測試結(jié)果與鉆孔進行比較，結(jié)果表明：

（1）海床式CPTu原位測試結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，與鉆孔的一致性較好。

（2）可通過CPTu原位試驗確定土層類型、粘性土不排水強度、砂土相對密實度等，滿足基槽開挖底高程驗收對土質(zhì)勘察的技術(shù)要求。

（3）相比鉆孔，海床式CPTu試驗更高效、經(jīng)濟，能有效縮短勘察周期及節(jié)約費用，具有較好的推廣應(yīng)用價值。