CPTU在確定黏性土壓縮模量中的應(yīng)用研究

寇 婷，孫 榮，徐永成

（江蘇省第二地質(zhì)工程勘察院，江蘇 徐州 221004）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速公路建設(shè)突飛猛進(jìn)，我國高速公路總里程位列世界第一。但早期建設(shè)的高速公路等級較低，絕大多數(shù)按照雙向四車道設(shè)計，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的交通增長量的需求，急切需要拓寬增大道路通行能力[1]。在高速公路拓寬建設(shè)中，新舊路基沉降不均勻，使沉降量難以預(yù)測。為了準(zhǔn)確掌握沉降規(guī)律，土體的壓縮模量就必須準(zhǔn)確。CPTU（piezocone penetration test）原位測試技術(shù)能夠準(zhǔn)確獲取土體數(shù)據(jù)，通過合適的計算方法，可快速準(zhǔn)確的計算出土體壓縮模量[2]，進(jìn)而對路基沉降進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。本文結(jié)合某高速公路拓寬項目，對CPTU 確定黏性土的壓縮模量進(jìn)行研究。在分析項目所在地的地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對原有路基和待施工路基進(jìn)行了CPTU 原位測試，通過原有路基沉降量的反演計算方法，求得土體壓縮模量，進(jìn)而建立基于反彎點置零的雙曲線沉降量預(yù)測模型，對路基的沉降量進(jìn)行預(yù)測。

1 項目概況

某高速公路拓寬項目，全長為81 km，原路段路堤寬度為28 m，邊坡為1:1.5，雙向四車道設(shè)計，最高限速120 km/h。原有路堤填料為低液限黏土，部分路段為高液限黏土，部分路堤采用6%～8%的石灰改良土換填，另有部分路段的路堤填料為粉質(zhì)黏土，未做任何處理。新拓寬的填筑路堤所用的填料，沿線路中心線以外30～80 m 范圍內(nèi)取土。線路經(jīng)過淺洼平原區(qū)，地勢平坦，沿線有較多農(nóng)田、溝河及魚塘，淺部黏土以瀉湖沉積土為主，表層有厚度為0.5 m 的硬殼層。表層以下為黏土，壓縮量較高，工程地質(zhì)條件較差。地質(zhì)結(jié)構(gòu)如表1 所示。

表1 工程項目所在區(qū)域地質(zhì)情況

由于工程地質(zhì)條件較差，需要根據(jù)原有路段的施工、沉降等資料，結(jié)合CPTU 現(xiàn)場原位測試，制定路基處理方案和路堤壓實方案。

2 CPTU 現(xiàn)場原位測試

2.1 儀器設(shè)備

待拓寬地基的現(xiàn)場原位CPTU 測試設(shè)備采用東南大學(xué)的CPTU-1 型多功能數(shù)字式孔壓靜力觸探系統(tǒng)。該測試設(shè)備輕巧靈活，可用于各種地形環(huán)境，鉆頭上部配置模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，在孔下即可完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，具有高效性、數(shù)字化特征。軟件系統(tǒng)加入了溫度校正和傾斜校正功能，保證了測試精度[3]。

原有地基的CPTU 測試設(shè)備采用Hogentogler多功能數(shù)字式車載CPTU測試系統(tǒng)。該設(shè)備可在原有路面進(jìn)行直接探測，測點之間轉(zhuǎn)移方便，工作效率高。探測設(shè)備的錐角為60°，錐底截面積為1 000 mm2，鉆頭直徑為35.7 mm，孔壓測試元件厚度為5 mm，探測鉆入速度為0.02 m/s，每隔100 mm 采集一次數(shù)據(jù)。

2.2 現(xiàn)場試驗

根據(jù)項目部設(shè)計需求，結(jié)合待建新地基的地質(zhì)情況，對存在黏土軟弱土層的路段進(jìn)行CPTU 原位測試，測試深度為20m。測試布置方案如圖1 所示。

圖1 CPTU 測試布置

對于同一個CPTU 探測位置，沿線間隔5 m鉆設(shè)3 個孔位，測試數(shù)據(jù)對比分析，為了最大程度保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，如果3 組數(shù)據(jù)相似，則取3 組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為最終結(jié)果；如果有1 組數(shù)據(jù)明顯異常，則取兩組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為最終結(jié)果；如果3 組數(shù)據(jù)均差異較大，則應(yīng)加測一組數(shù)據(jù)。

2.3 測試結(jié)果與分析

以工程K518+510 斷面為例，CPTU 原位測試所獲得的錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力、孔隙水壓力和摩阻比數(shù)據(jù)如圖2 所示。

圖2 K518+510 斷面原位測試數(shù)據(jù)

在0～3 m 范圍內(nèi)，僅有原有路基的測試數(shù)據(jù)，因為待拓寬的新建路堤還未施工。工程場地從上到下依次大致為固結(jié)黏土、淤泥黏土和粉質(zhì)粘土。0～8 m 之間的土層錐尖阻力較大。深度達(dá)到8m以后，錐尖阻力減小至1 MPa左右，孔隙水壓力隨之增大，因為8 m 以下為淤泥黏土層，含水量較高，空隙比較大，壓縮性較高。

3 CPTU 測定壓縮模量的應(yīng)用

3.1 土體壓縮模量計算

錐尖阻力與土體的壓縮模量值之間有顯著的相關(guān)性，但是相關(guān)系數(shù)的計算比較困難。對于不同的地質(zhì)層，應(yīng)選取不同的相關(guān)參數(shù)。在原有路基沉降數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分層反演計算相關(guān)系數(shù)切實可行。

（1）壓縮模量

壓縮模量與錐尖阻力有如下關(guān)系[4]：

（2）沉降系數(shù)

沉降系數(shù)的計算公式如下所示[5]：

（3）地基沉降量

地基總沉降量可通過分層系數(shù)法進(jìn)行計算[6]，公式如下所示：

工程地質(zhì)層分為硬殼層、固結(jié)黏土、淤泥黏土和粉質(zhì)黏土4 個層次，需要計算4 個參數(shù)，至少需要5 個相似的斷面數(shù)據(jù)來求解上述超靜定方程組，進(jìn)而求得土體的壓縮模量。借助計算機求解，得到相關(guān)系數(shù)的值分別為5.28、4.32、5.98 和6.61。依據(jù)公式(1)可得K518+510 斷面附近土體的壓縮模量如圖3 所示。

圖3 K518+510 斷面土體壓縮模量

由圖3 可知，原有路基經(jīng)過機械壓實，密實度較高，得出的壓縮模量較大。而自然地基的壓縮模量較小，壓縮模量比原有路基小1～2 MPa，黏土性質(zhì)的軟土地基壓縮性較大，會產(chǎn)生較大的沉降，需要對其進(jìn)行特殊處理。

3.2 地基沉降變形預(yù)測

根據(jù)固結(jié)理論和原有路基沉降資料分析，路基在填筑路堤和車輛荷載的共同作用下，沉降量曲線呈反S 形，在路堤填筑期和預(yù)壓期，路基沉降速率較快[7]。面層施工期間沉降速率逐漸變慢，竣工后，土體逐漸固結(jié)，沉降量緩慢的趨向穩(wěn)定。

準(zhǔn)確的沉降量變化規(guī)律可以制定施工方案提供重要參考，對后續(xù)高速公路的養(yǎng)護(hù)工作也有指導(dǎo)意義。基于反彎點置零的雙曲線預(yù)測法，能滿足工程中對于沉降量預(yù)測的需求。

雙曲線預(yù)測法將反彎點設(shè)置為時間零點，一般是面層開始施工的時間點。由于本工程左右兩側(cè)對稱，仍以K518+510 斷面為例，選取右側(cè)新建路基和原有路基進(jìn)行沉降量預(yù)測。

將已求得的相關(guān)系數(shù) 1á～á4，用于計算工程所在地的沉降量數(shù)據(jù)，然后用雙曲線進(jìn)行擬合，得到新建路基和原有路基沉降量預(yù)測公式：

對新建路基和原有路基沉降量預(yù)測的曲線分別如圖4 和下圖5 所示。

圖4 新建路基沉降量預(yù)測曲線

圖5 原有路基沉降量預(yù)測曲線

由圖4 可知，新建路基的預(yù)測曲線在0～200 d 的擬合曲線段，擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.96，數(shù)據(jù)吻合程度非常高。新建路基的最終沉降量為81.5 mm，竣工后10 年的沉降量為72.3 mm。由圖5 可知，原有路基的預(yù)測曲線在0～200 d 的擬合曲線段，擬合相關(guān)系數(shù)為0.91，比新建路基的預(yù)測曲線擬合度略低，但仍然滿足工程需求。原有路基的最終沉降量為20.3 mm，竣工后10年的沉降量為17.8 mm。整體而言，基于反彎點置零的雙曲線預(yù)測法，數(shù)據(jù)可靠，可用于拓寬工程沉降量的預(yù)測，指導(dǎo)路基施工方案的編制。

4 結(jié)語

結(jié)合某高速公路拓寬項目，對CPTU 確定黏性土的壓縮模量進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）結(jié)合原有路基沉降量數(shù)據(jù)和CPTU原位測試數(shù)據(jù)，通過反演計算法，可準(zhǔn)確計算出土體壓縮模量；

（2）基于反彎點置零的雙曲線預(yù)測法，可準(zhǔn)確實現(xiàn)對原有路基和新建路基的沉降量預(yù)測。預(yù)測數(shù)據(jù)可用于指導(dǎo)路基施工方案的確定。