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通過將引進Geomil公司帶孔隙水壓力測試功能的靜力觸探（CPTU）試驗儀器，應用于澳門填海區(qū)進行原位測試，將CPTU測得的錐尖阻力qc、側壁摩阻力fs以及孔隙水壓力u2，按照國內鐵道部基于雙橋靜力觸探的土質分類圖進行分類，同時采用國際通用的歸一化處理方法后，利用Robertson CPTU土質分類圖進行分類，將二者的結果與同一個場地鉆孔取樣室內試驗獲得土的分類結果進行對比，判斷國內基于CPT試驗的土質分類方法和Robertson分類方法的準確性和精細度，為澳門地區(qū)CPTU試驗應用積累經驗。

本文來源：徐威, 鄭華文, 陶旭光. 澳門填海區(qū)基于CPTU試驗的土質分類比較[C]. //第十五屆全國工程物探與巖土工程測試學術大會, 2017.

近年來隨著國外工程的增多，技術交流也日益增多，CPT/CPTU試驗數(shù)據的對接成為較為緊迫的問題。筆者所在公司以港澳地區(qū)為窗口，通過澳門地區(qū)的填海和路橋工程與國外的咨詢公司進行交流，是國內引進荷Geomil公司孔壓靜力觸探（CPTU）儀器設備的公司，并結合國內的工程經驗進行合理的改進，成功將其應用于澳門地區(qū)多個工程項目，積累了較多的經驗。本文結合在澳門地區(qū)的CPTU應用經驗，利用國內和國際上的CPT/CPTU土質分類圖分析CPTU試驗參數(shù)，并劃分土層，通過與采取原狀土樣進行室內試驗所劃分的土層進行對比來判斷兩種土質分類圖的精細度和準確性。

澳門地區(qū)土地資源寶貴，在某填海工程場地進行了大量的現(xiàn)場CPTU試驗，并在對應的CPTU測試點位之間布置了取土試樣鉆孔，用以對比CPTU試驗數(shù)據。

根據地勘結果顯示，場地內主要分布的土層為：表層為灰黃色吹填砂，主要為中粗砂；其下為灰色沉積軟黏性土、灰黃色粉質黏土、灰色黏土、砂混黏性土，以及殘積土、花崗巖風化層。在場地內選取地層分布較為均勻的一段，進行CPTU試驗和鉆孔取土室內試驗，將二者的土層劃分進行對比。

Geomil帶孔壓靜力觸探（CPTU）設備主要包括：履帶式自動行進車、自動夾具、帶孔隙水壓力測試的探頭、數(shù)據自動測試采集系統(tǒng)以及探桿等。

CPTU探頭主要包括：錐尖（Cone）、摩擦側壁（Friction sleeve）、位于錐肩的透水石孔壓傳感器（Pore pressure filter）。

通過傳感器直接測得的指標包括：錐尖阻力q_c（MPa）、側壁摩阻力f_s（MPa）、孔隙水壓力u₂（MPa），以及傾斜度I_c。

探頭的主要參數(shù)：錐尖頂角為60°，錐尖底截面面積為10cm²，側壁摩擦筒面積為150cm²，透水石位于錐肩。

CPTU探頭結構示意圖

國內使用的雙橋探頭可根據獲得的錐尖阻力qc 和側壁摩阻力fs 計算出摩阻比Rf，計算公式如下：

R_f=f_s/q_c

然而由于錐尖端面存在壓力不平衡效應的影響，對于飽和黏性土，特別是軟黏土，在觸探深度很大時，q_c值明顯減小，f_s值也會發(fā)生改變，從而使R_f值產生明顯誤差。對于這種情況，僅僅采用雙橋探頭是無法解決的，因此國際上多采用孔壓修正后的參數(shù)進行土的分類，Robertson(1990)采用歸一化的參數(shù)，建立了以歸一化錐尖阻力Q_t、歸一化摩阻比F_r和孔隙水壓力比B_q的土的分類圖，此分類圖將土的種類歸于9類：

1. 靈敏細粒土(Sensitive, fine grained)；
2. 有機質土、泥炭(Organic soil-clay)；
3. 黏土-粉質黏土(Clay-silty clay to clay)；
4. 黏質粉土-粉質黏土(Silt mixture-clayed silt to silty clay)；
5. 粉砂-砂質粉土(Sand mixtures-silty sand to sandy silt)；
6. 砂-粉砂(Sands-clean sand to silty sand)；
7. 礫砂-密實砂(Gravelly sand to dense sand)；
8. 極密實砂-黏質砂(Very stiff sand to clayey sand)；
9. 級配良好極密實砂(Very stiff fine grained)。

并且考慮了上覆應力的影響，修正了由測試深度的增加導致的錐尖阻力q_c、側壁摩阻力f_s和孔隙水壓力u₂增大對土的分類的影響，在國際上獲得了較好的應用，準確率也可以達到80%以上。歸一化的分類圖是采用歸一化摩阻比F_r～歸一化錐尖阻力Q_t進行分類。

考慮到錐尖阻力受到孔隙水壓力影響，進行孔壓修正后的錐尖阻力q_t：

q_t=q_c+（1-a）u₂

a=A_n/A_c

其中，a為探頭的有效面積比；

A_n為探頭空心柱截面積；

A_c為錐端截面積。

凈錐尖阻力：q_n=q_t-σv₀，其中，σv₀為上覆應力；

歸一化的錐尖阻力：Q_t=q_n/σ’v₀

其中，σ’v₀為上覆有效應力，

考慮到孔隙水壓力的影響：σ’v₀=σv₀-u₀

其中，u₀為靜孔隙水壓力，隨深度變化。

孔隙水壓力比：B_q=Δu/q_n，

其中，Δu為超孔隙水壓力，

表達式為：Δu=u₂-u₀。

歸一化的摩阻比：F_r=f_s/(q_t-σv₀)×100%。

在澳門填海工程的CPTU測試過程中，按照以下方法進行操作：

典型的CPTU直接采集到的數(shù)據生成q_c-h關系圖、f_s-h關系圖、R_f-h關系圖、u₂-h關系圖。

相鄰鉆孔采取原狀土樣進行室內試驗，在上部吹填砂層中采用環(huán)刀取土器采取砂樣，在軟黏性土層中采用薄壁取土器靜壓法取樣，在硬黏性土層中采用敞口活閥取土器取樣，土樣采取后立即進行蠟封保存，運送過程中盡量避免土的擾動。根據室內試驗結果，該場地的土層物理性質指標如表所示。

從以上數(shù)據分析可以得出：

• 吹填砂層CPTU數(shù)據點分布較為離散，主要分布于砂土和各類土交界的混合土區(qū)域，少量數(shù)據點分布于粉土區(qū)域，因場地表部吹填砂層為人工吹填形成，成分以砂為主但不排除局部含泥量和級配有差別，更有可能在吹填施工過程中導致軟土鼓包，所以數(shù)據點分布于以砂為主、局部分布于黏性土和砂混合土區(qū)域較為合理。
• 粉質黏土層CPTU數(shù)據點主要分布于粉質黏土和粉土區(qū)域，因粉土中的黏粒含量對土的性質影響較大，因此簡單地通過錐尖阻力q_c和摩阻比R_f較難準確區(qū)分粉質黏土和黏質粉土。
• 砂混黏性土層CPTU數(shù)據點主要分布于粉土區(qū)域，相比于砂土，砂土中的黏性土對側壁摩阻力f_s影響較大，從而導致該層的摩阻比較大，而砂土中的黏性土又降低了密實度，導致錐尖阻力q_c較小。
• 殘積土層的CPTU數(shù)據點分布最離散，除砂土區(qū)域分布較少，其他區(qū)域皆有分布，從鉆孔取樣判斷，殘積土主要呈現(xiàn)黏性土特征，可以成團，可搓成條，但局部粉性較重，混石英殘留顆粒。CPTU曲線表現(xiàn)特征為錐尖阻力q_c不大，但摩阻比R_f較大，且變化跳躍性大。

下面按照歸一化的處理原則，將試驗獲得的錐尖阻力q_c、側壁摩阻力f_s、孔隙水壓力u₂帶入歸一化方法修正公式，分別求出歸一化錐尖阻力Q_t、歸一化摩阻比F_r和孔隙水壓力比B_q，然后按照臨近鉆孔地層進行初步的地層分類，在Robertson F_r-Q_t分類圖上點繪各個采集到的數(shù)據點，分類結果如圖所示。

從Robertson分類圖上CPTU數(shù)據點的分布分析可以得出：

• 吹填砂層CPTU數(shù)據點分布依然較為離散，相比于鐵道部分類圖，Robertson分類更為明細，7區(qū)域密實砂土、6區(qū)域砂-粉砂分布最多，局部為5粉砂和砂質粉土混合區(qū)域，另外在3區(qū)域黏土-粉質黏土區(qū)域分布也較多，表明局部可能存在吹填過程中軟土鼓包現(xiàn)象；
• 淤泥質土層CPTU數(shù)據點分布明顯集中在3黏土-粉質黏土區(qū)域，這表明原海底淤泥層經過吹填砂堆載和排水處理后，性質已經有改善；
• 粉質黏土層CPTU數(shù)據點也明顯集中在3黏土-粉質黏土區(qū)域；
• 殘積土層CPTU數(shù)據點絕大部分分布在3黏土-粉質黏土區(qū)域，且明顯為超固結土。

本文通過對澳門填海區(qū)域進行CPTU試驗和取土室內試驗分層對比，分別采用鐵道部土分類圖和國際上通用的Robertson土分類圖判斷CPTU試驗土質分層的準確性，對比分析可以看出，無論是在分層的精細程度還是準確程度上，Robertson分類圖都具有優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：

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