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澳门填海区基于CPTU试验的土质分类比较
发布时间:2021-07-23 浏览次数:347 来源:欧美大地

通过将引进Geomil公司带孔隙水压力测试功能的静力触探(CPTU)试验仪器,应用于澳门填海区进行原位测试,将CPTU测得的锥尖阻力qc、侧壁摩阻力fs以及孔隙水压力u2,按照国内铁道部基于双桥静力触探的土质分类图进行分类,同时采用国际通用的归一化处理方法后,利用Robertson CPTU土质分类图进行分类,将二者的结果与同一个场地钻孔取样室内试验获得土的分类结果进行对比,判断国内基于CPT试验的土质分类方法和Robertson分类方法的准确性和精细度,为澳门地区CPTU试验应用积累经验。

本文来源:徐威, 郑华文, 陶旭光. 澳门填海区基于CPTU试验的土质分类比较[C]. //第十五届全国工程物探与岩土工程测试学术大会, 2017.

 

近年来随着国外工程的增多,技术交流也日益增多,CPT/CPTU试验数据的对接成为较为紧迫的问题。笔者所在公司以港澳地区为窗口,通过澳门地区的填海和路桥工程与国外的咨询公司进行交流,是国内第一家引进荷Geomil公司先进的孔压静力触探(CPTU)仪器设备的公司,并结合国内的工程经验进行合理的改进,成功将其应用于澳门地区多个工程项目,积累了较多的经验。本文结合在澳门地区的CPTU应用经验,利用国内和国际上的CPT/CPTU土质分类图分析CPTU试验参数,并划分土层,通过与采取原状土样进行室内试验所划分的土层进行对比来判断两种土质分类图的精细度和准确性。

 

工程介绍

澳门地区土地资源宝贵,在某填海工程场地进行了大量的现场CPTU试验,并在对应的CPTU测试点位之间布置了取土试样钻孔,用以对比CPTU试验数据。

根据地勘结果显示,场地内主要分布的土层为:表层为灰黄色吹填砂,主要为中粗砂;其下为灰色沉积软黏性土、灰黄色粉质黏土、灰色黏土、砂混黏性土,以及残积土、花岗岩风化层。在场地内选取地层分布较为均匀的一段,进行CPTU试验和钻孔取土室内试验,将二者的土层划分进行对比。

场地地质剖面图

 

Geomil带孔压静力触探(CPTU)设备主要包括:履带式自动行进车、自动夹具、带孔隙水压力测试的探头、数据自动测试采集系统以及探杆等。

CPTU探头主要包括:锥尖(Cone)、摩擦侧壁(Friction sleeve)、位于锥肩的透水石孔压传感器(Pore pressure filter)。

通过传感器直接测得的指标包括:锥尖阻力qc(MPa)、侧壁摩阻力fs(MPa)、孔隙水压力u2(MPa),以及倾斜度Ic

探头的主要参数:锥尖顶角为60°,锥尖底截面面积为10cm2,侧壁摩擦筒面积为150cm2,透水石位于锥肩。

CPTU探头结构示意图

GEOMIL数字式探头D-Cone系列

 

CPT/CPTU常用的土质分类方法

国内使用的双桥探头可根据获得的锥尖阻力qc 和侧壁摩阻力fs 计算出摩阻比Rf,计算公式如下:

Rf=fs/qc

根据qc和Rf的关系,可以判断土的分类,我国铁道部《铁路工程地质原位测试规程》基于CPT的土类划分方法,使用双桥触探时,按照下图分类。

铁道部双桥静力触探土的分类图

然而由于锥尖端面存在压力不平衡效应的影响,对于饱和黏性土,特别是软黏土,在触探深度很大时,qc值明显减小,fs值也会发生改变,从而使Rf值产生明显误差。对于这种情况,仅仅采用双桥探头是无法解决的,因此国际上多采用孔压修正后的参数进行土的分类,Robertson(1990)采用归一化的参数,建立了以归一化锥尖阻力Qt、归一化摩阻比Fr和孔隙水压力比Bq的土的分类图,此分类图将土的种类归于9类:

  1. 灵敏细粒土(Sensitive, fine grained);
  2. 有机质土、泥炭(Organic soil-clay);
  3. 黏土-粉质黏土(Clay-silty clay to clay);
  4. 黏质粉土-粉质黏土(Silt mixture-clayed silt to silty clay);
  5. 粉砂-砂质粉土(Sand mixtures-silty sand to sandy silt);
  6. 砂-粉砂(Sands-clean sand to silty sand);
  7. 砾砂-密实砂(Gravelly sand to dense sand);
  8. 极密实砂-黏质砂(Very stiff sand to clayey sand);
  9. 级配良好极密实砂(Very stiff fine grained)

并且考虑了上覆应力的影响,修正了由测试深度的增加导致的锥尖阻力qc、侧壁摩阻力fs和孔隙水压力u2增大对土的分类的影响,在国际上获得了较好的应用,准确率也可以达到80%以上。归一化的分类图是采用归一化摩阻比Fr~归一化锥尖阻力Qt进行分类。

Robertson归一化土的分类图

 

归一化方法修正公式和步骤

考虑到锥尖阻力受到孔隙水压力影响,进行孔压修正后的锥尖阻力qt

qt=qc+(1-a)u2

a=An/Ac

其中,a为探头的有效面积比;

An为探头空心柱截面积;

Ac为锥端截面积。

探头锥端部分示意图

净锥尖阻力:qn=qt-σv0,其中,σv0为上覆应力;

归一化的锥尖阻力:Qt=qn/σ’v0

其中,σ’v0为上覆有效应力,

考虑到孔隙水压力的影响:σ’v0=σv0-u0

其中,u0为静孔隙水压力,随深度变化。

孔隙水压力比:Bq=Δu/qn

其中,Δu为超孔隙水压力,

表达式为:Δu=u2-u0

归一化的摩阻比:Fr=fs/(qt-σv0)×100%。

 

CPTU试验操作过程和方法

在澳门填海工程的CPTU测试过程中,按照以下方法进行操作:

标定

首先对探头进行标定;

饱和

试验前一天将探头和透水石在硅油中进行抽气饱和,并且将饱和后的探头保持密封浸泡在硅油中直至试验入土前去掉密封膜;

试验加载

加载速率为1.2m/min,加载过程保持平稳匀速;

深度记录

采用深度记录仪自动记录深度;

数据采集

数据采集仪与电脑连接好,在探头入土前悬挂静止,数据采集软件进行清零。

孔隙水压力消散试验

当需要在软土层中进行孔隙水压力消散试验,达到试验深度时立即锁死加载系统,同时开始消散试验,达到最大试验深度后,上提探头直至离开泥面后,校核零载时的各项指标是否满足要求,保证试验的准确性。

GEOMIL数字式探头数据采集系统

 

试验数据的处理

典型的CPTU直接采集到的数据生成qc-h关系图、fs-h关系图、Rf-h关系图、u2-h关系图。

相邻钻孔采取原状土样进行室内试验,在上部吹填砂层中采用环刀取土器采取砂样,在软黏性土层中采用薄壁取土器静压法取样,在硬黏性土层中采用敞口活阀取土器取样,土样采取后立即进行蜡封保存,运送过程中尽量避免土的扰动。根据室内试验结果,该场地的土层物理性质指标如表所示。

根据CPTU试验孔临近钻孔的初步地层划分,可以对应地将CPTU采集到的数据点按土层分类,然后将数据点点绘在铁道部的土质分类图上,结果见图。

从以上数据分析可以得出:

  • 吹填砂层CPTU数据点分布较为离散,主要分布于砂土和各类土交界的混合土区域,少量数据点分布于粉土区域,因场地表部吹填砂层为人工吹填形成,成分以砂为主但不排除局部含泥量和级配有差别,更有可能在吹填施工过程中导致软土鼓包,所以数据点分布于以砂为主、局部分布于黏性土和砂混合土区域较为合理。
  • 粉质黏土层CPTU数据点主要分布于粉质黏土和粉土区域,因粉土中的黏粒含量对土的性质影响较大,因此简单地通过锥尖阻力qc和摩阻比Rf较难准确区分粉质黏土和黏质粉土。
  • 砂混黏性土层CPTU数据点主要分布于粉土区域,相比于砂土,砂土中的黏性土对侧壁摩阻力fs影响较大,从而导致该层的摩阻比较大,而砂土中的黏性土又降低了密实度,导致锥尖阻力qc较小。
  • 残积土层的CPTU数据点分布最离散,除砂土区域分布较少,其他区域皆有分布,从钻孔取样判断,残积土主要呈现黏性土特征,可以成团,可搓成条,但局部粉性较重,混石英残留颗粒。CPTU曲线表现特征为锥尖阻力qc不大,但摩阻比Rf较大,且变化跳跃性大。

 

下面按照归一化的处理原则,将试验获得的锥尖阻力qc、侧壁摩阻力fs、孔隙水压力u2带入归一化方法修正公式,分别求出归一化锥尖阻力Qt、归一化摩阻比Fr和孔隙水压力比Bq,然后按照临近钻孔地层进行初步的地层分类,在Robertson Fr-Qt分类图上点绘各个采集到的数据点,分类结果如图所示。

从Robertson分类图上CPTU数据点的分布分析可以得出:

  • 吹填砂层CPTU数据点分布依然较为离散,相比于铁道部分类图,Robertson分类更为明细,7区域密实砂土、6区域砂-粉砂分布最多,局部为5粉砂和砂质粉土混合区域,另外在3区域黏土-粉质黏土区域分布也较多,表明局部可能存在吹填过程中软土鼓包现象;
  • 淤泥质土层CPTU数据点分布明显集中在3黏土-粉质黏土区域,这表明原海底淤泥层经过吹填砂堆载和排水处理后,性质已经有改善;
  • 粉质黏土层CPTU数据点也明显集中在3黏土-粉质黏土区域;
  • 残积土层CPTU数据点绝大部分分布在3黏土-粉质黏土区域,且明显为超固结土。

 

结论

本文通过对澳门填海区域进行CPTU试验和取土室内试验分层对比,分别采用铁道部土分类图和国际上通用的Robertson土分类图判断CPTU试验土质分层的准确性,对比分析可以看出,无论是在分层的精细程度还是准确程度上,Robertson分类图都具有优势,主要表现在:

  • 对吹填砂层中的砂-粉砂-砂混合土的分类较为精细,在填海工程中可以对吹填砂的含泥情况有初步的判断。
  • 对于经过排水预压处理的软土,铁道部土质分类图位于界限上,较难准确判断土的类别,而Robertson分类图则可以明确判断。
  • 对于残积土类,铁道部分类图呈现离散分布,无法判断土的类别,而Robertson分类图则可以准确判断出残积土以黏性土为主,并且采用归一化的处理后,对土的应力历史有较为准确的判断。
  • 本文中土的分类标准,室内试验采用我国水运工程分类,而Robertson分类多采用ASTM分类标准,如果要进一步准确进行对比,需按照ASTM标准对土进行分类

 

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