2013年第9期王建军等：孔压静力触探(CPTU)计算软土周结系数及其在港珠澳大桥工程中的应用一57一 CampanellaRobertson(1981),De kuiten(1982 质(2)土体变形是微小的：(3)土颗粒和孔隙水压缩 将孔隙水压力测试部分与电测静力触探仪结合，将 忽路不计，(4)土中孔隙水渗流服从Darye定律， 其合名为孔压静力触探后，GuPta、Kabir和The等 透系数为常数；(5)荷载一次解时施加且恒定，土体 先后采用CPTU求取了地基原位固结系数：1986年 承受的总应力不随时间变化。 Baligh和Levadoux发表了孔压静探估算固结系 固结系数计算方法 方面的综合研究报告，主要结论为：(1)探头周围衫 根据太沙基(TerZaghi)固结理论，应用CPTU 始超孔压分布对消散过程有很大影响：(2)消散水斗 求解固结系数的公式为： 主要由水平向固结系数控制：(3)固结主要以再压缩 C-TR (1) 模式进行，尤其在消散少于50%时。 我国在20世纪80年代后期也开始研制和使用 式中：T为时间因素：1为消散时间：R为探头 孔压静探技术，主要限制在少数大学和科研单位 圆锥半径。 同济大学、中国地质大学，南京水力科学研究院以及 时间因素T与超孔隙水压力之间的关系是由 铁道部第四勘察设计院等，对孔压静探在实际应用 CPTU求解固结系数的关键回。关于利用CPTU 方面进行了有益的探索。但由于设备、造价、操作及 来确定土的固结系数的问题，在过去的10~15年 规范制定落后等方面的原因，孔压静探在工程界未 中，提出了许多理论和经验的方法，Lunne等对 能大范围应用 进入90年代，随着孔压静探研究的 CPTU试验成果预测固结系数的方法进行了很好 深入和推广，我国已经能够自行研制生产出性能移 的档括6]，结果见表1】。 定可靠、价格经济合理的国产孔压探头，大范围推广 基于对空穴类型、土类模型和消散过程的选择 和使用孔压静探成为可能。 模型不同，所建立的计算固结系数的方法也不同，这 实聘证明，孔压探别话用的水软+地风 里主要介绍Torstensson(1977)提出的方法。Tor 我国的沿海广大地区分布着大范围含水量很高的 stensson基于孔穴扩张理论对孔压消散规律进行解 黏士层，随着沿海地区基础建设的兴起，孔压静探迎 程】，他用土的弹性模型和球形成圆柱形孔穴 来了一个新的发展契机，必将发挥越来越重要的 扩张理论计算初始超孔压，用线性单面排水条件： 作用。 算超孔压的消散，建议使用消散50%的参数来计算 固结系数，即： 2利用CPTU求解固结系数 C-Ten (2) 21固结理论基础 太沙基(terzaghi)在1925年提出.土体固结变 式中：To为理论解中的时间因数：t0为孔压消 形的特点和机理是：土题粒压缩性很小，一般认为其 散50%时所对应的时间：r。为圆锥探头半径（圆柱 不可压缩。土体的变形是孔隙流体的流失及气体佛 形模型)或等价探头半径（球形模型） 积减小、颗粒重新排列、粒间距离缩短、骨架体发 基于贯入时孔压的大应变有限元分析结果和孔 错动的结果。对于饱和的两相土，孔隙水压缩量很 压消散的有限差分分析，Houlsby和Teh提出 小，孔隙水体积的变化主要因为孔隙水的排出。由 解译方法可，米用Levadoux Baligh相似的理 于孔隙体积变化和颗粒重新排列需要有一个时间过 论，考虑了刚度指数1，的变化效应。研究表明，由 程，因此土体固结变形与时间有关。土体所受荷载 于初始孔压分布取决于刚度指数1，因此提出应果 (总应力)在作用鲜时，主要由孔隙流体承担，随后 用修正的时间因数T取代原时间因数T0,其定义 由于孔隙流体逐渐渗出，孔隙压力逐渐消散，有效应 如下： 力溪海增加。土的变形速率取决于引跛水排出的速 T■ (3) 率，即孔演水压力消散的速率。在恒定外压下，当孔 2元 隙水压力消散完成，固结终了。为了便于分析和求 解，达到解决问和简化计算的目的，TerZgahi C-TanT (4 50 了如下基本假设0： 23各参数的确定 (1)土是均质的各向同性，完全饱和的线弹性介 (1)半径，的确定。 C1994-2019 China ronie Publishing House. All rights reserved. /www.cnki.net Ｃａｍｐａｎｅｌｌａ和 Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ（１９８１）、Ｄｅｋｕｉｔｅｎ（１９８２） 将孔隙水压力测试部分与电测静力触探仪结合，将 其命名为孔压静力触探后，ＧｕＰｔａ、Ｋａｂｉｒ和 Ｔｈｅ等 先后采用ＣＰＴＵ 求取了地基原位固结系数；１９８６年 Ｂａｌｉｇｈ和 Ｌｅｖａｄｏｕｘ发表了孔压静探估算固结系数 方面的综合研究报告，主要结论为：（１）探头周围初 始超孔压分布对消散过程有很大影响；（２）消散水平 主要由水平向固结系数控制；（３）固结主要以再压缩 模式进行，尤其在消散少于５０％时。 我国在２０世纪８０年代后期也开始研制和使用 孔压静探技术，主要限制在少数大学和科研单位，如 同济大学、中国地质大学、南京水力科学研究院以及 铁道部第四勘察设计院等，对孔压静探在实际应用 方面进行了有益的探索。但由于设备、造价、操作及 规范制定落后等方面的原因，孔压静探在工程界未 能大范围应用。进入９０年代，随着孔压静探研究的 深入和推广，我国已经能够自行研制生产出性能稳 定可靠、价格经济合理的国产孔压探头，大范围推广 和使用孔压静探成为可能。 实践证明，孔压静探特别适用于饱水软土地区， 我国的沿海广大地区分布着大范围含水量很高的软 黏土层，随着沿海地区基础建设的兴起，孔压静探迎 来了一 个 新 的 发 展 契 机，必 将 发 挥 越 来 越 重 要 的 作用。 ２ 利用 ＣＰＴＵ求解固结系数 ２．１ 固结理论基础 太沙基（ＴｅｒＺａｇｈｉ）在１９２５年提出，土体固结变 形的特点和机理是：土颗粒压缩性很小，一般认为其 不可压缩。土体的变形是孔隙流体的流失及气体体 积减小、颗粒重新排列、粒间距离缩短、骨架体发生 错动的结果。对于饱和的两相土，孔隙水压缩量很 小，孔隙水体积的变化主要因为孔隙水的排出。由 于孔隙体积变化和颗粒重新排列需要有一个时间过 程，因此土体固结变形与时间有关。土体所受荷载 （总应力）在作用瞬时，主要由孔隙流体承担，随后， 由于孔隙流体逐渐渗出，孔隙压力逐渐消散，有效应 力逐渐增加。土的变形速率取决于孔隙水排出的速 率，即孔隙水压力消散的速率。在恒定外压下，当孔 隙水压力消散完成，固结终了。为了便于分析和求 解，达到解 决 问 题 和 简 化 计 算 的 目 的，ＴｅｒＺｇａｈｉ作 了如下基本假设［４］： （１）土是均质的各向同性、完全饱和的线弹性介 质；（２）土体变形是微小的；（３）土颗粒和孔隙水压缩 忽略不计；（４）土中孔隙水渗流服从 Ｄａｒｙｃ定律，渗 透系数为常数；（５）荷载一次瞬时施加且恒定，土体 承受的总应力不随时间变化。 ２．２ 固结系数计算方法 根据太沙基（ＴｅｒＺａｇｈｉ）固结理论，应用 ＣＰＴＵ 求解固结系数的公式为： Ｃ＝Ｔ ｔ Ｒ２ （１） 式中：Ｔ 为时间因素；ｔ为消散时间；Ｒ 为 探 头 圆锥半径。 时间因素Ｔ 与超孔隙水压力之间的关系是由 ＣＰＴＵ 求解 固 结 系 数 的 关 键［５］。关 于 利 用 ＣＰＴＵ 来确定土的 固 结 系 数 的 问 题，在 过 去 的１０～１５年 中，提 出 了 许 多 理 论 和 经 验 的 方 法。Ｌｕｎｎｅ 等 对 ＣＰＴＵ 试验成 果 预 测 固 结 系 数 的 方 法 进 行 了 很 好 的概括［６］，结果见表１［１］。 基于对空穴类型、土类模型和消散过程的选择 模型不同，所建立的计算固结系数的方法也不同，这 里主要介绍 Ｔｏｒｓｔｅｎｓｓｏｎ（１９７７）提 出 的 方 法。Ｔｏｒ－ ｓｔｅｎｓｓｏｎ基于孔穴扩张理论对孔压消散规律进行解 释［７，８］，他用土 的 弹 塑 性 模 型 和 球 形 或 圆 柱 形 孔 穴 扩张理论计算初始超孔压，用线性单面排水条件计 算超孔压的消散，建议使用消散５０％的参数来计算 固结系数，即： Ｃｈ＝Ｔ５０ ｔ５０ ｒ０ ２ （２） 式中：Ｔ５０为理论解中 的 时 间 因 数；ｔ５０为 孔 压 消 散５０％时 所 对 应 的 时 间；ｒ０为 圆 锥 探 头 半 径（圆 柱 形模型）或等价探头半径（球形模型）。 基于贯入时孔压的大应变有限元分析结果和孔 压消散的有限差分分析，Ｈｏｕｌｓｂｙ和 Ｔｅｈ 提出了一 个解译 方 法［９］，采 用 Ｌｅｖａｄｏｕｘ－Ｂａｌｉｇｈ 相 似 的 理 论，考虑了 刚 度 指 数Ｉｒ的 变 化 效 应。研 究 表 明，由 于初始孔压分布取决于刚度指数Ｉｒ，因此提出应采 用修正的时间因数Ｔ＊ ５０取代原时间因数 Ｔ５０，其定义 如下： Ｔ＊ ５０＝ Ｃｈｔ５０ ｒ５０２ 槡Ｉｒ （３） Ｃｈ＝Ｔ＊ ５０ｒ０ ２ 槡Ｉｒ ｔ５０ （４） ２．３ 各参数的确定 （１）半径ｒ０的确定。 ２０１３年 第９期 王建军等：孔压静力触探（ＣＰＴＵ）计算软土固结系数及其在港珠澳大桥工程中的应用 — ７５ —