時間平方根法評價隔離墻t50及固結(jié)系數(shù)

李學(xué)鵬，李彩華，陳榮保，蔡國軍

（1、佛山市禪城區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測站 佛山 528000；2、東南大學(xué)巖土工程研究所 南京 222100）

0 引言

孔壓靜力觸探技術(shù)（CPTU）是在探頭中加入孔壓傳感器以達(dá)到測試地下孔隙水壓力的目的，具有傳統(tǒng)靜力觸探測試錐尖阻力及側(cè)壁摩阻力的功能，又能測試孔隙水壓力及其消散過程［1-2］。由于操作簡便，測試范圍廣，測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等因素，CPTU 技術(shù)自問世來已在國內(nèi)外工程及科研中得到廣泛應(yīng)用［3-5］。

孔壓靜力觸探技術(shù)有助于評價粘性土的物理力學(xué)特性及固結(jié)滲透特性等［6］。TORSTENSSON［7］在分析孔壓消散過程中，將初始孔壓ui與靜水壓力u0的差值定義為超孔壓△u，如下：

而在孔穴擴(kuò)張理論中，如圖1所示，探頭貫入對土的應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生影響，可分為塑性區(qū)、剪切區(qū)及彈性區(qū)。超孔壓△u主要由兩部分組成［7］：①貫入引起的正應(yīng)力所產(chǎn)生的超孔壓△uoct；②貫入引起的剪應(yīng)力所產(chǎn)生的超孔壓△ushear，如下：

地表下孔隙水壓力隨時間逐步減小直至靜水壓力，或超孔隙水壓力逐步消散直至為0，如圖2 所表現(xiàn)的消散規(guī)律為標(biāo)準(zhǔn)消散類型。文獻(xiàn)［7］從排水條件出發(fā)，采用超孔壓消散50%的時間t50及理論解中的時間因子T50計算固結(jié)系數(shù)，這是目前最常用的計算固結(jié)系數(shù)方法，公式如下：

式中：r為探頭半徑（m）。

HOULSBY 等人［8］從大應(yīng)變有限元分析結(jié)果分析中，對T50進(jìn)行修正，并用新的修正時間因子T*替代，結(jié)合剛性指數(shù)Ir及孔壓消散時間t，固結(jié)系數(shù)ch如下：

而對于非標(biāo)準(zhǔn)消散類型，以現(xiàn)場某實(shí)驗(yàn)場地超孔壓消散曲線為例，如圖3所示，超孔壓呈現(xiàn)出先增大后減小的現(xiàn)象［9-11］。圖3 表明貫入引起的初始超孔壓△u=5.57 kPa，隨時間的推移而增加，當(dāng)t=95 s 時，△u增加到最大值7.969 kPa，隨后隨時間減少直至超孔壓消散為0 kPa。BURNS等人［12］應(yīng)用迭代計算程序的方法擬合孔壓消散過程，SULLY 等人［13］提出忽略孔壓上升那部分，將最大值看似為初始孔壓。CHAI 等人［14］在日本場地對t50值進(jìn)行修正，修正后的t50m替代t50，并得出t50與t50m的倍數(shù)關(guān)系為2.6～8.8。

基于時間平方根法的孔壓消散曲線如圖4 所示。時間平方根法以孔壓消散的時間平方根作為橫坐標(biāo)，孔壓或超孔壓的變化作為縱坐標(biāo)的研究方法。在貫入后的初始階段，孔壓先會提升至最大值，繼而消散。SULLY 等人［13］提出從最大值至消散過程后階段可近似看成一條直線，即孔壓及消散時間的平方根成線性關(guān)系，通過該直線反推至縱坐標(biāo)得出初始孔壓ui，這是對初始孔壓的一種修正方法。相比于原初始孔壓，修正的初始孔壓有所提高，并通過超孔壓消散一半即（ui-u0）計算所對應(yīng)的時間。DANZIGER［15］利用時間平方根法對孔壓消散過程進(jìn)行研究分析，認(rèn)為時間平方根法得出的結(jié)論是可靠的，進(jìn)一步驗(yàn)證了時間平方根法的可行性。

1 現(xiàn)場測試

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，CPTU 測試前需至少提前一天對孔壓過濾環(huán)進(jìn)行飽和，同時對探頭進(jìn)行標(biāo)定，將飽和好的孔壓過濾環(huán)裝入到探頭錐肩u2處，繼而連接電纜線與探頭，測試數(shù)據(jù)可在電腦上實(shí)時顯示。

1.2 測試現(xiàn)場

隔離墻試驗(yàn)段位于在垃圾填埋場周邊，隔離材料由5%天然基土含量和95%膨潤土含量拌和而成，地下水位位于地表下約1 m。測試探頭需貫穿隔離墻深度。探頭貫入后，孔壓處于上升期，當(dāng)孔壓上升到較大值時可停止貫入，之后進(jìn)行孔壓消散試驗(yàn)?？讐合⒃囼?yàn)較長，在消散過程中，可根據(jù)孔壓最大值及靜水壓力，初步判斷超孔壓消散50%的時間，達(dá)到該時間后原則上可停止消散試驗(yàn)，并通過消散數(shù)據(jù)作為下一步分析的依據(jù)［16］。

1.3 典型曲線

孔壓靜力觸探測試典型參數(shù)數(shù)據(jù)曲線如圖5 所示，可通過測試結(jié)果判段土層分布情況，尤其是錐尖阻力及孔隙水壓力沿深度的變化。其中，土-膨潤土的錐肩阻力較小，在深度約4 m內(nèi)，錐尖阻力基本維持在約0.15 MPa，下半段的錐尖阻力約0.33 MPa。在地下水位以下處，隨著貫入的深入，孔隙水壓力u2逐步提高，產(chǎn)生了較大超孔壓（u2-u0）。而探頭一旦進(jìn)入粉質(zhì)砂土層，孔壓迅速減小。

2 孔壓消散結(jié)果

當(dāng)孔壓達(dá)到較大值時，貫入停止后進(jìn)行抗壓消散試驗(yàn)，孔壓立即減小，直至消散至靜水壓力。土-膨潤土試驗(yàn)段孔壓消散時間過長，往往需要約24 h。為此，試驗(yàn)會出現(xiàn)兩種情況，即t≥t50及t＜t50?，F(xiàn)場常出現(xiàn)超孔壓未消散到一半就停止的現(xiàn)象。

2.1 修正初始孔壓

考慮到孔壓消散的上升期，初始孔壓不是孔壓最大值。文獻(xiàn)［13］認(rèn)為需對初始孔壓進(jìn)行修正，以得出修正后的初始孔壓。由圖4 可知，在孔隙水壓力減小的過程中，可判定為隨時間的線性減小，通過該直線反推與縱坐標(biāo)交點(diǎn)為修正后的初始孔壓。修正后的初始孔壓對于后續(xù)土體參數(shù)的評價至關(guān)重要。

2.2 消散時間t≥t50

消散時間t≥t50時基于時間平方根法的消散曲線如圖6 所示?？讐合y試深度為7.1 m。由圖4 可知，消散時間遠(yuǎn)大于t50值。初始孔壓非最大值，需對初始孔壓進(jìn)行修正，根據(jù)時間平方根法，修正后的初始孔壓ui為72.7 kPa。為更精確地得出t50值，結(jié)合靜水壓力值，超孔壓需消散一半即10.8 kPa，得出t50為1 142 s。

2.3 消散時間t＜t50

消散時間t＜t50時基于時間平方根法的消散曲線如圖7所示?？讐合y試深度為4.35 m?？紤]到孔壓消散時間過長，節(jié)約現(xiàn)場測試時間，此處的消散時間未達(dá)到t50值時停止了消散。由于孔壓消散減小過程可看成直線，通過該直線延長與超孔壓消散一半對應(yīng)的孔壓水平線有一處交點(diǎn)，該交點(diǎn)橫坐標(biāo)即為t50平方根。計算得知，該深度處的t50值為3 856 s。通過時間平方根法可節(jié)約現(xiàn)場試驗(yàn)時間，該深度的孔壓現(xiàn)場消散時間為2 339 s，而實(shí)際需要的消散時間為3 856 s，即節(jié)約39%的消散時間。

2.4 原因分析

考慮到本工程為正常固結(jié)土，出現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)消散的主要原因是前期孔壓過濾環(huán)未充分飽和問題。貫入前安裝的過濾環(huán)因未充分飽和，從而導(dǎo)致探頭貫入至地下水位時，地下水會進(jìn)入探頭處直至飽和，故而此時的孔壓會先增大，故而孔壓消散試驗(yàn)時先出現(xiàn)孔壓增大的現(xiàn)象。當(dāng)孔壓過濾環(huán)充分飽和后，孔壓才會隨時間的消散逐步減小。

2.5 固結(jié)系數(shù)

基于SULLY時間對數(shù)法、時間平方根法［13］及修正t50m法［14］的固結(jié)系數(shù)值如圖8 所示。通過時間平方根法，測試場地的固結(jié)系數(shù)值為0.01～0.08 cm2/min?；跁r間對數(shù)法及時間平方根法得出的固結(jié)系數(shù)值比較接近，而修正t50m法得出的固結(jié)系數(shù)值較前二者大。以上方法均是對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，但原理及修正參數(shù)不同，時間對數(shù)法及時間平方根法是對初始孔壓進(jìn)行修正，而修正t50m法是對t50的修正。

3 結(jié)論

⑴非標(biāo)準(zhǔn)消散類型的孔壓先增大再減小，對初始孔壓的修正至關(guān)重要，時間平方根法利用線性關(guān)系進(jìn)行反推，得出修正后的初始孔壓值。

⑵在消散時間t＜t50時，時間平方根法可通過消散直線的延長與超孔壓消散一半對應(yīng)的孔壓水平線的交點(diǎn)判定為預(yù)測的t50值，從而節(jié)約現(xiàn)場測試時間。

⑶通過時間平方根法分析得出測試場地隔離墻的固結(jié)系數(shù)為0.01～0.08 cm2/min。文獻(xiàn)［13］的時間對數(shù)法、時間平方根法得出的固結(jié)系數(shù)比較接近，而文獻(xiàn)［14］的修正t50m法得出的固結(jié)系數(shù)較前兩種方法更大。