浅析孔压静力触探(CPTU)原位测试技术

摘要：孔压静力触探（CPTU）原位测试技术不仅能测得锥尖阻力和侧壁摩阻力，还可测得地下水位以下各土层的孔隙水压力及超孔隙水压力消散过程，在区分砂层和黏性土层时，分辨率极高。另外，CPTU测试对土体扰动很小，其测试数据能最大程度反映土体的真实性状。因此，CPTU原位测试技术在我国具有广阔的应用和发展空间。

关键词：孔压静力触探 超孔隙水压力 锥尖阻力 侧壁摩阻力

1 概述

孔压静力触探（CPTU）是在标准电测式圆锥静力触探贯入仪（CPT）的探头中安装上透水滤器及量测孔隙水压力的传感元件，对地基原状土体进行现场勘察、探测的一项技术。加入这些设备后，孔压静探贯入仪不仅可以与普通静力触探贯入仪一样能够测试到探头所受的锥尖阻力和侧壁摩阻力，当探头在饱和水土体内贯入时，还可以测试在土中的孔隙水压力。既可以测试到探头贯入引起的超孔隙水压力，还可以测试到探头停止贯入时超孔隙水压力随时间消散的过程[1]。

2 CPTU测试原理、测试设备及使用现状

2.1 CPTU测试原理

CPTU除可测锥尖阻力、侧壁摩擦力外， 还可测试地下水位以下各土层的孔隙水压力及超孔隙水压力消散过程。根据测得的超孔隙水压力消散曲线, 可以推求土层的渗透系数及固结系数等重要的土的工程性质参数, 对土层进行有效应力分析及计算, 亦可对其渗透固结及沉降变形进行分析计算。

2.2 CPTU测试设备

孔压静力触探设备，俗称孔压静力触探仪，一般由3部分构成：孔压静力触探头，量测记录仪表和贯入系统。孔压静力触探的探头包括摩擦筒、锥头以及透水滤器3部分；量测记录仪与孔压静力触探相配套的主要有4中类型：电阻应变仪、自动记录绘图仪、数字式测力仪及数据采集仪；孔压静力触探的贯入系统由触探主机（贯入装置）和反力装置两大部分组成，触动主机的作用是将底端装有探头的探杆一根一根地压入土中，反力装置的作用是平衡贯入阻力对贯入装置的反作用[2]。

2.3 CPTU使用现状

最早的电测式孔压静力触探是由挪威土工研究所（NGI）的Janbu和Senneset（1974）研制成功的。与此同时，瑞典的Torstensson（1975）和美国的Wissa等（1975）也研制出了能测孔压的CPT。1980年以后，出现了不少同时测孔压和侧阻力的研究成果，并在工程实践中应用[2]。因其具有理论系统、功能齐全、参数准确、精度高、稳定性好等优点，既可以用超孔压的灵敏性准确划分土层、判别土类，又可求取土的固结系数、渗透系数、动力参数、结构参数等，特别适合于软土工程的勘察[2～4]，目前已在欧美诸国已得到广泛的应用，积累了大量的应用经验。近年来，我国对CPTU测试技术的应用与研究也逐渐增强，但研究人员及资金投入相对较少、经验相对较少。

3 CPTU与其他检测方法优缺点对比

CPTU与CPT的主要区别就在于CPTU能测得地基土的超孔隙水压力，这也就表明CPTU在地基土层划分方面，具有较高的分辨率。CPTU 所测的超孔压与土渗透性密切相关，黏性土中产生的超孔压很大，而孔压探头从黏性土层进入砂性土层中时，超孔压急剧下降，在密实的砂土中，由于剪胀作用，还会使超孔压为负值，因而在区分砂层和黏性土层时，分辨率极高[5]。

以往都是采用钻孔取样、室内实验的方法测定地基土物理、力学指标。这种方法对土体的扰动过大，实验所取得的数据不能精确反映原位地基土的实际情况。尤其对于含水量高、流动性大的软土，有时难以成型进行实验，而这部分又是地基土层的薄弱环节，常常控制着设计。采用孔压静力触探就可以实现对原状地基土的现场实验，取得切合实际的数据。例如在固结系数这项指标，实验所得到的数据与钻孔取样的结果有时可相差一个数量级，这反映了两者在精确度上的差异。除了在精度上具有优势，CPTU还具备如下特点：使用方便；设备便于携带、运输快速可靠；大大缩短了获得实验结果的周期、实用性强；可获得土体的多种重要参数、应用范围广泛；适用于公路、桥梁、水利、建筑、铁路等很多领域，同钻孔取样等传统方法相比，可以节省勘探费用，具有更高的经济价值[6]。

4 CPTU测试影响因素

对于CPTU测试，因探头规格、技术标准和操作程序的差异，影响其测试结果的因素很多，且各种因素的影响程度各不相同。蔡国军等[2]根据前人室内模型试验、现场模拟试验及理论分析成果，对CPTU测试的影响因素进行了分析总结，主要表现为以下几方面：（1）仪器设计差别；（2）土的原位应力；（3）临界深度；（4）土的压缩性、胶结作用和粒径大小；（5）贯入速率；（6）孔压传感器的位置、尺寸与饱和；（7）温度；（8）测量的正确性（9）探孔的偏斜。

5 工程应用

临海高等级公路射阳段位于盐城－东台冲海积平原区，局部为海积盐田地貌。项目区内地势宽广平坦，河流纵横成网，地表水系发育，地面标高2.0～5.0m。根据详勘，场地揭露深度内土层自上而下可分为：1-1素填土、1-2（淤泥质）粉质粘土、1-2a粉质粘土、1-2c粉土（砂）、2-1粉土（砂）、2-2（淤泥质）粉质粘土、2-3粉砂等层组成。整个段落2-2层淤泥发育较为稳定，分布较连续，层顶面埋深9.0～24.0 m，层厚1.1～14.9m，软土埋深及厚度变化较大。

根据详勘资料，临海高等级射阳段的桥头路段需采用湿喷桩处理，湿喷桩需穿透2-2层软土，施工难度大且施工质量难以控制。考虑到详勘时机械钻孔对原状土的扰动，土的室内试验指标不能反映土的真实性状，因此采用CPTU（孔压静力触探）对地基进行测试。通过测试发现：

（1）CPTU与详勘揭示的土层分布基本一致，但CPTU对砂土和粘性土的分辨率极高；

（2）CPTU测出的2-2层软土的压缩模量是详勘值（室内试验）的2.3倍；

（3）CPTU测出的2-2层软土的不排水抗剪强度是详勘值的1.7倍。

采用CPTU测试数据，经计算发现，桥头路段不处理2-2层软土，路基工后沉降就能满足规范要求。这大幅降低了地基处理的造价。

6 结论与建议

（1）CPTU不仅能测得锥尖阻力和侧壁摩阻力，还可测得地下水位以下各土层的孔隙水压力及超孔隙水压力消散过程，在区分砂层和黏性土层时，分辨率极高。另外，CPTU测试对土体扰动很小，其测试数据能最大程度反映土体的真实性状。

（2）影响CPTU测试结果的因素有很多种，且各种因素的影响程度各不相同，对影响因素的进一步研究将对CPTU测试结果的修正产生重要作用。

（3）近年来，我国对CPTU原位测试技术的应用与研究逐渐增强，CPTU在我国具有广阔的应用和发展空间。

参考文献

[1] 田元，张小强.浅谈孔压静力触探[J].分析研究,2010,5(1).

[2] 刘松玉，吴燕开.关于我国静力触探技术(CPT)现状与发展[J].岩土工程学报,2004,26(4):553～556. Liu Songyu. On the strategy and development of CPT in China. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2004,26(4):553～556.

[3] 蔡国军，刘松玉，童立元，等.孔压静力触探(CPTU)测试成果影响因素及原始数据修正方法探讨[J].工程地质学报，2006，14(5)：632–636.(CAI Guojun,LIU Songyu,TONG Liyuan,et al. General factors affecting interpretation and corrections of primary data for the piezocone penetration test(CPTU) data[J]. Journal of Engineering Geology,2006,14(5):632–636.(in Chinese))

[4] 张国庆，陈维达，闫喜成，等.地基土原位勘探技术-孔压静力触探法介绍[J].黑龙江交通科技,1999,81(4):44-45.

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