加?瑞，雷華陽，馮雙喜

溫度對CPTU在海底泥中測試結(jié)果的影響及修正方法

加?瑞1, 2，雷華陽1, 2，馮雙喜1, 2

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350；2. 天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室，天津 300350)

溫度改變會影響孔壓靜力觸探(CPTU)的測量結(jié)果．利用CPTU調(diào)查了海底泥的特性，由于海底泥的錐尖阻力(c)和側(cè)壁摩阻力(s)較小而且調(diào)查時海底泥和海水中的溫差較大，s大多數(shù)是負(fù)值且隨深度逐漸減?。畵?jù)此提出了在沒有安裝溫度傳感器的情況下考慮溫度對CPTU在海底泥中測試結(jié)果影響的修正方法：首先通過室內(nèi)溫度校正試驗獲得c和s的溫度校正系數(shù)；然后假設(shè)淺層海底泥的s隨深度線性增加，根據(jù)相關(guān)測量結(jié)果或經(jīng)驗估計“實際”的s剖面；再根據(jù)測量和“實際”的s剖面的區(qū)別估計地基中的溫度剖面；最后根據(jù)溫度剖面和溫度校正系數(shù)對CPTU的測量結(jié)果進行溫度修正．對本文CPTU測試數(shù)據(jù)的溫度修正結(jié)果表明，如果不考慮溫度的影響，CPTU在海底泥中的s會被低估，其值會隨深度減小甚至變?yōu)樨?fù)值；在約3.5m深度處，海底泥的t(考慮孔壓修正的錐尖阻力)可能會被高估50%以上；海底泥的不排水抗剪強度(u)將會被高估，溫度修正后CPTU所得u更接近于室內(nèi)試驗所得的u．在本文所建議的修正方法中，唯一不確定的參數(shù)是正常固結(jié)海底沉積物的s隨深度的增加率()．本文通過反分析得出的＝0.2kPa/m，黏土礦物類型和沉積環(huán)境等因素可能會影響的大?。畬嶋H中應(yīng)該根據(jù)相關(guān)的測量數(shù)據(jù)確定的大小，如果沒有相關(guān)的測量數(shù)據(jù)，可以采用本文建議的值．

孔壓靜力觸探(CPTU)；海底泥；溫度修正方法；地基溫度

孔壓靜力觸探(CPTU)是一種有效和經(jīng)濟的原位測試方法，已被廣泛應(yīng)用于巖土工程實踐[1-3]．CPTU可以提供接近連續(xù)的錐尖阻力(c)、側(cè)壁摩阻力(s)及孔隙水壓力()的測量數(shù)據(jù)，這些測量數(shù)據(jù)可用于劃分土層[4]和估計巖土工程參數(shù)[5-6]，如不排水抗剪強度和超固結(jié)比等．另外，在某一深度停止貫入可以測量超孔隙水壓力的消散過程，孔壓消散試驗結(jié)果可用于原位評估指定深度土體的固結(jié)滲透特性[7]．

目前電測式的靜力觸探通常使用電阻應(yīng)變片來測量c和s，應(yīng)變片被貼于壓力傳感器上，應(yīng)變片受到力的作用引起電阻變化，進而使電壓變化，從而通過測量微電壓可以測量應(yīng)變[8]．然而，應(yīng)變片的電阻不僅會隨著受力變化，而且會隨著溫度變化，因為溫度改變會使壓力傳感器和應(yīng)變片膨脹或收縮，還會影響應(yīng)變片的電阻系數(shù)[9]．因此，溫度改變會影響CPTU的初讀數(shù)(“溫漂”現(xiàn)象)，從而影響CPTU的測量結(jié)果．雖然目前在靜力觸探探頭中使用溫度自補償應(yīng)變片可以減小溫度的影響，但并不能完全消除溫度效應(yīng)[8]．Lunne等[10]通過室內(nèi)試驗指出25℃的溫度變化會使商用靜力觸探探頭的c和s分別變化760kPa和28kPa．Nader等[11]利用靜力觸探試驗調(diào)查了加拿大渥太華地區(qū)海相黏土的特性，證實了溫度對靜力觸探測試結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)18℃的溫度變化會使c增加166kPa，s減小22kPa．因此，如果在地基和空氣中溫差較大的冬天或夏天，CPTU的測試結(jié)果將存在誤差，在強度較小的黏性土中這種誤差將不可忽略．Konrad[12]通過室內(nèi)試驗調(diào)查了使用靜力觸探確定軟黏土特性的能力，指出盡管考慮了溫度補償，溫度變化會引起c的初讀數(shù)(0.03% FSO/℃，F(xiàn)SO為總量程)和s的初讀數(shù)(－0.04% FSO/℃)的漂移，從而會導(dǎo)致軟黏土中測量結(jié)果的較大誤差，提出通過預(yù)鉆孔代替從地表貫入可以減小這種誤差．Lee等[13]指出利用溫度傳感器或重新貫入的試驗方法可以有效地修正溫度對靜力觸探測試結(jié)果的影響．

目前有兩種方法可以避免或修正“溫漂”，一種是確保試驗開始和完成后的初讀數(shù)是在與地基溫度相等的溫度環(huán)境下讀取的；另一種是在探頭中安裝溫度傳感器，然后根據(jù)室內(nèi)溫度校正曲線修正測量結(jié)果．如果地基中的溫度隨深度變化不大，可以采用第1種方法，在空載和溫度恒定的環(huán)境下獲得所有傳感器的初讀數(shù)．如果試驗前不能確定地基中的溫度或地基中的溫度隨深度變化較大，需要采用第2種方?法[14]．然而，在實際工程中大多數(shù)的CPTU沒有安裝溫度傳感器[15]，在這種情況如何考慮溫度對靜力觸探測試結(jié)果的影響及提出修正溫度效應(yīng)的方法值得研究．

本文利用CPTU調(diào)查了日本有明海諫早灣海底泥的特性，因為調(diào)查是在冬天進行，由于海底泥與海水中的溫差較大，s大多數(shù)是負(fù)值且隨深度逐漸減?。畵?jù)此提出了在沒有安裝溫度傳感器的情況下對CPTU測量數(shù)據(jù)的溫度效應(yīng)進行修正的方法：首先利用測量的s剖面、溫度校正系數(shù)和地面一定深度處的溫度估計出“實際”的s剖面；然后根據(jù)測量s剖面和“實際”s剖面的區(qū)別以及溫度校正系數(shù)可以得出地基中的溫度剖面；最后對CPTU在海底泥中的測試數(shù)據(jù)進行了修正，并對比了室內(nèi)試驗得到的不排水抗剪強度(u)和溫度修正前和溫度修正后CPTU所得的u．

1?海底泥靜力觸探測試結(jié)果

1.1?調(diào)查地點和方法

利用孔壓靜力觸探(CPTU)調(diào)查了日本有明海諫早灣海底泥的特性，總共在63個地點進行了調(diào)查，其中堤壩的內(nèi)側(cè)24個地點，外側(cè)39個地點，具體的調(diào)查地點如圖1所示．

圖1?CPTU試驗地點

在堤壩外側(cè)的8個地點進行了兩次試驗，因此，總共進行了71次試驗．因為測量在水上進行且底泥相對較軟，試驗裝置被放置在船上，通過卷揚機和滑輪裝置控制靜力觸探儀的升降，利用自重和配加的重量(總質(zhì)量約為75kg)進行貫入，貫入深度可達到底泥表面以下4m的深度．另外，為了驗證CPTU的測量結(jié)果，利用直徑為75mm和長度為1m的薄壁取土管獲得了26管不擾動土樣，試樣取出后在現(xiàn)場用可攜帶的十字板剪切儀立即測量了試樣不同深度的u．關(guān)于調(diào)查裝置和方法的詳細(xì)描述可參見文獻[16].

1.2?典型試驗結(jié)果

圖2和圖3為a4和c3兩個地點的CPTU的試驗結(jié)果．CPTU可以直接測量得到c、s和孔隙水壓力()，考慮孔壓修正的錐尖阻力(t)的計算式為

式中為探頭有效面積比，本文采用的探頭的為0.75．u的計算式為

（a）修正錐尖阻力t（b）側(cè)壁摩阻力s

（c）孔隙水壓力（d）不排水抗剪強度u

圖2?a4地點的CPTU的試驗結(jié)果

Fig.2?CPTU test results at location a4

（a）修正錐尖阻力t（b）側(cè)壁摩阻力s

（c）孔隙水壓力（d）不排水抗剪強度u

圖3?c3地點的CPTU的試驗結(jié)果

Fig.3?CPTU test results at location c3

2?測試結(jié)果的溫度修正

2.1?溫度校正系數(shù)

Mimura等[19]在室內(nèi)測量了本文所用探頭的初讀數(shù)隨溫度的變化情況，從圖4可以看出，用于測量c、s和的電阻應(yīng)變片的應(yīng)變隨著溫度的變化而變化．本文所用探頭的s和c的總量程(FSO)分別為1000kPa和30MPa，從圖4可得s和c的溫度校正系數(shù)和分別為-0.4kPa/℃和10.0kPa/℃，即0.04FSO/℃和0.03FSO/℃，滿足ASTM標(biāo)準(zhǔn)對探頭熱穩(wěn)定性的要求(0.05FSO/℃)[8]．

然而，如果地基中的溫度與初始溫度相差很大(如夏天或冬天)而且c和s的值較小(如在非常軟的海底泥中)，由于溫差引起的初讀數(shù)偏移仍會產(chǎn)生較大的誤差，在實際工程中應(yīng)該考慮溫度的影響．與c和s相比，溫度對的測量誤差較小，因海底泥中產(chǎn)生的孔隙水壓力通常較大且溫度對的初讀數(shù)影響較小(圖4)，可不考慮溫度對的影響．

圖4?溫度對CPTU初讀數(shù)的影響

2.2?溫度修正方法

如果CPTU中安裝了溫度傳感器，可以通過測量的溫度和溫度校正系數(shù)對測量結(jié)果直接進行溫度修正，但是實際工程中大多數(shù)的CPTU并沒有安裝溫度傳感器[15]．在CPTU中沒有安裝溫度傳感器的情況下，建議采用下面的方法對CPTU的測量結(jié)果進行溫度修正．

(1) 獲得溫度校正系數(shù)．s和c的溫度校正系數(shù)(和)可以通過室內(nèi)溫度校正試驗獲得，如第2.1節(jié)所示．

(2) 估計“實際”的s剖面．對于海底泥或非常軟的黏性土沉積物，可以假設(shè)s隨深度線性增加，s隨深度的增加率()可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗進行估計，或者如果知道地基中某一深度處(圖5(a)中的點)的溫度值，根據(jù)這一深度測量的s值以及溫度校正系數(shù)就可以計算出該深度處“實際”的s值，從而依據(jù)地表的s測量值和s隨深度線性增加的假設(shè)，即可得出值和“實際”的s剖面．

（a）fs測量值和估計“實際”值 （b）估計的溫度剖面 （c）qt測量值和實際值

(3) 估計地基中的溫度剖面．假設(shè)測量和“實際”的s剖面的區(qū)別是由于溫差引起的(D)，則估計地基中溫差的公式為

式中：D為溫差；sm為不同深度處s的測量值；si為地表s的測量值；為距地表的深度；為s的溫度校正系數(shù)．

(4) 對CPTU的測量結(jié)果進行溫度修正．根據(jù)估計的溫度剖面(圖5(b))和c的溫度校正系數(shù)()可以計算溫差引起的t(D)，從而可以獲得實際的t(圖5(c))，進而可以得到溫度修正后的u．

2.3?溫度修正結(jié)果

由圖4可以，s和c的溫度校正系數(shù)和分別-0.4kPa/℃和10.0kPa/℃．Moqsud等[20]通過在底泥的不同深度處插入熱電偶測量了不同深度底泥中的溫度隨季節(jié)的變化情況．測量結(jié)果表明底泥表面下溫度變化較大，隨深度增加逐漸趨于某一固定值，在冬季底泥表面和距底泥表面4m深處的溫差大約為10℃．本文的調(diào)查是在冬季進行的，假設(shè)溫差為10℃，則溫度引起的s為－4kPa．在地點a4和c3距底泥表面4m深處s的測量值大約為-3kPa和-2.8kPa，因此實際的s大約為1kPa和1.2kPa，表面的測量值分別為0.2kPa和0.36kPa，假設(shè)s隨深度線性增加，則可計算得到分別為0.24和0.19．

（a）地點a4 （b）地點c3

CPTU測量的s和t可以根據(jù)圖6的溫度變化曲線和溫度校正系數(shù)(和)進行修正．圖7為地點a4處溫度修正前和修正后的s、t和u剖面．溫度修正后，s變?yōu)檎登译S深度緩慢增加，在3.5m深度處，溫度修正前和溫度修正后的t的最大值分別約為230kPa和130kPa，t約被高估了100kPa．根據(jù)其他地點的溫度修正結(jié)果可知，如果不進行溫度修正，在大約3.5m深度處海底泥的t值可能會被高估50%以上．溫度修正前和溫度修正后的u的最大值分別約為15kPa和7kPa，u約被高估了8kPa，因此，如果不進行溫度修正，在約3m深度處海底泥的u值可能會被高估100%以上．對比溫度修正前和修正后的s、t和u剖面可知，因為海底泥的s、t和u的值較小，溫度對CPTU的測量結(jié)果有很大的影響．圖7中也顯示了十字板剪切試驗得到的u，對比發(fā)現(xiàn)溫度修正前的u大于室內(nèi)試驗得到的u，而溫度修正后得到u與室內(nèi)試驗得到的u基本一致．

（a）側(cè)壁摩阻力fs （b）錐尖阻力qt （c）不排水抗剪強度su

2.4?溫度修正前后不排水抗剪強度的對比

圖8(a)為所有地點溫度修正前CPTU所得u與室內(nèi)試驗所得u比值的頻率分布柱狀圖，圖8(b)為所有地點溫度修正后所得u與室內(nèi)試驗所得u比值的頻率分布柱狀圖．由圖8可知，溫度修正前，平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.27和0.78，溫度修正后，平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.04和0.55；溫度修正后54%的數(shù)據(jù)在室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)的±25%以內(nèi)，而溫度修正前只有36%的數(shù)據(jù)在室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)的±25%以內(nèi)．

由圖7和圖8可知：①溫度修正后CPTU所得u接近于室內(nèi)試驗所得u；②溫度修正后CPTU所得u明顯小于溫度修正前CPTU所得u，意味著如果不考慮溫度對CPTU測試結(jié)果的影響，海底泥的u將會被高估；③如果用CPTU測試海底泥或軟黏土的特性，溫度對CPTU測試結(jié)果的影響不可忽略，需要根據(jù)測量或估計的溫度剖面和溫度校正系數(shù)對測量數(shù)據(jù)進行修正．

（a）溫度修正前

（b）溫度修正后

圖8?CPTU和室內(nèi)試驗所得u比值的頻率分布柱狀圖

Fig.8 Frequency histogram of the ratio of CPTU to laboratory-measuredu

2.5?討?論

如果地基中的溫度隨深度變化不大，可以在試驗開始前在與地基溫度相等的環(huán)境下測量初讀數(shù)來消除溫度的影響；如果地基中的溫度隨深度變化較大，則不能通過在某一特定溫度下的初讀數(shù)來修正溫度的影響．在后一種情況下，需要根據(jù)地基中溫度剖面和溫度校正系數(shù)修正溫度對CPTU測試結(jié)果的影響．如果探頭中安裝了溫度傳感器，則可以通過探頭貫入中直接測量的溫度剖面來修正溫度的影響；然而，目前實際工程中大多數(shù)的CPTU探頭中并沒有安裝溫度傳感器，如果探頭中沒有安裝溫度傳感器，可以采用本文建議的修正方法估計地基中的溫度剖面和修正溫度對CPTU在海底泥或軟黏土中測試結(jié)果的影響．

在本文所提的方法中，唯一不確定的參數(shù)是正常固結(jié)海底沉積物的s隨深度的增加率()．通過反分析，本文得出＝0.2kPa/m，黏土礦物類型和沉積環(huán)境等多種因素可能會影響的大小．實際中應(yīng)根據(jù)相關(guān)測量數(shù)據(jù)確定的大小，如果沒有相關(guān)測量數(shù)據(jù)，可以采用本文建議的值．

3?結(jié)?論

［1］ Lunne T，Robertson P K，Powell J J M. Cone Penetration Testing in Geotechnical Practice[M]. New York：Blackie Academic，EF Spon/Routledge，1997.

［2］ 劉松玉，蔡國軍，童立元. 現(xiàn)代多功能CPTU技術(shù)理論與工程應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2013.

Liu Songyu，Cai Guojun，Tong Liyuan. Research and Engineering Application of the Digital Multifunctional Piezocone Penetration Test System[M]. Beijing：Science Press，2013(in Chinese).

［3］ International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. International Reference Test Procedure for Cone Penetration Test(CPT)[S]. Swedish：Swedish Geotechnical Institute，Linkoping，Information，1989.

［4］ Robertson P K. Soil classification using the cone penetration test[J]. Can Geotech J，1990，27(1)：151-158.

［5］ Cai G J，Liu S Y，Tong L Y，et al. Field evaluation of undrained shear strength from piezocone penetration tests in soft marine clay[J]. Marine Georesources and Geotechnology，2010，28：143-153.

［6］ Chanmee N，Chai J C，Hino T，et al. Methods for evaluating overconsolidation ratio from piezocone sounding results[J]. Underground Space，2017，2(2). doi：10. 1016/j. undsp. 2017. 05. 004.

［7］ Chai J C，Agung P M A，Hino T，et al. Estimating hydraulic conductivity from piezocone soundings[J]. Géotechnique，2011，61(8)：699-708.

［8］ American Society for Testing and Materials. ASTMD5778 Standard Test Method for Electronic Friction Cone and Piezocone Penetration Testing of Soils[S]. Pennsylvania：West Conshohocken，2012.

［9］ Peuchen J，Terwindt J. Introduction to CPT accuracy[C]// Proceedings of 3rd International Symposium on Cone Penetration Testing. Las Vegas，USA，2014：1-45.

［10］ Lunne T，Eidsmoen T，Gillespie D，et al. Laboratory and field evaluation of cone penetrometers[C]// Proceedings of ASCE Specialty Conference In Situ’86：Use of In Situ Tests in Geotechnical Engineering. Blacksburg，USA，1986：714-729.

［11］ Nader A，F(xiàn)all M，Hache R. Characterization of sensitive marine clays by using cone and ball penetrometers：Example of clays in Eastern Canada[J]. Geotech Geol Eng，2015，33(4)：841-864.

［12］ Konrad J M. Piezo-friction-cone penetrometer testing in soft clays[J]. Can Geotech J，1987，24(4)：645-652.

［13］ Lee C，Kim R，Lee J S，et al. Quantitative assessment of temperature effect on cone resistance[J]. B Eng Geol Environ，2013，72(1)：3-13.

［14］ International Organization for Standardization. BSEN ISO 22476-1 Geotechnical Investigation and Testing-Field Testing(Part 1)：Electrical Cone and Piezocone Penetration Test[S]. BSI Standards Publication，2012.

［15］ Sandven R. Influence of test equipment and procedures on obtained accuracy in CPTU[C]// Proceedings of 2nd International Symposium on Cone Penetration Testing，CPT’10. Huntington Beach，CA，USA，2010：1-26.

［16］ Jia R，Hino T，Hamada T，et al. Density and undrained shear strength of bed sediment from ND-CPT[J]. Ocean Dynam，2013，63(5)：507-517.

［17］ Japanese Geotechnical Society. Japanese Standards for Geotechnical and Geoenvironmental Investigation Methods-Standards and Explanations[S]. Tokyo，Japan，2004(in Japanese).

［18］ 丁紅巖，賈楠，張浦陽，等. 海上風(fēng)電復(fù)合筒型基礎(chǔ)粉質(zhì)黏土下沉試驗分析[J]. 天津大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2017，50(9)：893-899.

Ding Hongyan，Jia Nan，Zhang Puyang，et al. Analysis of penetration test of composite bucket foundations for offshore wind turbines in silty clay[J]. Journal of Tianjin University：Science and Technology，2017，50(9)：893-899(in Chinese).

［19］ Mimura M，Yoshimura M. Development of new radio isotope density cone penetrometer and progress in accuracy of measurement[J]. Journal of JSCE，2007，63(2)：649-661(in Japanese).

［20］ Moqsud M A，Hayashi S，Suetsugu D，et al. Thermal environment of tidal mud of Ariake Sea[J]. Lowland Technology International，2010，12(2)：34-41.

［21］ 鄭?剛，王凡俊，孫宏賓，等. 軟土地區(qū)CFG樁群孔效應(yīng)引發(fā)的地表沉降[J]. 天津大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2017，50(8)：796-805.

Zheng Gang，Wang Fanjun，Sun Hongbin，et al. Surface settlement caused by borehole group effect of CFG piles in soft soil[J]. Journal of Tianjin University：Science and Technology，2017，50(8)：796-805(in Chinese).

Effect of Temperature on CPTU Measurements in Seabed Sediments and Correction Method

Jia Rui1, 2，Lei Huayang1, 2，F(xiàn)eng Shuangxi1, 2

(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300350，China)

The measurement results of the piezocone penetration test(CPTU)are influenced by temperature．In this study，we used the CPTU to investigate the properties of seabed sediments．We found that the values of sleeve friction(s)were generally negative and decreased with increasing depth owing to the lower values of the cone resistance(c)andsin seabed sediments and the greater temperature difference between the seabed sediments and seawater．We propose a correction method for considering the temperature effect on CPTU measurements in seabed sediments for cases in which there is no temperature sensor in the CPTU probe．First，we obtain the temperature correction factors ofsandcthrough laboratory temperature calibration testing. Then，we estimate the “actual”sprofile according to the local experience or measured data based on the assumption that thesvalue of shallow seabed sediments linearly increases with depth．Then，we estimate the ground temperature profile based on the difference between the measured and “actual”sprofiles. Finally，we correct the CPTU measurements based on the ground temperature profile and temperature correction factors．The temperature correction results for the CPTU measurements in this study show that if temperature correction had not been performed，thesvalues of seabed sediments might have been underestimated．Further，we found that the values ofsgenerally decreased with increasing depth and became negative．In addition，thetvalues might have been overestimated by more than 50% at a depth of approximately 3.5m，the undrained shear strength(u)values might have been overestimated，and the corrected CPTU-measureduvalues were comparable with those measured in the laboratory．In the proposed method，the only uncertain key parameter is the rate of increase ofswith depth()of normally consolidated young seabed deposits．For this case study，we back-calculated0.2kPa/m．The value ofmay change with the deposit environment and type of clay mineral．The value ofshould be determined based on the available measured data，but if there are no directly measured data for determining the value of，the proposed value ofin this study can be adopted．

piezocone penetration test(CPTU)；seabed sediments；temperature correction method；ground temperature

TU413

A

0493-2137(2019)11-1194-07

10.11784/tdxbz201901034

2019-01-18；

2019-03-19.

加?瑞（1982—??），男，博士，講師.

加?瑞，jiarui@tju.edu.cn.

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2017YFC0805402)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51509181，51578371).

Supported by the National Key Research and Development Program of China(No.2017YFC0805402)，the National Natural Science Foundation of China(No.51509181，No.51578371).

(責(zé)任編輯：孫立華)