段存俊，劉彬，莫品強(qiáng)

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032；2.中國礦業(yè)大學(xué)深地工程智能建造與健康運(yùn)維全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

目前，海洋工程建設(shè)的發(fā)展日益擴(kuò)大，海相軟土地區(qū)的基礎(chǔ)工程建設(shè)也越來越受到關(guān)注[1]。而海相軟土地區(qū)的工程勘察和設(shè)計(jì)中，強(qiáng)度參數(shù)是最為重要的參數(shù)之一。因此，如何準(zhǔn)確地測定海相軟土地區(qū)的強(qiáng)度參數(shù)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題之一。

孔壓靜力觸探（Piezocone Penetration Test，CPTu）是一種常用的原位測試方法，通過測量錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力和孔隙水壓力等參數(shù)，可以反映土體的密實(shí)度、含水率、排水條件等特征[2]。CPTu 測試具有操作簡便、速度快、成本低、數(shù)據(jù)連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為海洋巖土工程中不可或缺的測試手段[3]。然而，由于CPTu 測試不能直接測得土體強(qiáng)度參數(shù)，需要通過一定的解譯方法將CPTu 測試參數(shù)轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度參數(shù)，這就涉及到解譯方法的選擇和適用性問題。目前，國內(nèi)外已經(jīng)提出了許多基于CPTu 的土體強(qiáng)度解譯方法，如承載力理論[4]、小孔擴(kuò)張法[5-6]、經(jīng)驗(yàn)公式法[7]、應(yīng)變路徑法[8]等，還有學(xué)者采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法解譯土體參數(shù)[9]，但這些方法都存在一定的局限性和不確定性，如適用范圍窄、參數(shù)敏感性高、考慮因素少等。

本文基于澳門國際機(jī)場擴(kuò)建項(xiàng)目的原位測試數(shù)據(jù)提出了歸一化有效錐尖阻力QE與錐尖因子Nkt的線性相關(guān)性，用于預(yù)測了海相淤泥軟土的不排水抗剪強(qiáng)度，并與十字板剪切試驗(yàn)（Vane Shear Test，VST）所獲得的不排水抗剪強(qiáng)度進(jìn)行對比，為工程中的原位測試、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及地基處理提供有效指導(dǎo)。

1 工程項(xiàng)目

1.1 工程概況

澳門國際機(jī)場擴(kuò)建填海工程建設(shè)內(nèi)容包括：依托現(xiàn)有機(jī)場條件新增約150 hm2填海造地面積，將跑道人工島嶼與現(xiàn)有2 條滑行橋之間的水域回填，擴(kuò)大停機(jī)坪容量，以增加飛機(jī)停機(jī)泊位，滿足國際民航組織的新安全標(biāo)準(zhǔn)；新建排洪道約4 km、外海永久護(hù)岸約300 m、臨時(shí)堤堰約2.3 km；以及依托現(xiàn)有機(jī)場上部設(shè)施，新建跑道聯(lián)絡(luò)道、滑行道，本次建設(shè)內(nèi)容從區(qū)域上共分3 塊，分別為由跑道與停機(jī)坪和聯(lián)絡(luò)橋合圍而成的三角區(qū)、跑道北端延伸段、跑道南端延伸段。

跑道人工島嶼與停機(jī)坪中間預(yù)留95 m 寬的水道；新建土地和設(shè)施將大大地?cái)U(kuò)充客運(yùn)大樓和通用航空設(shè)施的承運(yùn)能力，并且增加跑道容量。填海工程將按需要分段進(jìn)行，總填海面積超過129 hm2。本項(xiàng)目原位測試場地緊鄰澳門國際機(jī)場（圖1），場區(qū)基本處于海水浸潤區(qū)域。區(qū)域內(nèi)共布置105 個(gè)CPTu 孔、29 個(gè)十字板剪切試驗(yàn)孔、20 個(gè)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)孔、20 個(gè)旁壓試驗(yàn)孔?，F(xiàn)場勘察的原位測試典型結(jié)果如圖2 所示。

圖1 勘探點(diǎn)平面位置圖Fig.1 Plan of the exploration point

圖2 原位測試典型結(jié)果Fig.2 Typical results of in-situ test

1.2 地質(zhì)條件

三角區(qū)擬建圍堤及陸域形成區(qū)水下地形較平坦，泥面標(biāo)高一般為+1.5～+0.5 m，淺表部主要發(fā)育的土層有流泥、淤泥、淤泥質(zhì)黏土，其中淤泥層具有高含水量、高壓縮性、中—高靈敏度的特點(diǎn)，力學(xué)強(qiáng)度低，工程地質(zhì)性質(zhì)差，累計(jì)厚度一般在15.0～20.0 m 之間。在圍堤建設(shè)期間及建成后的大面積荷載作用下易產(chǎn)生沉降變形及側(cè)向蠕動(dòng)變形，進(jìn)而產(chǎn)生不均勻沉降，為擬建區(qū)域主要不良地基土層，不可直接作為天然地基持力層。

本文選取澳門國際機(jī)場擴(kuò)建工程場地淤泥為研究對象，經(jīng)對淤泥的CPTu 實(shí)測數(shù)據(jù)（qc、fs、u2）及十字板剪切試驗(yàn)Su，VST（）進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)子樣數(shù)為130 組，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 場地淤泥CPTu 及VST 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of silt CPTu and VST data

2 測試數(shù)據(jù)處理

由于原位測試的結(jié)果受土層分布、深度等多方面因素的影響，為了盡可能消除這些影響，學(xué)者們提出了許多數(shù)據(jù)歸一化的方法，T/CCES 1—2017《孔壓靜力觸探測試技術(shù)規(guī)程》[7]中采用的是歸一化錐尖阻力Qtn、歸一化摩阻比Fr、孔壓參數(shù)比Bq，表達(dá)式如下：

式中：Qtn為歸一化錐尖阻力；qt為修正后的錐尖阻力，可用qt=qc+（1-α）u2計(jì)算，其中α 一般取0.8；σv0為總上覆應(yīng)力；pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取101 kPa；為有效上覆應(yīng)力；n 為系數(shù)，對于砂土取0.5，黏土取1.0；Fr為歸一化摩阻比；fs為側(cè)壁摩阻力；Bq為孔壓參數(shù)比；u2為錐肩孔壓；u0為初始孔隙水壓力。

Shuttle 等[10]為了將排水與不排水條件下的CPTu測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一分析，將有效錐尖阻力qE=qtu2進(jìn)行歸一化處理，如式（2）所示：

式中：QE為歸一化有效錐尖阻力；qE為有效錐尖阻力；Q 為Qtn在n=1.0 的特殊形式。

3 海相淤泥軟土不排水抗剪強(qiáng)度的解譯

本文選取部分CPTu 孔（CPT3、6、12、25、43、48、52、59）及其相鄰的十字板剪切孔進(jìn)行錐尖因子的反演，并采用獲得的錐尖因子預(yù)測了淤泥土層的不排水抗剪強(qiáng)度（CPT38、57、80、102）并與鄰近的十字板剪切測試結(jié)果進(jìn)行對比分析。

3.1 錐尖因子與不排水抗剪強(qiáng)度

目前，常用的CPTu 土體強(qiáng)度解譯方法，由小孔擴(kuò)張理論推導(dǎo)得到，其形式如式（3）所示，通過引入不同地區(qū)的錐尖因子Nkt經(jīng)驗(yàn)值來解譯不同地區(qū)的土體強(qiáng)度：

式中：Su，Pred為使用CPTu 數(shù)據(jù)預(yù)測的土體不排水抗剪強(qiáng)度；Nkt為錐尖因子，取值范圍大約為10～20。錐尖因子的取值對于不排水抗剪強(qiáng)度的反演起著至關(guān)重要的作用，工程上常根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)來進(jìn)行取值，這樣可能會錯(cuò)估土體強(qiáng)度給工程安全帶來隱患或經(jīng)濟(jì)上的損失；學(xué)術(shù)上常用承載力理論[4]、小孔擴(kuò)張理論[5-6]、應(yīng)變路徑理論[8]等方法給出錐尖因子的表達(dá)式，但其需要取樣進(jìn)行一系列室內(nèi)土工試驗(yàn)標(biāo)定模型參數(shù)，而在這一過程中會對土體產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)果的偏差。

在第四屆靜力觸探國際研討會（CPT′18）上，Mayne[11]基于62 種原位黏土中的CPTu 測試數(shù)據(jù)以及與之相應(yīng)的三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果，提出了Nkt與Bq的對數(shù)相關(guān)關(guān)系Nkt=10.5-4.6 ln（Bq+0.1），但并不適用于本文場地，可能是用于確定錐尖因子的不排水抗剪強(qiáng)度參考值的試驗(yàn)手段不同所導(dǎo)致的。本文考慮建立錐尖因子與CPTu 測試參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，以給出能夠精確地進(jìn)行基于CPTu的海相軟土強(qiáng)度解譯方法。

3.2 錐尖因子與歸一化有效錐尖阻力的相關(guān)性分析

將十字板剪切試驗(yàn)所得的Su（Su′）作為參考值，進(jìn)行錐尖因子Nkt的反演，同時(shí)，按式（2）計(jì)算歸一化有效錐尖阻力QE。由圖3 可以看出原狀土（擾動(dòng)土）的錐尖因子Nk（tNk′）t均隨歸一化有效錐尖阻力QE的增大而增大，且二者存在良好的線性關(guān)系，擬合關(guān)系如式（4）所示：

圖3 錐尖因子Nkt、Nk′t 與QE 的相關(guān)性Fig.3 Correlation between cone tip factors Nkt、Nk′t and QE

式中：Nkt、Nk′t分別為原狀土與擾動(dòng)土的錐尖因子，相關(guān)系數(shù)R 分別為0.885 1、0.770 9。

3.3 預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比分析

1） 不排水抗剪強(qiáng)度分析

分別將錐尖因子Nk（tNk′）t取經(jīng)驗(yàn)值和按式（4）取值所預(yù)測的Su，Pre（dSu′，Pred）與十字板剪切試驗(yàn)測得的Su，VS（TSu′，VST）進(jìn)行對比，如圖4 與圖5 所示。發(fā)現(xiàn)，錐尖因子Nkt取經(jīng)驗(yàn)值時(shí)預(yù)測的原狀土的不排水抗剪強(qiáng)度與參考值之間存在較大的離散性，相關(guān)系數(shù)R=0.439。而錐尖因子按式（4）取值時(shí)預(yù)測的原狀土的不排水抗剪強(qiáng)度與參考值之間的離散性明顯減小，相關(guān)系數(shù)R=0.761 9。擾動(dòng)土中可以發(fā)現(xiàn)同樣的規(guī)律，2 種方法的R 分別為0.317 1、0.741 1。

圖4 原狀土不排水抗剪強(qiáng)度預(yù)測值與參考值對比Fig.4 Comparison between predicted and reference values of undrained shear strength of undisturbed soil

圖5 擾動(dòng)土不排水抗剪強(qiáng)度預(yù)測值與參考值對比Fig.5 Comparison between predicted and reference values of undrained shear strength of disturbed soil

錐尖因子按本文方法取值時(shí)，預(yù)測的不排水抗剪強(qiáng)度與參考值之間相關(guān)系數(shù)相對偏小，但其值接近0.8，滿足工程設(shè)計(jì)需要。存在上述問題，可能是現(xiàn)場CPTu 孔位與VST 孔位相距較遠(yuǎn)，兩處土體在水平方向土性差異所致。

2） 靈敏度分析

土體的靈敏度定義為峰值與重塑剪切強(qiáng)度之比。工程上常用十字板剪切試驗(yàn)確定土體的靈敏度。按本文方法計(jì)算的靈敏度St，N=3.734 4，按經(jīng)驗(yàn)值法計(jì)算的靈敏度St0=3.203 3，與由十字板剪切試驗(yàn)所確定的淤泥土層的靈敏度均值3.603 相比，按本文方法所計(jì)算的靈敏度更為接近，且符合中—高靈敏性土的特征。圖6（a）給出了淤泥土層中十字板剪切試驗(yàn)所確定的靈敏度隨歸一化貫入深度（z/D）的變化情況，D 為CPTu 探頭的直徑；圖6（b）給出了靈敏度的頻率分布直方圖。從圖6可以看出實(shí)測靈敏度大部分落在了預(yù)測值的附近，在缺少其他資料的情況下，可作為初步判斷海相軟土的靈敏度與結(jié)構(gòu)性特征的依據(jù)，從圖6 中可以發(fā)現(xiàn)仍有很多實(shí)測值與預(yù)測值相差較大，這可能是由于不同測試點(diǎn)之間存在一定的操作誤差以及海相淤泥軟土存在一定的空間變異性所導(dǎo)致的。

圖6 靈敏度預(yù)測與實(shí)測結(jié)果對比Fig.6 Comparison of sensitivity prediction and measured results

4 結(jié)語

本文依托澳門國際機(jī)場擴(kuò)建工程場地的孔壓靜力觸探試驗(yàn)與十字板剪切試驗(yàn)資料，對海相軟土的不排水抗剪強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，并提出了錐尖因子Nkt與歸一化有效錐尖阻力QE的線性相關(guān)關(guān)系，得出如下結(jié)論：

1） 本文提出了一種基于CPTu 的澳門海相軟土強(qiáng)度解譯方法，將錐尖因子視為歸一化有效錐尖阻力的一次函數(shù)，采用建立的Nkt與QE的關(guān)系可較好地解譯澳門海相軟土的不排水抗剪強(qiáng)度，解譯結(jié)果與VST 結(jié)果基本吻合；對于澳門海相軟土強(qiáng)度參數(shù)可采用本文標(biāo)定得到的Nkt-QE關(guān)系進(jìn)行解譯，為設(shè)計(jì)提供可靠的巖土設(shè)計(jì)依據(jù)。

2） 錐尖因子Nkt按本文方法取值時(shí)原狀土的擬合結(jié)果優(yōu)于擾動(dòng)土，可能是由于測試所選取的淤泥軟土本身強(qiáng)度較低，土體結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致與實(shí)際情況差別較大；此外，不同孔位試驗(yàn)操作的差異性以及計(jì)算方法也會影響預(yù)測結(jié)果的精確度。

3） 經(jīng)過擬合后發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)土的錐尖因子約是原狀土的3.4 倍，這一結(jié)果與本文試驗(yàn)場地的中等靈敏性土的特征相符，可用于初步判斷海相軟土的靈敏度與結(jié)構(gòu)性特征。

需要注意的是，本文所提出的錐尖因子Nkt與歸一化有效錐尖阻力QE的線性關(guān)系，是基于澳門國際機(jī)場擴(kuò)建填海工程的原位測試數(shù)據(jù)，在其他地區(qū)的適用性有待研究。另一方面，由于VST 測試大多在淤泥土層中進(jìn)行，因此本文只針對淤泥土層進(jìn)行了分析驗(yàn)證，對于其他土層的適用性仍需討論。