時間平方根法評價隔離墻t50及固結系數

李學鵬，李彩華，陳榮保，蔡國軍

（1、佛山市禪城區建設工程質量安全檢測站 佛山 528000；2、東南大學巖土工程研究所 南京 222100）

0 引言

孔壓靜力觸探技術（CPTU）是在探頭中加入孔壓傳感器以達到測試地下孔隙水壓力的目的，具有傳統靜力觸探測試錐尖阻力及側壁摩阻力的功能，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，測試數據準確等因素，CPTU 技術自問世來已在國內外工程及科研中得到廣泛應用［3-5］。

孔壓靜力觸探技術有助于評價粘性土的物理力學特性及固結滲透特性等［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：

而在孔穴擴張理論中，如圖1所示，探頭貫入對土的應力應變產生影響，可分為塑性區、剪切區及彈性區。超孔壓△u主要由兩部分組成［7］：①貫入引起的正應力所產生的超孔壓△uoct；②貫入引起的剪應力所產生的超孔壓△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 所表現的消散規律為標準消散類型。文獻［7］從排水條件出發，采用超孔壓消散50%的時間t50及理論解中的時間因子T50計算固結系數，這是目前最常用的計算固結系數方法，公式如下：

式中：r為探頭半徑（m）。

HOULSBY 等人［8］從大應變有限元分析結果分析中，對T50進行修正，并用新的修正時間因子T*替代，結合剛性指數Ir及孔壓消散時間t，固結系數ch如下：

而對于非標準消散類型，以現場某實驗場地超孔壓消散曲線為例，如圖3所示，超孔壓呈現出先增大后減小的現象［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值進行修正，修正后的t50m替代t50，并得出t50與t50m的倍數關系為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，孔壓或超孔壓的變化作為縱坐標的研究方法。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系，通過該直線反推至縱坐標得出初始孔壓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）計算所對應的時間。DANZIGER［15］利用時間平方根法對孔壓消散過程進行研究分析，認為時間平方根法得出的結論是可靠的，進一步驗證了時間平方根法的可行性。

1 現場測試

1.1 試驗準備

為保證實驗結果的準確性，CPTU 測試前需至少提前一天對孔壓過濾環進行飽和，同時對探頭進行標定，將飽和好的孔壓過濾環裝入到探頭錐肩u2處，繼而連接電纜線與探頭，測試數據可在電腦上實時顯示。

1.2 測試現場

隔離墻試驗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，當孔壓上升到較大值時可停止貫入，之后進行孔壓消散試驗?？讐合⒃囼炤^長，在消散過程中，可根據孔壓最大值及靜水壓力，初步判斷超孔壓消散50%的時間，達到該時間后原則上可停止消散試驗，并通過消散數據作為下一步分析的依據［16］。

1.3 典型曲線

孔壓靜力觸探測試典型參數數據曲線如圖5 所示，可通過測試結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，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，產生了較大超孔壓（u2-u0）。而探頭一旦進入粉質砂土層，孔壓迅速減小。

2 孔壓消散結果

當孔壓達到較大值時，貫入停止后進行抗壓消散試驗，孔壓立即減小，直至消散至靜水壓力。土-膨潤土試驗段孔壓消散時間過長，往往需要約24 h。為此，試驗會出現兩種情況，即t≥t50及t＜t50?，F場常出現超孔壓未消散到一半就停止的現象。

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［13］認為需對初始孔壓進行修正，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交點為修正后的初始孔壓。修正后的初始孔壓對于后續土體參數的評價至關重要。

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，消散時間遠大于t50值。初始孔壓非最大值，需對初始孔壓進行修正，根據時間平方根法，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，節約現場測試時間，此處的消散時間未達到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的孔壓水平線有一處交點，該交點橫坐標即為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約現場試驗時間，該深度的孔壓現場消散時間為2 339 s，而實際需要的消散時間為3 856 s，即節約39%的消散時間。

2.4 原因分析

考慮到本工程為正常固結土，出現非標準消散的主要原因是前期孔壓過濾環未充分飽和問題。貫入前安裝的過濾環因未充分飽和，從而導致探頭貫入至地下水位時，地下水會進入探頭處直至飽和，故而此時的孔壓會先增大，故而孔壓消散試驗時先出現孔壓增大的現象。當孔壓過濾環充分飽和后，孔壓才會隨時間的消散逐步減小。

2.5 固結系數

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

3 結論

⑴非標準消散類型的孔壓先增大再減小，對初始孔壓的修正至關重要，時間平方根法利用線性關系進行反推，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的孔壓水平線的交點判定為預測的t50值，從而節約現場測試時間。

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