Measuring method for confined water level using piezocone penetration tests
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摘要: 基坑隧道等工程中承压水突涌、渗漏等问题时有发生，如何经济、便捷、准确地获取承压水位对工程设计及施工具有重要指导意义。通过分析江阴靖江过江隧道和海太过江通道工程中的孔压静力触探（CPTU）测试及地勘资料，提出了一种基于CPTU的承压水位测试方法，可在获取CPTU原位测试参数的同时，通过测量的孔隙水压力计算承压水位。将CPTU测试获取的承压水位与观测井水位进行对比，结果表明，测试值与观测值较为一致；CPTU方法具有操作便捷、快速、施工成本低的优点，值得在基坑隧道工程中推广使用。Abstract: The occurrence of confined water inrush and leakage is common in engineering projects such as foundation pits and tunnels. To economically, conveniently and accurately obtain the confined water level is of great significance for the guiding of engineering design and construction. By analyzing the piezocone penetration tests (CPTU) and geotechnical data from the projects of Jiangyin-Jingjiang Yangtze River Tunnel and Haitai Yangtze River Tunnel, a CPTU-based method for measuring the confined water level is proposed. This method allows for the calculation of the confined water level through measurement of pore pressure while obtaining the CPTU in-situ test parameters. The comparisons between the calculated and observed confined water levels show high consistency. The CPTU method offers advantages of convenience, speed and low construction cost, making it worth promoting and implementing in foundation pit and tunnel engineering.
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Keywords:
- confined water /
- piezocone penetration test /
- in-situ test /
- pore pressure /
- confined water level
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0. 引言
地下空间工程建设中，承压水控制不当可能会引起突涌、渗漏等一系列工程问题，带来不同程度的生命财产损失。因此，准确获取承压水位对于深基坑、隧道等地下空间工程的设计施工具有重要指导意义。现阶段，承压水位测量一般通过观测井水位得出。然而，钻孔成井施工成本较高，且地层存在多个承压含水层时，观测井施工需分层止水，若分层止水效果差，会影响水位观测结果的准确性。
孔压静力触探(piezocone penetration test，CPTU)是一种多功能现代原位测试技术。CPTU测试可提供连续的原位土层参数，与室内试验相比，原位土体参数具有更高的可靠性。经过数十年的发展，目前，通过CPTU测试进行土体分类[1]、土体参数评价[2]、砂土液化评价[3]、桩基承载力设计[4-5]、基坑设计[6]等相关工程应用的技术已经逐渐成熟。CPTU测试可在测量锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs的同时获取孔隙水压力，理论上可用来计算承压水位，同时，CPTU测试具有操作便捷、快速、施工成本低等优点。因此，工程中通过CPTU测试获取承压水位，可能具有较好的推广价值。然而，目前利用CPTU测试进行的相关研究较少。陈伟宏[7]采用静力触探护管法进行承压水位观测，但原理与观测井法类似，且观测时间较长。Elsworth等[8]利用CPTU测试研究了粉砂层中孔隙水压力的消散规律，发现在剪胀性较高的土中，孔隙水压力会逐渐升高并趋于稳定值，其研究虽未涉及承压水位测试，但其结论指出了可行性。因此，利用CPTU测试获取承压水位的有效性有待进一步的工程验证。
基于此，本文总结了江阴靖江过江隧道和海太过江通道工程中的CPTU测试资料，提出了一种基于CPTU的承压水位测试方法，可在获取CPTU原位测试参数的同时，通过测量的孔隙水压力计算承压水位。另外，本文将各场地CPTU测试获取的承压水位与观测井水位进行了对比，从而验证了该方法的有效性。
1. 场地与试验方法
1.1 场地描述
江阴靖江长江隧道工程位于江阴大桥与泰州大桥之间。场地土层自上而下依次为①1杂填土、①2素填土、②1粉质黏土、②2淤泥质粉质黏土、②2-1粉质黏土夹粉土、②3粉砂、②4粉细砂、③1粉质黏土、③2-1粉质黏土、③2粉土、③3粉砂、③3-1粉质黏土、③4粉细砂、③4-2中砂、④2粉质黏土、④3粉质黏土、④4粉细砂等。场地共3层承压含水层，分别记为AqI、AqII、AqIII。其中，AqI赋存于②3粉砂和②4粉细砂层中，AqII赋存于③2粉土至③4-2砂层中，AqIII赋存于④4粉细砂及下部深厚砂层中。AqI、AqII、AqIII承压水位高程分别为1.18，0.72，0.67 m，地表高程为3.50 m。海太过江通道工程位于苏通大桥下游约8 km处。场地土层自上而下依次为①1杂填土、①2素填土、②1粉质黏土、③5粉土夹粉砂、④1淤泥质粉质黏土夹粉土、④2-1粉砂、④2粉质黏土夹粉土、④3-1粉砂、④3粉土夹淤泥质粉质黏土、⑤2粉砂等。场地共1层承压含水层，赋存于④3-1粉砂层及下部深厚砂层中，水位高程为-9.64 m，地表高程为2.79 m。表 1总结了各场地土层的物理力学参数。
表 1 试验场地土体主要物理力学参数Table 1. Parameters of soil layers in different test sites场地 层序 名称 γ/(kN·m-3) Es/MPa e c/kPa φ/(°) K/(m·d-1) 江阴靖江长江隧道工程 ②1 粉质黏土 19.3 5.06 0.81 22.2 14.8 0.0023 ②2 淤泥质粉质黏土 18.1 3.59 1.08 10.5 16.5 0.0020 ②2-1 粉质黏土夹粉土 18.8 5.02 0.91 10.2 18.2 0.0027 ②3 粉砂 19.4 10.55 0.76 3.0 31.2 0.59 ②4 粉细砂 19.6 11.03 0.74 3.4 32.3 0.56 ③1 粉质黏土 19.9 6.60 0.72 30.7 22.4 0.0011 ③2-1 粉质黏土 19.3 5.38 0.82 18.1 21.3 0.012 ③2 粉土 19.3 8.38 0.81 6.4 29.1 0.28 ③3 粉砂 19.8 10.77 0.70 3.2 32.7 0.48 ③3-1 粉质黏土 19.2 5.92 0.83 16.0 15.2 0.053 ③4 粉细砂 20.2 11.64 0.63 3.2 33.1 1.55 ③4-2 中砂 20.5 12.07 0.57 2.8 33.2 1.67 ④2 粉质黏土 19.5 5.67 0.79 24.0 15.1 0.0043 ④3 粉质黏土 20.0 7.15 0.71 33.8 15.1 0.0011 ④4 粉细砂 20.5 12.85 0.57 3.4 33.2 1.85 海太过江通道工程 ②1 粉质黏土 19.3 8.5 0.79 19.3 19.2 0.0065 ③5 粉土夹粉砂 19.6 10.3 0.72 29.8 33.4 0.0075 ④1 淤泥质粉质黏土夹粉土 18.1 4.2 1.03 12.0 17.2 0.016 ④2 粉质黏土夹粉土 18.0 5.7 0.96 17.2 20.5 0.013 ④2-1 粉砂 18.6 7.4 0.83 6.1 32.7 0.36 ④3 粉土夹淤泥质粉质黏土 17.9 5.9 0.99 13.2 25.5 0.014 ④3-1 粉砂 18.9 9.9 0.79 6.6 31.8 0.22 ⑤2 粉砂 19.5 10.7 0.69 6.1 34.8 0.51 注：γ为天然重度；Es为压缩模量；e为孔隙比；c为黏聚力；φ为内摩擦角；K为渗透系数。 1.2 试验方法
现场测试仪器采用东南大学自主研发的SEU@CPTU-1型多功能数字式CPTU测试系统。该系统主要由多功能数字式探头、数据采集系统、测试数据分析软件及静力触探贯入装置四大部分构成。多功能数字式CPTU探头集成了锥尖阻力传感器、侧壁摩阻力传感器、孔隙水压力传感器与三向地震检波器，可以提供锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力、地震波等测试参数。测试设备如图 1（a）所示。
测试时，将探头在预定孔位以2 cm/s的速度贯入，沿深度每隔5 cm记录一组读数。结合工程初勘报告土体分层情况和区域经验，在贯入过程中实时观察实测锥尖阻力qc和孔压u2。在接近承压层深度时，若qc突增且u2突降，则可认为探头进入承压层。这是由于隔水层一般为细粒土，qc值远低于承压层的粗粒土。另外，贯入细粒土时孔压一般表现为超孔压，因此探头经过隔水层进入承压层时，u2会骤降。进入承压层后，在若干深度位置停止贯入，每次u2稳定后，承压水位可通过式（1）计算，图 1（b）为测试原理。
Hw=Hp+u2/9.8, (1) 式中：Hw为承压水位（m）；Hp为探头高程（m）。
2. 试验结果
2.1 典型CPTU测试结果
图 2给出了各场地典型CPTU测试结果。图 2中锥尖阻力为经孔压修正后的锥尖阻力qt，见式（2）。
qt=qc+u2(1−a), (2) 式中，a为探头的有效面积比，取0.8。
由图 2可知，各场地淤泥质粉质黏土及粉质黏土层等弱透水层的qt普遍较小。探头进入承压层后，qt骤升。在弱透水层，实测u2高于静水压力，这是因为弱透水层渗透系数小，探头贯入过程中的挤土效应产生的超孔压来不及消散；而在承压层，排除遇到黏土夹层的情况，u2明显低于静孔压，这是因为测试场地承压层土体一般为稍密—密实的粉砂及粉细砂，探头对土体的剪切作用会引起剪胀，从而产生负孔压，同时，由于贯入速度较快，负孔压来不及消散，因此u2略低于静水压力。该现象在Elsworth[8]的成果中也有体现。
2.2 孔压测量结果
（1）孔压变化过程
图 3给出了各场地承压层部分测试深度的u2稳定过程。可知，在承压层中探头贯入停止后，孔压均上升，并很快稳定。在对数坐标下，承压层的孔压-时间曲线为“S”形，曲线的前半段为凹函数，后半段为凸函数，区别于细粒土层孔压消散曲线的反“S”形。
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图 3 各场地承压含水层典型孔压-时间示意图Figure 3. Typical pore pressure-time curves at different testing sites图 4总结了所有测点的u2稳定时间。可知，各测点孔压稳定时间具有一定差异。绝大多数情况下u2可在3 min内稳定，个别测点稳定时间相对略长，如江阴靖江长江隧道工程场地测量深度为16.25 m的测点，孔压稳定时间约8 min，这可能是因为孔压传感器恰好位于砂层中的黏土夹层，土体渗透系数相对较低，因此孔压稳定时间相对略长，但仍处于较短水平，这表明CPTU测试具有便捷快速的优点。
可利用函数拟合孔压-时间曲线。Hill模型能够较好地拟合“S”形曲线，其标准形式见式（3）。由于孔压-时间曲线的横坐标为对数坐标，因此对Hill模型进行修正，如式（4）。利用式（4）拟合曲线，部分结果绘于图 3。可以看出，拟合曲线与测试结果吻合程度极高。
y=α+β⋅xδγδ+xδ, (3) y=α+β⋅(lgx)δ(lgγ)δ+(lgx)δ, (4) 式中，α、β、γ、δ为拟合参数。其中：α为下渐近线值；α与β之和为上渐近线值；γ为拐点对应的x值，即曲线由凹函数转化为凸函数的x值；δ控制了曲线的陡度。
式（4）中参数γ和δ可反映孔压-时间曲线的形态，可在一定程度上反映土体性质，而CPTU参数与土性具有一定的关联，尤其是修正锥尖阻力qt。图 5与图 6分别总结了各测点qt与参数γ和δ的关系。其中，qt为每个测点测试深度上下各20 cm范围内qt的平均值。由图 5，6可知，参数γ和δ总体上随qt的升高而降低，这说明随着qt升高，孔压-时间曲线趋向于更快地从凹函数转化为凸函数，且曲线形态趋向于更平稳，这也在一定程度上反映了更短的稳定时间。将qt与参数γ和δ的关系进行拟合，可得到预测关系式如下：
lg(γ)=0.7+1.71e−0.14qt, (5) δ=7.43−0.13qt。 (6) （2）孔压测试值与观测值对比
图 7为u2稳定值与利用观测井得到的水位换算的静孔压对比图。从图 7可以看出，各场地u2稳定值与观测值较为一致，均沿深度呈线性增长。图 7也给出了各测点孔压测试值与观测值的相对误差。可以看出，测点相对误差均在4%以内，处于较低水平。
2.3 承压水位计算结果
根据u2稳定值，利用式（1）计算各测点承压水位，汇总于图 8。可以看出，通过CPTU测试得到的承压水位具有一定的离散性，和观测井水位有一定的差异，最大约1.5 m。各测点水位进行平均后，其数值与测点水位较为接近。因此在利用CPTU测试承压水位时，可在同一承压层获取多个测点的数据后取均值。
3. 结论
本文主要结论如下：
（1）当探头位于承压含水层时，停止贯入后，孔压值u2逐渐上升并稳定，一般3 min内可达到稳定状态，测量速度快。通过CPTU测试得到的稳定u2值与观测井水位的静孔压值十分接近，相对误差低于4%。
（2）可利用Hill模型拟合CPTU测试得到的对数坐标下承压含水层中的孔压-时间曲线，qt越大，拟合参数γ和δ越小，反映了更短的孔压稳定时间。
（3）利用稳定u2值转换得到的承压水位具有一定的离散性，但多个测点的平均值较为接近观测井水位，因此该方法的有效性得以验证。
（4）利用CPTU法测试承压水位操作便捷、快速、准确，因此，在工程中值得推广使用。
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图 3 各场地承压含水层典型孔压-时间示意图
Figure 3. Typical pore pressure-time curves at different testing sites
表 1 试验场地土体主要物理力学参数
Table 1 Parameters of soil layers in different test sites
场地 层序 名称 γ/(kN·m-3) Es/MPa e c/kPa φ/(°) K/(m·d-1) 江阴靖江长江隧道工程 ②1 粉质黏土 19.3 5.06 0.81 22.2 14.8 0.0023 ②2 淤泥质粉质黏土 18.1 3.59 1.08 10.5 16.5 0.0020 ②2-1 粉质黏土夹粉土 18.8 5.02 0.91 10.2 18.2 0.0027 ②3 粉砂 19.4 10.55 0.76 3.0 31.2 0.59 ②4 粉细砂 19.6 11.03 0.74 3.4 32.3 0.56 ③1 粉质黏土 19.9 6.60 0.72 30.7 22.4 0.0011 ③2-1 粉质黏土 19.3 5.38 0.82 18.1 21.3 0.012 ③2 粉土 19.3 8.38 0.81 6.4 29.1 0.28 ③3 粉砂 19.8 10.77 0.70 3.2 32.7 0.48 ③3-1 粉质黏土 19.2 5.92 0.83 16.0 15.2 0.053 ③4 粉细砂 20.2 11.64 0.63 3.2 33.1 1.55 ③4-2 中砂 20.5 12.07 0.57 2.8 33.2 1.67 ④2 粉质黏土 19.5 5.67 0.79 24.0 15.1 0.0043 ④3 粉质黏土 20.0 7.15 0.71 33.8 15.1 0.0011 ④4 粉细砂 20.5 12.85 0.57 3.4 33.2 1.85 海太过江通道工程 ②1 粉质黏土 19.3 8.5 0.79 19.3 19.2 0.0065 ③5 粉土夹粉砂 19.6 10.3 0.72 29.8 33.4 0.0075 ④1 淤泥质粉质黏土夹粉土 18.1 4.2 1.03 12.0 17.2 0.016 ④2 粉质黏土夹粉土 18.0 5.7 0.96 17.2 20.5 0.013 ④2-1 粉砂 18.6 7.4 0.83 6.1 32.7 0.36 ④3 粉土夹淤泥质粉质黏土 17.9 5.9 0.99 13.2 25.5 0.014 ④3-1 粉砂 18.9 9.9 0.79 6.6 31.8 0.22 ⑤2 粉砂 19.5 10.7 0.69 6.1 34.8 0.51 注：γ为天然重度；Es为压缩模量；e为孔隙比；c为黏聚力；φ为内摩擦角；K为渗透系数。 
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