孔隙水压力圆锥静力触探

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第645页（2953字）

约在20世纪70年代末80年代初，国际上出现了孔隙水压力圆锥静力触探。

这种触探所使用的探头不是以往那种只能测量孔压的单一型传感器，而是把它和静力触探探头结合设计成一个整体的多功能探头(也常简称为测压锥)。

孔隙压力触探头有3个传感器，分别测定端阻qe侧阻fs和孔压u。它们都是电阻应变式的，其中qe和fs传感器与常规电测圆锥静力触探的传感器没有什么不同。电阻应变式压力盒感应由锥类处多孔透水元件通过内通水间隙和水压室传递过来的锥尖处孔隙压力。

多孔元件是孔隙压力触探头的最重要部件，采用特殊的烧结不锈钢、聚丙烯、烧结青铜、铝合金等材料制作。要求这种元件的孔隙极微，土粒不易进去，且在圆锥短时暴露在空气中(或非饱和土中)时，有足够高的入口压力维持其内部饱和，同时又能足够充分地透水，使孔压盒对圆锥周围孔隙水力压的变化作出快速的反应。

多孔元件的位置不同构成了孔压触探头的主要差别。多孔元件在圆锥上的位置不同，贯入时所测的孔隙压力及其以后的消散速率是不会一样的。

众多研究结果表明，贯入时的孔隙水力压值在锥尖处最大，因此为测量孔压峰值，透水元件应置于圆锥尖部，但由于锥尖处易于损坏，且排气困难，多孔元件常置于锥面范围内，一般认为这样安装多孔元件的探头，将对土层和土质变化具有最大的灵敏度。

由于贯入期间孔隙压力变化非常大，因此要求整个测压系统的设计必须能对孔压变化作出准确快速反应。为了将时间延滞减至最小，要求孔压传感器的体积变化特征必须极小，内部孔隙体积(主要为内部通水间隙和水压室的体积)也要减至最低限度，除此以外，透水元件的厚度对探头检测极薄层时的敏感性也有影响。Torstensson(1982)提供了透水石位于圆锥基部的面积为100cm²的厚度分别为4mm和2．5mm的两个测压锥记录。

使用，2．5mm厚透水元件的孔压记录比4mm厚的更详细。该资料说明，如果要识别局部土层，非常薄的透水石厚度的重要性和必要性。

多孔元件和内部间隙的充分饱和是至关重要的，Rad和Tumay(1985)通过大量的室内试验后提出，完全饱和测压锥能对贯入时产生的孔压作出快速准确反应，而部分饱和的测压锥达到瞬态均衡的时间滞后可高达10%～20%，其大小随着测压锥饱和度降低或渗透系数的降低而增大，为使测压系统充分饱和，对透水元件装在锥尖处的探头，需要在真空室内抽吸探头，使其彻底排气，然后用去气水饱和；对透水环式的探头，可在水中蒸煮透水石，然后在水下装配到圆锥上；最后都封在装水的薄塑料袋或玻璃罩内备用。

孔压静力触探成果目前主要应用于如下3方面。

划分地层和鉴别土类 根据触探过程中孔隙压力和端阻随深度的变化情况，可计算出地层不同深度的归一化超孔隙压力指标⊿u／q_c。⊿u=“－“₀，“是测量的贯入孔压，u₀是静孔压(或原位孔压)；q_c是测量的圆锥阻力，许多测量结果表明了砂土⊿u／q_c，很低，密砂和高度超固结粘土甚至可为负值，而一般粘性土中⊿u／q_c，值要高得多，据此可对土进行分类并划分地层。使用△u／q_c，分类和划分地层比过去用q_c，和摩阻比Rf分类更精确(Baligh等，1980)。

估计粘性土的超固结比 自从能测定贯入过程中产生的孔隙压力的测压锥出现以来，许多人致力于根据在粘土中的测压锥资料估计土的应力历史即超固结比的研究工作。

直至目前已提出各种各样的归一化孔压指标，以及这些指标同土的超固结比OCR之间的统计相关关系。按所采用的归一化孔压指标的不同，目前在用测压锥资料估计超固结比方面大致有如下几种作法。(1)Tumay等(1981)、Baligh等(1981)研究了归一化孔压指标u／q_c与粘土超固结比OCR的相关性，Campanella和Robertson曾研究了⊿u／q_c与粘土超固结比的相关性。认为u／q_c或⊿u／q_c随OCR的增加而降低。

(2)Wroth(1984)根据临界状态土力学理论提出，归一化孔压指标B_q和粘土中的OCR应该具有比⊿u／q，～OCR之间更好的相关性，B_q为：

式中，u为在圆锥面上测得的孔压；u_o为静水压力，⊿u=u－u_o；q_t为对圆锥不等端面积效应修正过的圆锥阻力，q_t的表达式为：

q_t=q_t+(1－a)u_b (2)

式中，q_t为圆锥阻力；a=A₁／A₂，A₁和A₂为不等端面积；u_b为圆锥基部的测量孔压。

Almeida和Parry(1985)根据在重粘土中进行的室内小型测压锥试验成果，认为B_q－OCR之间具有较好的依赖关系，而⊿u／q_t随OCR的增加仅略微减少。(3)Sully、Campanella和Robertson(1988)根据Robertson等(1986)的有关圆锥周围孔压分布的研究成果提出，在锥面上测得的总孔隙压力对静水压力u_o归一化的孔压指标(u／u_o)_p与在圆锥基部测得的孔压指标(u／u_o)_b之差，随着超固结比的增加而增加，即：

PPD=(u／u_o)_p－(u／u_o)_b=f(OCR) (3)

为了确定上式中的关系，必须使用同时在两个位置上装有过滤元件的测压锥，即一个装在锥尖或锥面上，另一个装在圆锥后部的测压锥进行试验。

由于还没有这种装有两个孔压测试元件的测压锥(1988)，他们将在北美、南美和欧洲各种粘土中获得的过滤元件位置对孔压测量的影响已经得到评价的测压锥资料与OCR的关系绘制成圆，并得到如下线性方程：

OCR=0．66+1．43(PPD) (4)

该式的相关系数为0．98。

(4)Mayne(1987)根据Mayne与Holtz研究的30个场地上百个测压锥数据与OCR之间的对比分析，得到超孔隙压力⊿u对有效竖向应力O_∞′归一化的孔压指标与固结仪测得OCR之间的关系为：

OCR=0．45(⊿u／σ′₀)^1．45 (5)

估计粘性土的固结系数 许多学者提出了不同的利用孔压消散资料估计粘性土水平固结系数(和水平渗透系数)的解答和方法，迄今主要有Torstensson(1977)提出的基于球形和圆柱形孔穴扩张理论的解析解答及Battaglio等(1981)对其所作的修正；Randolph和Wroth(1979)提出的基于圆柱形孔穴扩张的解析解答：Roy等(1982)提出的经验方法；Baligh和Levadoux(1980、1986)提出的基于球形和圆柱形孔穴扩张的解析解答和适合于60°圆锥角的数值解答。中国朱小琳等(1986)开展了这方面的研究工作，提出了经验方法。

其中尤以Baligh和Levadoux提出的适合于60°圆锥角的数值解答及其使用方法最引人瞩目。

(长春地质学院张喜发撰)