加?瑞，雷華陽(yáng)，馮雙喜

溫度對(duì)CPTU在海底泥中測(cè)試結(jié)果的影響及修正方法

加?瑞1, 2，雷華陽(yáng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350)

溫度改變會(huì)影響孔壓靜力觸探(CPTU)的測(cè)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(shí)海底泥和海水中的溫差較大，s大多數(shù)是負(fù)值且隨深度逐漸減小．據(jù)此提出了在沒(méi)有安裝溫度傳感器的情況下考慮溫度對(duì)CPTU在海底泥中測(cè)試結(jié)果影響的修正方法：首先通過(guò)室內(nèi)溫度校正試驗(yàn)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(cè)量結(jié)果或經(jīng)驗(yàn)估計(jì)“實(shí)際”的s剖面；再根據(jù)測(cè)量和“實(shí)際”的s剖面的區(qū)別估計(jì)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(duì)CPTU的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行溫度修正．對(duì)本文CPTU測(cè)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(huì)被低估，其值會(huì)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(huì)被高估50%以上；海底泥的不排水抗剪強(qiáng)度(u)將會(huì)被高估，溫度修正后CPTU所得u更接近于室內(nèi)試驗(yàn)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(guò)反分析得出的＝0.2kPa/m，黏土礦物類(lèi)型和沉積環(huán)境等因素可能會(huì)影響的大?。畬?shí)際中應(yīng)該根據(jù)相關(guān)的測(cè)量數(shù)據(jù)確定的大小，如果沒(méi)有相關(guān)的測(cè)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(jì)的原位測(cè)試方法，已被廣泛應(yīng)用于巖土工程實(shí)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(cè)量數(shù)據(jù)，這些測(cè)量數(shù)據(jù)可用于劃分土層[4]和估計(jì)巖土工程參數(shù)[5-6]，如不排水抗剪強(qiáng)度和超固結(jié)比等．另外，在某一深度停止貫入可以測(cè)量超孔隙水壓力的消散過(guò)程，孔壓消散試驗(yàn)結(jié)果可用于原位評(píng)估指定深度土體的固結(jié)滲透特性[7]．

目前電測(cè)式的靜力觸探通常使用電阻應(yīng)變片來(lái)測(cè)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(jìn)而使電壓變化，從而通過(guò)測(cè)量微電壓可以測(cè)量應(yīng)變[8]．然而，應(yīng)變片的電阻不僅會(huì)隨著受力變化，而且會(huì)隨著溫度變化，因?yàn)闇囟雀淖儠?huì)使壓力傳感器和應(yīng)變片膨脹或收縮，還會(huì)影響應(yīng)變片的電阻系數(shù)[9]．因此，溫度改變會(huì)影響CPTU的初讀數(shù)(“溫漂”現(xiàn)象)，從而影響CPTU的測(cè)量結(jié)果．雖然目前在靜力觸探探頭中使用溫度自補(bǔ)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(guò)室內(nèi)試驗(yàn)指出25℃的溫度變化會(huì)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(yàn)調(diào)查了加拿大渥太華地區(qū)海相黏土的特性，證實(shí)了溫度對(duì)靜力觸探測(cè)試結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)18℃的溫度變化會(huì)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(cè)試結(jié)果將存在誤差，在強(qiáng)度較小的黏性土中這種誤差將不可忽略．Konrad[12]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)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(bǔ)償，溫度變化會(huì)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(huì)導(dǎo)致軟黏土中測(cè)量結(jié)果的較大誤差，提出通過(guò)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(yàn)方法可以有效地修正溫度對(duì)靜力觸探測(cè)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(yàn)開(kāi)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(cè)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(yàn)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(shí)際工程中大多數(shù)的CPTU沒(méi)有安裝溫度傳感器[15]，在這種情況如何考慮溫度對(duì)靜力觸探測(cè)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?yàn)檎{(diào)查是在冬天進(jìn)行，由于海底泥與海水中的溫差較大，s大多數(shù)是負(fù)值且隨深度逐漸減小．據(jù)此提出了在沒(méi)有安裝溫度傳感器的情況下對(duì)CPTU測(cè)量數(shù)據(jù)的溫度效應(yīng)進(jìn)行修正的方法：首先利用測(cè)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(jì)出“實(shí)際”的s剖面；然后根據(jù)測(cè)量s剖面和“實(shí)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(duì)CPTU在海底泥中的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正，并對(duì)比了室內(nèi)試驗(yàn)得到的不排水抗剪強(qiáng)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(cè)試結(jié)果

1.1?調(diào)查地點(diǎn)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(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)查，其中堤壩的內(nèi)側(cè)24個(gè)地點(diǎn)，外側(cè)39個(gè)地點(diǎn)，具體的調(diào)查地點(diǎn)如圖1所示．

圖1?CPTU試驗(yàn)地點(diǎn)

在堤壩外側(cè)的8個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了兩次試驗(yàn)，因此，總共進(jìn)行了71次試驗(yàn)．因?yàn)闇y(cè)量在水上進(jìn)行且底泥相對(duì)較軟，試驗(yàn)裝置被放置在船上，通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)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(jìn)行貫入，貫入深度可達(dá)到底泥表面以下4m的深度．另外，為了驗(yàn)證CPTU的測(cè)量結(jié)果，利用直徑為75mm和長(zhǎng)度為1m的薄壁取土管獲得了26管不擾動(dòng)土樣，試樣取出后在現(xiàn)場(chǎng)用可攜帶的十字板剪切儀立即測(cè)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(jiàn)文獻(xiàn)[16].

1.2?典型試驗(yàn)結(jié)果

圖2和圖3為a4和c3兩個(gè)地點(diǎn)的CPTU的試驗(yàn)結(jié)果．CPTU可以直接測(cè)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(jì)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(jì)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(qiáng)度u

圖2?a4地點(diǎn)的CPTU的試驗(yàn)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(qiáng)度u

圖3?c3地點(diǎn)的CPTU的試驗(yàn)結(jié)果

Fig.3?CPTU test results at location c3

2?測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(huì)產(chǎn)生較大的誤差，在實(shí)際工程中應(yīng)該考慮溫度的影響．與c和s相比，溫度對(duì)的測(cè)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(duì)的初讀數(shù)影響較小(圖4)，可不考慮溫度對(duì)的影響．

圖4?溫度對(duì)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(guò)測(cè)量的溫度和溫度校正系數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果直接進(jìn)行溫度修正，但是實(shí)際工程中大多數(shù)的CPTU并沒(méi)有安裝溫度傳感器[15]．在CPTU中沒(méi)有安裝溫度傳感器的情況下，建議采用下面的方法對(duì)CPTU的測(cè)量結(jié)果進(jìn)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(guò)室內(nèi)溫度校正試驗(yàn)獲得，如第2.1節(jié)所示．

(2) 估計(jì)“實(shí)際”的s剖面．對(duì)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(yàn)進(jìn)行估計(jì)，或者如果知道地基中某一深度處(圖5(a)中的點(diǎn))的溫度值，根據(jù)這一深度測(cè)量的s值以及溫度校正系數(shù)就可以計(jì)算出該深度處“實(shí)際”的s值，從而依據(jù)地表的s測(cè)量值和s隨深度線性增加的假設(shè)，即可得出值和“實(shí)際”的s剖面．

（a）fs測(cè)量值和估計(jì)“實(shí)際”值 （b）估計(jì)的溫度剖面 （c）qt測(cè)量值和實(shí)際值

(3) 估計(jì)地基中的溫度剖面．假設(shè)測(cè)量和“實(shí)際”的s剖面的區(qū)別是由于溫差引起的(D)，則估計(jì)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(cè)量值；si為地表s的測(cè)量值；為距地表的深度；為s的溫度校正系數(shù)．

(4) 對(duì)CPTU的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行溫度修正．根據(jù)估計(jì)的溫度剖面(圖5(b))和c的溫度校正系數(shù)()可以計(jì)算溫差引起的t(D)，從而可以獲得實(shí)際的t(圖5(c))，進(jìn)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(guò)在底泥的不同深度處插入熱電偶測(cè)量了不同深度底泥中的溫度隨季節(jié)的變化情況．測(cè)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(jìn)行的，假設(shè)溫差為10℃，則溫度引起的s為－4kPa．在地點(diǎn)a4和c3距底泥表面4m深處s的測(cè)量值大約為-3kPa和-2.8kPa，因此實(shí)際的s大約為1kPa和1.2kPa，表面的測(cè)量值分別為0.2kPa和0.36kPa，假設(shè)s隨深度線性增加，則可計(jì)算得到分別為0.24和0.19．

（a）地點(diǎn)a4 （b）地點(diǎn)c3

CPTU測(cè)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(jìn)行修正．圖7為地點(diǎn)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(diǎn)的溫度修正結(jié)果可知，如果不進(jìn)行溫度修正，在大約3.5m深度處海底泥的t值可能會(huì)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(jìn)行溫度修正，在約3m深度處海底泥的u值可能會(huì)被高估100%以上．對(duì)比溫度修正前和修正后的s、t和u剖面可知，因?yàn)楹５啄嗟膕、t和u的值較小，溫度對(duì)CPTU的測(cè)量結(jié)果有很大的影響．圖7中也顯示了十字板剪切試驗(yàn)得到的u，對(duì)比發(fā)現(xiàn)溫度修正前的u大于室內(nèi)試驗(yàn)得到的u，而溫度修正后得到u與室內(nèi)試驗(yàn)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(qiáng)度su

2.4?溫度修正前后不排水抗剪強(qiáng)度的對(duì)比

圖8(a)為所有地點(diǎn)溫度修正前CPTU所得u與室內(nèi)試驗(yàn)所得u比值的頻率分布柱狀圖，圖8(b)為所有地點(diǎn)溫度修正后所得u與室內(nèi)試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(duì)CPTU測(cè)試結(jié)果的影響，海底泥的u將會(huì)被高估；③如果用CPTU測(cè)試海底泥或軟黏土的特性，溫度對(duì)CPTU測(cè)試結(jié)果的影響不可忽略，需要根據(jù)測(cè)量或估計(jì)的溫度剖面和溫度校正系數(shù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正．

（a）溫度修正前

（b）溫度修正后

圖8?CPTU和室內(nèi)試驗(yàn)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(yàn)開(kāi)始前在與地基溫度相等的環(huán)境下測(cè)量初讀數(shù)來(lái)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(guò)在某一特定溫度下的初讀數(shù)來(lái)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(duì)CPTU測(cè)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(guò)探頭貫入中直接測(cè)量的溫度剖面來(lái)修正溫度的影響；然而，目前實(shí)際工程中大多數(shù)的CPTU探頭中并沒(méi)有安裝溫度傳感器，如果探頭中沒(méi)有安裝溫度傳感器，可以采用本文建議的修正方法估計(jì)地基中的溫度剖面和修正溫度對(duì)CPTU在海底泥或軟黏土中測(cè)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(guò)反分析，本文得出＝0.2kPa/m，黏土礦物類(lèi)型和沉積環(huán)境等多種因素可能會(huì)影響的大?。畬?shí)際中應(yīng)根據(jù)相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)確定的大小，如果沒(méi)有相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)，可以采用本文建議的值．

3?結(jié)?論

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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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017YFC0805402)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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)