基于CPT(静力触探技术)概率的土壤性质和分类

基于CPT判别土类及状态在地基检测中的应用叶锋;陈小利;贺迎喜;赵维军;邱青长;王盼【摘要】As per technical specifications in New Doha Port Project, the ground shall be improved to medium dense to dense for granular deposits and firm to stiff for cohesive deposits. CPT is proposed as ground testing method after ground improvement. Firstly, soil classification is undertaken based on cone resistance and friction ratio of CPT. Thus soil is classified into granular and cohesive type. For granular deposits, CPT acceptance criteria are established by the correlation between relative density and cone resistance. For cohesive deposits, CPT acceptance criteria is established by the correlation between undrained strength and cone resistance. The soil classification system and two types of acceptance criteria based on CPT are greatly suitable for ground testing and they are worth popularizing.%针对多哈新港项目中的地基验收标准（即经地基处理后，砂性土须达到中密-密实，黏性土须达到硬塑-坚硬），提出采用CPT作为地基检测方法。

外文翻译译文：基于CPT（静力触探技术）土壤性质和概率的分类K. Onder Cetin, M.ASCE ; 和Cem Ozan摘要由于在常规静力触探测试的土壤取样不足，有必要基于锥尖与侧壁摩擦值以及孔隙水渗透压力诱发期间和之后对土壤特点分类。

目前可用的半经验方法表现出在评估土壤类型不确定。

本文的静力触探为基础的土壤特征和分类方法是在试图提出一个新的可能，解决固有的不确定性问题的范围。

为了标准化校正的锥尖阻力（qt,1,net）,归摩擦率（FR），细沙含量（FC），液限（LL），塑性指数（PI）和土壤类型组成的数据库与土壤分类系统的统一得到遵守这个目的。

土壤分类实验室是测试钻孔取扰动样大部分2米内CPT洞的标准贯入试验。

由此产生的数据库通过评估贝叶斯更新概率方法，允许充分和一致的表现不确定性,包括（1）模型的缺陷表示方法；（2）统计的不确定性；（3）固有的变异性。

结论表明，不同的FC，LL，PI和A线边界曲线随着一个新的CPT基础，在（qt,1,net ）和（FR）领域提出了一种简化的土分类方案。

概率方法所建立的模型的可靠性通过一组数值实例进行了证明。

DOI: 10.1061/ASCE1090-024********:184CE数据库主题词：静力触探试验;可塑性;液限;土壤分类;概率。

简介基于地质及岩土工程资料汇编的目的，CPT圆锥贯入试验被广泛用于研究地下土壤特性。

与D6066-98标准一致（美国ASTM2000），传统的CPT，将一个10平方厘米面积的钢锥以20毫米/秒液压推入土壤，并记录端阻力和侧壁摩阻力。

由于它的鲁棒性和可重复性，其主要劣势是缺乏土壤取样，尽管最近出现了一些对传统CPT的改进试图消除这一缺点。

这些有衡量次生孔隙压力（Janbu和Senneset1974年，Schmertmann1974年）；剪切波速（Campanella等人1986，罗伯逊等1986年）；在多个地点的渗透率（即 piezo-cone penetration test, CPTU or seismic cone penetration test, SCPT）；数字成像周围的土壤介质[即 vision CPT（Raschke 和 Hryciw 1997）]，以及多套筒（DeJong 和 Frost 2002）圆锥贯入，以提供其他的有用信息。

基于静力触探测试的国内外砂土液化判别方法一、本文概述液化是砂土在地震动荷载作用下由固态转变为液态的现象，是工程地震学中一个极为重要的问题。

液化会导致地基失效，建筑物沉陷或倾倒，从而引发严重的灾害。

因此，准确有效地对砂土液化进行判别，对于确保工程结构的安全性和稳定性具有至关重要的作用。

静力触探测试作为一种原位测试技术，具有操作简便、结果直观等优点，因此在砂土液化判别中得到了广泛应用。

本文旨在综述基于静力触探测试的国内外砂土液化判别方法。

将介绍砂土液化的基本概念和静力触探测试的基本原理。

将详细阐述国内外在砂土液化判别方面的研究成果和现状，包括各种判别方法的基本原理、适用范围和优缺点。

将探讨静力触探测试在砂土液化判别中的具体应用，以及未来在砂土液化判别领域的研究方向和发展趋势。

通过本文的综述，希望能够为工程师和研究人员提供关于砂土液化判别方法的全面了解和参考，为砂土液化判别技术的发展和应用提供有益的借鉴和启示。

二、国内外砂土液化判别方法研究现状砂土液化判别方法的研究一直是岩土工程领域的重要课题。

液化现象指的是在地震、爆炸等动力荷载作用下，无粘性土（如砂土）由固态转变为液态的现象，这种转变会导致土壤失去承载能力，对建筑物和基础设施造成极大破坏。

因此，准确判别砂土液化对于预防地震等自然灾害具有重要的工程实际意义。

在国内外，砂土液化判别方法的研究已经取得了显著进展。

传统的判别方法主要基于静力触探测试（CPT）的结果，通过分析CPT数据中的锥尖阻力、侧壁摩阻力等参数，结合现场的地质环境条件和地震动参数，来评估砂土液化的可能性。

这些方法虽然在一定程度上能够反映砂土的液化特性，但由于缺乏考虑动力因素，其准确性和可靠性有待进一步提高。

近年来，随着科技的发展和研究的深入，国内外学者提出了许多新的砂土液化判别方法。

这些方法不仅考虑了静力因素，还引入了动力参数，如地震加速度、频率等，以更全面地评估砂土的液化风险。

随着机器学习等技术的快速发展，一些基于数据驱动的砂土液化判别模型也逐渐兴起。

(2009-2010学年第二学期)土工测试原理与技术课程论文研究生：周森提交日期：2010年9月1日研究生签名：学号200920105032 学院土木与交通学院课程编号S0814004 课程名称土工测试原理与技术学位类别硕士任课教师刘叔灼教师评语：成绩评定：分任课教师签名：年月日基于静力触探技术的土层及土类划分方法周 森（华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640）摘 要：静力触探是一种在工程中广泛应用的原位测试方法。

介绍了静力触探的国内、外发展状况、基本原理及成果应用，对单桥静力触探、双桥静力触探和孔压静力触探三种测试方法进行了比较，着重探讨了静力触探曲线在划分土层土类中的应用并总结了划分土层土类的三种方法，即目测经验法、分类图法和变量统计分析方法。

通过比较分析得出：双桥静力触探可同时测得锥尖阻力c q 和侧壁摩阻力s f ，因此较单桥静力触探具有较高的准确度；孔压静力触探方法综合运用h q c -、h f s -和h u -曲线划分土层，进一步提高了区分精度；随着计算机运算技术的发展，基于变量统计理论为基础的静力触探方法是今后的一个发展趋势。

关键词：静力触探技术；测试方法；土层土类划分中图分类号：TU 432 文献标识码：A 文章编号：作者简介：周森（1986～），男，河南南阳人，华南理工大学岩土工程专业硕士研究生，主要从事于风险分析方法在岩土工程中的应用及地下结构设计方法的研究。

E-mail:*******************。

Classifications of Soil Layer and Soil Properties on the Basis of CPT TechniqueZhou Sen(College of Civil Engineering & Transportation,South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)Abstract : Cone Penetration Test is a widely-used in-situ measurement in practical project. The development, basic principle and application of CPT technique are discussed, three methods----Single bridge static CPT, double bridge static CPT and pore pressure CPT are analyzed and compared. The methods used to classify soil layer and soil properties are focused on. Conclusions are drawn as follows: Both resistance awl c q and side friction s f can be obtained by double bridge static CPT, thus double bridge static CPT hashigher accuracy than that of single bridge static CPT; The curvesh q c -,h f s -and h u -can be comprehensively used by pore pressure CPT, which improves the accuracy more; The CPT technique based on statistical theory is an evolution trend in thefuture.Key words : CPT technique; in-situ measurement; classification1 静力触探的国内、外发展状况静力触探（Cone Penetration Test ，简称CPT ）是20世纪40年代随着实用土力学和理论土力学的建立，在欧洲一些软土分布较为广泛的国家发展起来的一种原位测试方法［1］。

第 54 卷第 11 期2023 年 11 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.11Nov. 2023基于随机森林算法的CPTu 土类识别模型研究及其在不同区域的应用伍圣超1, 2, 3，王睿1, 2, 3，张建民1, 2, 3(1. 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点试验室，北京，100084；2. 城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程试验室，北京，100084；3. 清华大学 土木水利学院，北京，100084)摘要：探讨基于跨地区的“CPTu+钻孔”数据库建立多地区广泛适用的土类识别模型的可行性，阐明在砾石、砂土、粉土、黏土四大分类情况下，能够适用于多个不同地区的土类识别模型。

基于跨新西兰、奥地利、德国3个地区的“CPTu+钻孔”数据库，以CPTu 测试数据的8个统计特征为输入，以砾石、砂土、粉土、黏土4种土类为输出，应用随机森林算法建立分类模型，同时探讨RF 、SVM 、BPANN 、KNN 4种机器学习算法对于该土类识别问题的性能差异。

研究结果表明：模型在3个地区均具有良好的泛化性能，与工程中广泛接受的SBTn 图表法相比，土类预测精度显著提升。

结合该模型和相应的土层界面确定方法，可应用于完整的CPTu 测试曲线以重构测点处的土层分布。

重构土层分布和钻孔土层分布具有很好的一致性，一致性程度达95%左右。

在4种机器学习算法中，RF 算法具备最优的性能，能有效解决不平衡分类问题。

关键词：CPTu ；土类识别；随机森林；泛化性能；不平衡分类中图分类号：TU19 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2023）11-4391-12Research on CPTu-based soil classification model using randomforest algorithm and its application in different regionsWU Shengchao 1, 2, 3, WANG Rui 1, 2, 3, ZHANG Jianmin 1, 2, 3(1. State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2. National Engineering Laboratory for Urban Rail Transit Green and Safety Construction Technology,Beijing 100084, China;收稿日期： 2022 −12 −28； 修回日期： 2023 −02 −07基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(52022046，52038005) (Projects(52022046, 52038005) supported by theDOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2023.11.017引用格式： 伍圣超, 王睿, 张建民. 基于随机森林算法的CPTu 土类识别模型研究及其在不同区域的应用[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2023, 54(11): 4391−4402.Citation: WU Shengchao, W ANG Rui, ZHANG Jianmin. Research on CPTu-based soil classification model using random forest algorithm and its application in different regions[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2023, 54(11): 4391−4402.第 54 卷中南大学学报(自然科学版)3. School of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract:The feasibility of building a multi-regional soil classification model based on the cross-regional "CPTu+ borehole" database was investigated, and it illustrates that a single soil classification model can be suitable for multiple regions with four major classifications: gravel, sand, silt and clay. A "CPTu & borehole" database from New Zealand, Austria and Germany was established, and a soil classification machine learning model was developed based on random forest algorithm using the eight statistical characteristics of CPTu data as inputs and four soil classes, including gravel, sand, silt, and clay, as outputs. Furtherly, the performance of four kinds of machine learning algorithms, namely RF, SVM, BPANN and KNN, were discussed in detail for CPTu-based soil classification. The results show that the soil classification model has good generalization performance in three regions, i.e., New Zealand, Austria and Germany, and exhibits remarkable better performance than SBTn method.Combined with an appropriate soil boundary determination method, the model can successfully reconstruct the soil stratification at the CPTu testing point. The reconstructed soil stratification has good consistency with corresponding borehole results, and the consistency level is about 95%. The RF algorithm shows optimal performance for solving this imbalance classification problem.Key words: CPTu; soil classification; random forest; generalization performance; imbalance classificationCPTu具有测试快捷、成本低、可靠性高以及测试数据沿深度连续的特点，在岩土工程勘察中得到了广泛应用[1−3]。

例析基于CPTU技术海上井位的地质分层孔隙水压力静力触探（英文简称CPTU）是一种具有速度、数据连续、再现性好、操作省力等优点的新型原位测试技术。

孔隙水压力静力触探技术是把测孔隙水压力的传感元件与标准的静力触探组合在一起，在测定锥尖阻力qc和侧壁摩擦阻力fs的同时，量测土的孔隙水压力u；当停止贯入时，还可量测超孔隙水压力△u的消散，直至超孔隙水压力全部消散完，达到稳定的静止孔隙水压力u0。

目前，孔隙水压力静力触探（CPTU）在地质勘察中已得到广泛应用。

随着海上资源勘探开发日益发展，海上需要越来越多的基础建设。

海上钻井船的插桩和钻进平台建设及管道的铺设都必须依靠浅层的地质条件才可以进行作业。

传统的海上地质勘察的方法是钻孔取样，通过现场和土工实验室试验，为海上工程提供设计参数。

传统的取样和实验室分析方法不仅对土样的扰动大，使得实验室测试结果常出现较大误差，同时成本费用比较高，操作比较麻烦，耗费勘察周期长，地质参数的精确性很难做到。

孔隙水压力静力触探在海上地质勘察中可以弥补钻孔取样的不足，不需要取样，而且周期短。

目前国家的发展战略是向深海进军，水深的增加会加大取样难度，甚至取不到土样。

本文就针对海上某井位隙水压力静力触探（CPTU）资料作了划分土层的分析和总结，为以后海上CPTU技术应用提供借鉴和参考。

1 孔隙水压力静力触探（CPTU）的理论基础把探头借助机械力量压入土中时，终端记录锥尖阻力qc和侧壁摩擦阻力fs，以及土的孔隙水压力u随深度的变化曲线，具有具有快速、可靠、经济和连续的优点。

由于不同的土质，反映到qc-h，fs-h，u-h曲线上，会呈现出成层的分布规律，利用这个规律可以对海底地质进行分层。

文献[4]对目前基于CPTU的土质分类经验图表进行了很好的总结。

在正常贯入速率下（2cm/s）测得的u-h曲线上，能够反映出2cm薄层的变化。

因此，利用孔隙水压力随深度变化曲线判别土层能够提高判别的准确性和精度。

静力触探在软土层与砂层的应用分析摘要：论文基于对静力触探基本原理的分析，根据其在软土层和砂层的应用进行了分析比较，强调了静力触探试验在软土层及砂层中进行场地土类别划分等的优越性。

关键词：静力触探软土地层砂层近年来，我国造船行业迅速发展，兴建了一批造船基地，岩土工程勘察作为地基基础设计的依据，日益凸显出其重要性。

为快速准确地查明场地地层在垂直和水平方向上的分布规律，进行场地土类别划分，估算地基土的力学性质及变形特征，判别饱和砂土地震液化的可能性。

除钻探等常规勘察手段外，静力触探已被广泛应用，尤其是在软土地层中的应用已取得了显著成效。

1静力触探的基本原理静力触探( Cone Penetration Test简称CPT)是原位测试中的一种重要手段，既具有在原位应力条件下进行，对土体扰动小，测定的范围大，反映微观、宏观结构的影响，连续记录土体的力学性质等优点，又能够克服室内试验费时费事、部分土取样困难、代表性差等缺点能够比较真实地反映地基土的抗剪强度特性。

静力触探的基本原理是用静力匀速的将一个内部装有传感器的触探头匀速压入土中，由于地层中各种土的软硬程度不同，探头所受阻力也不一样，传感器将这种大小不同的贯入阻力通过电信号输入到记录仪表记录下来。

再通过贯入阻力与土的工程地质性质之间的定性关系和系统相关关系，来达到取得土层剖面、提供浅基承载力、选择桩端持力层和预估单桩承载力等岩土工程勘察目的。

静力触探使用微电脑使地层的数据采集、存储、处理、打印和绘图，实现自动化，在现场即能取得土层剖面的变化信息，并提供土的工程参数，大大缩短勘探周期，并对岩土的工程问题，如天然地基承载力、桩基承载力、地基土层的贯入阻力等进行评价。

2静力触探成果应用领域静力触探作为岩土工程勘察中的一种重要勘探方法，其试验成果有下列应用：①土层划分，判定土层类别，查明软、硬夹层及土层在水平和垂直方向的均匀性；②评价地基土的工程特性：主要是地基土的容许承载力、压缩性质、估算粘性土的不排水抗剪强度、超固结比、灵敏度、砂土的相对密实度、内摩擦角、土的压缩模量、变形模量、饱和粘土不排水模量、砂土初始切线弹性模量和初始切线剪切模量、地基承载力，砂土液化判别等；③直接为工程提供设计参数：例如，探寻和确定桩基持力层预估打入沉桩可能性和单桩承载力；④检验人工填土的密度和地基加固效果。