CN102518106B - 基于多功能孔压静力触探探头及土侧压力系数测定方法 - Google Patents

Abstract

基于多功能孔压静力触探探头及测定土侧压力系数的方法涉及一种基于多功能CPTU的测定土侧压力系数的方法，触探探头部连接探杆（6）；在该探头下半段的上部设有三分量地震检波器（5），在三分量地震检波器（5）的下部设有测斜仪（4），摩擦筒（3）位于测斜仪（4）的下方，在摩擦筒（3）的下方连接有探头（1），孔压过滤环（2）位于摩擦筒（3）与探头（1）的连接处。侧压力系数直接由归一化侧壁摩阻力（f _s /

）量测值与超固结比（OCR）预测值得出，可以采用多功能CPTU原位测试技术确定OCR，其中采用归一化净锥尖阻力与超固结比的相关关系较为可靠。采用该方法，具有原位、快速、准确、经济等特点。

Description

基于多功能孔压静力触探探头及土侧压力系数测定方法

技术领域

本发明涉及一种基于多功能CPTU的测定土侧压力系数的方法，属于土木工程领域中一种新的土侧压力系数测定方法。

背景技术

静力触探技术(CPT)是指利用压力装置将带有触探头的触探杆压入试验土层，通过量测系统测试土的锥尖阻力、侧壁摩阻力等，可确定土的某些基本物理力学特性，如土的变形模量、土的容许承载力等。静力触探技术至今已有80多年的历史。国际上广泛应用静力触探，部分或全部代替了工程勘察中的钻探和取样。我国于1965年首先研制成功电测式静力触探并应用于工程勘察。现代数字式多功能孔压静力触探技术(以下简称多功能CPTU)是20世纪80年代在国际上兴起的新型原位测试技术，与我国传统的单双桥静探相比，具有理论系统、功能齐全、参数准确、精度高、稳定性好等优点。既可以用超孔压的灵敏性准确划分土层、进行土类判别，又可求取土的原位状态参数、固结系数、渗透系数、动力参数、结构参数、地基承载特性等，在国外土木工程设计中已得到广泛应用。

静止土侧压力系数(Ko)是岩土工程中的一个非常重要的参数，如确定场地中的应力状态、计算静止土压力、土坝施工期的孔隙水压力和桩侧向承载力计算等等都需要准确的静止侧压力系数；同时在地下工程中的地下连续墙、隧道的衬砌和土中的填埋管道等地下结构设计中也要用到准确的静止侧压力系数。随着地铁、轻轨的建设，涉及到很多的地下结构的土压力问题，而各土层的静止侧压力系数能够反映出地基中水平向应力的变化，由此可直接推算出作用在挡土结构物上的土压力分布及可靠性，所以地铁、轻轨、基坑工程勘察中一般都要求测试静止侧压力系数Ko值。但是无论是通过土工试验还是常规原位测试它都是最难精确测定的参数之一。因此，应用孔压静力触探所能直接测得的侧壁摩阻力，合理地采用孔压对现有公式进行修正，提出考虑有效上覆土压力的适合于地下工程的静止土侧压力系数预测方法是很有意义的。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是针对国内现有测定静止土侧压力系数各种方法存

在的不确定性，提出一种基于多功能孔压静力触探探头及土侧压力系数测定方法。

技术方案：本发明基于多功能孔压静力触探探头，其上部连接探杆；在该探头下半段的上部设有三分量地震检波器，在三分量地震检波器的下部设有测斜仪，摩擦筒位于测斜仪的下方，在摩擦筒的下方连接有锥形探头，孔压过滤环位于摩擦筒与锥形探头的连接处，触探探头与探杆直径相同。

锥形探头的锥角为60°，锥底截面积为10cm²；摩擦筒表面积为150cm²。

孔压过滤环厚度为5mm，探头的不等端面积比为0.8。

本发明基于多功能孔压静力触探探头的测定土侧压力系数的方法在于采用归一化侧壁摩阻力(f_s/σ′_vo)与超固结比OCR预测土侧压力系数，超固结比OCR由归一化净锥尖阻力q_net计算，其关系式可以表示为：

$\mathrm{OCR}=k\left(\frac{q_t-{\mathrm{\σ}}_{v0}}{{\mathrm{\σ}}_{v0}^{\′}}\right)$

式中，q_net＝(q_t-σ_v0)为净锥尖阻力；σ_v0为竖向总应力；q_t为经孔压修正的锥尖阻力＝q_c+u(1-a)，q_c为实测锥尖阻力，u为CPTU探头量测的孔压值，a为探头不等端面积比，k为试验参数。

针对江苏典型黏土场地，k的变化范围在0.37～0.45之间。

土的静止侧压力系数定义为水平向有效应力与垂直向有效应力之比，表达式如下：

K₀＝σ′_h0/σ′_v0

式中，σ′_ho为水平向有效应力；σ′_vo为垂直向有效应力。对正常固结土而言，可利用下列公式计算：

K₀＝1-sinφ′

对加荷-卸荷具有简单应力历史的土来说，可利用下列公式计算：

K₀＝(1-sinφ′)OCR^sinφ′

式中，

为土有效内摩擦角；OCR为土超固结比。超固结比OCR由归一化净锥尖阻力(q_net)计算。其关系式可以表示为：

$\mathrm{OCR}=k\left(\frac{q_t-{\mathrm{\σ}}_{v0}}{{\mathrm{\σ}}_{v0}^{\′}}\right)$

式中，q_net＝(q_t-σ_v0)为净锥尖阻力；σ_v0为竖向总应力；q_t为经孔压修正的锥尖阻力＝q_c+u(1-a)，q_c为实测锥尖阻力，u为CPTU探头量测的孔压值，a为探头不等端面积比，k为试验参数。这个表达式基于黏性土的高压固结试验、三轴应力路径试验和其它室内试验得出的。

有益效果：本发明所述基于多功能CPTU探头及测定土侧压力系数的方法是现场确定土侧压力系数新方法，该方法是采用归一化侧壁摩阻力(f_s/σ′_vo)与超固结比OCR预测土侧压力系数，是在统计大量不同场地CPTU试验成果的基础之上提出的经验公式。该方法尤其适用于江苏正常固结～轻微超固结到中等超固结黏性土层中土侧压力系数的预测。

附图说明

图1是本发明采用的多功能CPTU探头原理图；

其中有：锥形探头1，孔压过滤环2，摩擦筒3，测斜仪4，三分量地震检波器5，探杆6。

图2是本发明由侧壁摩阻力(f_s)和超固结比(OCR)来确定土侧压力系数(K_o)的示意图。

具体实施方式

本发明所述多功能孔压静力触探探头上半段连接探杆，采用卡车液压贯入系统将连接探杆的探头贯入土层中，在该探头下半段设有三分量地震检波器，在三分量地震检波器的下部设有测斜仪，摩擦筒位于测斜仪的下方，在摩擦筒的中部设有孔隙水压力传感器，在摩擦筒的下方连接有探头，孔压过滤环位于摩擦筒与探头的连接处。探头的锥角为60°，锥底截面积为10cm²，摩擦筒表面积为150cm²。

土侧压力系数(K_o)与CPTU侧壁摩阻力(f_s)具有相关关系，而在不同的土类中，CPTU贯入过程中产生的孔压差别很大。本发明基于江苏典型黏土场地CPTU试验资料，提出了基于超固结比OCR和归一化侧壁摩阻力(f_s/σ′_vo)预测土侧压力系数(K_o)的侧壁摩阻力法，如图2所示。

超固结比OCR由归一化净锥尖阻力(q_net)计算。其关系式可以表示为：

$\mathrm{OCR}=k\left(\frac{q_t-{\mathrm{\σ}}_{v0}}{{\mathrm{\σ}}_{v0}^{\′}}\right)$

式中，q_net＝(q_t-σ_v0)为净锥尖阻力；σ_v0为竖向总应力；q_t为经孔压修正的锥尖阻力＝q_c+u(1-a)，q_c为实测锥尖阻力，u为CPTU探头量测的孔压值，a为探头有效面积比，k为试验参数。针对江苏典型黏土场地，k的变化范围在0.37～0.45之间。

本发明以江苏典型黏土场地的CPTU试验结果，测量作用在CPTU摩擦筒上的水平向应力，然后建立量测值与现场水平有效应力σ′_ho之间的经验关系式，提出了一种方法用CPTU探头的侧壁摩阻力估算水平有效应力，如图2所示。该方法存在侧壁摩阻力(f_s)量测的准确性问题以及需要提前估算OCR的问题。而针对江苏正常固结～轻微超固结到中等超固结黏土，可以采用多功能CPTU原位测试技术确定先期固结压力或OCR，其中采用归一化净锥尖阻力与超固结比的相关关系确定较为可靠。现有归一化净锥尖阻力和超固结比的关系式可以用来确定黏性土的应力历史，已有场地测试结果表明，试验参数k的变化范围在0.37～0.45之间。

Claims (1)

1.一种基于多功能孔压静力触探探头的土侧压力系数测定方法，其特征在于在该触探探头上部连接探杆（6）；在该探头下半段的上部设有三分量地震检波器（5），在三分量地震检波器（5）的下部设有测斜仪（4），摩擦筒（3）位于测斜仪（4）的下方，在摩擦筒（3）的下方连接有锥形探头（1），孔压过滤环（2）位于摩擦筒（3）与锥形探头（1）的连接处，触探探头与探杆（6）直径相同；

锥形探头（1）的锥角为60°，锥底截面积为10cm²；摩擦筒（3）表面积为150cm²；

孔压过滤环（2）厚度为5mm，探头不等端面积比为0.8；

采用归一化侧壁摩阻力f_s/σ'_vo与超固结比OCR预测土侧压力系数，超固结比OCR由归一化净锥尖阻力q_net计算，其关系式表示为：

$\mathrm{OCR}=k\left(\frac{q_{\mathrm{net}}}{{\mathrm{\σ}}_{v0}^{\′}}\right)=k\left(\frac{q_t-{\mathrm{\σ}}_{v0}}{{\mathrm{\σ}}_{v0}^{\′}}\right)$

式中，f_s为侧壁摩阻力；σ'_vo为竖向有效应力；q_net=（q_t-σ_v0）为净锥尖阻力；σ_v0为竖向总应力；q_t为经孔压修正的锥尖阻力=q_c+u（1-a），q_c为实测锥尖阻力，u为CPTU探头量测的孔压值，a为探头有效面积比，k为试验参数。

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