CN106759220B - 利用静力触探贯入阻力快速测定静止土压力系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用静力触探贯入阻力快速测定静止土压力系数的方法，包括步骤：1)对测量地区土层进行静力触探试验，采集测量地区的锥尖阻力参数q_c和静止水位u_w；2)通过计算获得静止土压力系数K₀，计算公式为K₀＝0.4ln(U_c)+0.3；U_c＝(σ_h‑u_w)/σ’_V；σ_h＝0.45q_c，其中，Uc为锥尖阻力归一化应力比，σ’_V为垂直有效应力。应用本发明方法能真实反映拟建场地静止土压力系数随深度变化值，较准确地体现均匀地层应力历史状态，与工程实际相符，在不增加测试技术手段的前提下，为设计提供了现场实测数据，缩短了勘察和设计周期，节约了勘察成本，提高了效率，具有广泛的推广价值。

Description

利用静力触探贯入阻力快速测定静止土压力系数的方法

技术领域

本发明涉及岩土工程原位测试技术领域，具体地指一种利用静力触探贯入阻力快速测定静止土压力系数的方法。

背景技术

静止土压力系数K₀作为基础工程设计中较为重要的技术指标，对作用在路基、桥梁、边坡、挡墙等结构物上的应力分布、安全性及工程措施和工程造价等均有直接影响。工程实践表明，地下结构设计分析时的静止土压力系数K₀的取值非常关键。由于K₀值的确定受到土性、中和应力、扰动程度及土的结构性等多方面影响，使现场测定K₀值的方法不多且困难，一般在工程实践中主要用室内试验的塑性指数I_p或有效内摩擦角值应用经验公式进行估算，给工程带来可靠性和安全性风险。

目前，国内外关于现场原位测定K₀值的技术和设备较少，国外原创技术主要有美国KBS公司生产的原位K₀测定仪(俗称K₀步进板)，剑桥自钻旁压仪、意大利扁板侧胀仪，国内原创是铁四院研制的专利产品有效应力铲。其中直接测定K₀值的是美国KBS原位K₀测定仪和铁四院研制的有效应力铲，且成果相对准确可靠，其他技术只是间接得到K₀值，准确性和可靠性一般。要获得土的水平总应力和静止土压力系数参数，目前国内外在工程勘察中，必须采用这些技术手段，不可避免地导致勘察时间的延迟和费用的增加，效率和效益以及经济性受到较大的影响。

当前，国内外均以静力触探(CPTU)作为工程勘察的主要技术手段，应用广泛且数量极大。国外学者试图研究利用静力触探参数求解水平应力和静止土压力系数，但始终不得其果。国内各专家学者也鲜有满意成果。

发明内容

本发明的目的是针对采用静力触探不能测定静止土压力系数的技术问题，而提出一种利用静力触探贯入阻力快速测定静止土压力系数的方法。

为实现上述目的，本发明所设计的利用静力触探贯入阻力快速测定静止土压力系数的方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：

1)对测量地区土层进行静力触探试验，采集测量地区的锥尖阻力参数q_c和静止水位u_w；

2)通过计算获得静止土压力系数K₀，计算公式为：

K₀＝0.4ln(U_c)+0.3

U_c＝(σ_h-u_w)/σ’_V0

σ_h＝0.45q_c

其中，Uc为锥尖阻力归一化应力比，σ’_V0为垂直有效应力。

优选地，所述步骤1)的具体步骤包括：

11)布置静探孔的测试孔位；

12)安装反力装置和贯入设备；

13)启动贯入设备，以20mm/s的速度匀速贯入试验地层中，每贯入100mm采集一次贯入锥尖阻力；

14)采集测量区域的静止水位u_w；

15)提取所采集的贯入锥尖阻力，并按照力学指标进行分层，获得每一层的锥尖阻力参数q_c。

优选地，所述步骤13)中贯入设备以20mm/s的速度匀速贯入试验地层中，每贯入100mm采集一次贯入锥尖阻力。

优选地，所述测试孔位布置在地下结构物所受应力集中节点位置，或距离应力集中节点水平间距2～3m处，所述测试孔位的深度进入结构底板以下不小于30m或基坑开挖深度的3倍，以使测试水平应力及静止土压力系数参数满足设计要求。

优选地，所述步骤14)中静止水位u_w的测量方法为观察并记录24小时后各已完成静探孔的稳定水位值，然后平均各已完成静探孔的稳定水位值作为试验场地静止水位u_w，以提高测量数据的准确性

优选地，所述步骤15)中每一层的锥尖阻力参数q_c为选取的采集的每一层中所有静探孔的锥尖阻力值的平均值，降低异常值对测量结果的干扰。

本发明针对长期困扰国内外岩土工程领域的世界性难题，即采用静力触探不能测定静止土压力系数的关键技术问题，通过大量勘察工程、现场试验、数据采集、分析研究工作，解决了三大关键技术：1)静力触探贯入锥尖阻力与水平总应力的相关关系；2)静力触探测试静止土压力系数的试验方法；3)静力触探贯入锥尖阻力数据处理过程和模式。本发明理论依据可靠、经过勘察现场的扁板侧胀试验和钻探取样室内常规及三轴固结试验，验证过程严谨，测量结果准确性高，实施效果显著。应用本发明方法能真实反映拟建场地静止土压力系数随深度变化值，较准确地体现均匀地层应力历史状态，与工程实际相符，在不增加测试技术手段的前提下，为设计提供了现场实测数据，缩短了勘察和设计周期，节约了勘察成本，提高了效率，具有广泛的推广价值。

附图说明

图1为本发明一种锥尖阻力参数q_c与水平总应力σ_h回归关系曲线图；

图2为水平总应力σ_h与自钻旁压试验原位水平应力P₀回归关系曲线图；

图3为锥尖阻力归一化应力比Uc与静止土压力系数K₀回归关系曲线图；

图4为静探测试孔位布置示意图；图中JC1～JC11分别代表1～11号静探孔的测试孔位。

图5为三轴法与Ip估算法K₀对比图；

图6为三轴法、Ip估算法与扁板K₀对比图；

图7为q_c法、三轴法与Ip估算法K₀对比图；

图8为q_c法、Ip估算法与扁板K₀对比图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明涉及一种利用静力触探贯入阻力快速测定静止土压力系数的方法，通过试验数据采集、锥尖阻力参数q_c与水平总应力σ_h分析、锥尖阻力归一化应力比Uc与静止土压力系数K₀分析后，根据测量现场数据采集，经过计算，即可获得静止土压力系数K₀。

本发明需试验总结归纳静力触探锥尖阻力参数q_c与水平总应力σ_h的相关关系、锥尖阻力归一化应力比Uc与静止土压力系数K₀的相关关系。为了获得准确可靠的试验数据，结合高铁、铁道交通勘察工程，对全国三十多个地区的土层进行了静力探触试验与有效应力铲试验的现场对比研究。对比试验地区涵盖武汉、昆明、温州、台州、湖州、上海、连云港、宁德、广州、珠海等地，涉及土层正常固结或轻度超固结的淤泥、淤泥质土、粉质黏土、部分粉土及松散粉砂等工程重点关注的对于后期施工变形位移和沉降较大的软弱及松散地层，具有广泛的地区代表性。

试验阶段包括如下步骤：

1)对试验地区土层进行静力触探试验，同时采集锥尖阻力参数q_c、水平总应力σ_h、静止土压力系数K₀。

2)将所有试验地区的锥尖阻力参数q_c与水平总应力σ_h进行对比研究，经过回归计算得到两者关系σ_h＝0.45q_c。

表1为锥尖阻力与水平总应力数据统计表，参与回归分析的试验数据是根据试验地区土层按照力学指标分层后取每层的均值。由于土层是非均匀性的，其中水、空气、土颗粒的密度是不相同的，通过取平均值的方式使采集的试验数据更准确。统计组数n＝32，回归分析的相关系数R＝0.86，回归计算得到两者关系σ_h＝0.45q_c。锥尖阻力参数q_c与水平总应力σ_h回归关系曲线见图1。

表1锥尖阻力与水平总应力数据统计表

3)将所有试验地区的锥尖阻力归一化应力比Uc与静止土压力系数K₀进行对比研究，经过回归计算得到两者关系K₀＝0.4ln(U_c)+0.3。

根据土力学知识可知，土体是由土颗粒、水、空气三相有机组成，土颗粒之间的空隙由水或空气填充，对于地下水丰富且埋藏较浅的地区如江、河、湖、海较发达的江南及沿海地区，地下水位以下土体实际上由土颗粒和水组成二相体结构。探头在贯入过程中挤压土颗粒，使土颗粒之间的空隙减小，空隙中的水压将升高，产生孔隙水压力，那么测试的水平总应力σ_h由有效应力σ’_h、孔隙水压力△u、静止水压力u_w组成，即：σ_h＝σ’_h+△u+u_w。其中，对于孔隙水压力△u的值，现场一般采用消散法即停止贯入，长时间等待土体中颗粒所受应力释放完全，土体结构重组△u消除后，完成消散试验过程。这种方法效率低，经济性差。如何消除孔隙水压力影响得到近似原位水平应力，国内外学者提出了不同的方法，但没有实际工程对比验证。

在实地勘察中，利用有效应力铲试验与自钻旁压进行了对比试验，采用有效应力铲现场测得的水平总应力σ_h与自钻旁压试验原位水平应力P₀进行分析，见图2。

从上述关系图中发现，水平总应力σ_h与自钻旁压原位水平应力P₀存在较好的对数关系。原位水平应力P₀＝σ’_h+u_w，原位水平应力P₀去除静水压力u_w后即为水平有效应力σ’_h，证实了水平总应力σ_h与水平有效应力σ’_h之间具有良好的对数相关关系。这是利用现场对比试验获得的消除△u值影响的关键试验依据。

根据毕肖甫对静止土压力系数K₀的定义：σ’_V为垂直有效应力。定义锥尖阻力归一化应力比U_c＝(σ_h-u_w)/σ’_V。再根据各对比试验地区实测数据采用总应力归一化应力比对数法将U_c与K₀进行回归分析，如图3所示。回归数据是经过地层平均得到的，统计个数n＝58，相关系数R²＝0.93。根据回归关系图，可得到总应力贯入值或初始值计算K₀公式

K₀＝0.4ln(U_c)+0.3

应用上式采用水平总应力贯入值或初始值，可快速获得静止土压力系数K₀。

测量阶段包括如下步骤：

1)对测量地区土层进行静力触探试验，采集测量地区的锥尖阻力参数q_c和静止水位u_w。具体步骤包括：

11)测试孔位布置。在满足静力触探常规试验要求，分析查明地层界面、土层定名、提供各地层物理力学指标的基础上，重点关注设计、建设的地下结构物所涉及土层的试验环境与条件，静探孔的测试孔位尽可能布置在地下结构物所受应力集中节点位置，或距离应力集中节点水平间距2～3m布置，深度应满足变形计算、稳定性分析以及地下水控制的要求。孔深应进入结构底板以下不小于30m或基坑开挖深度的3倍，在满足各地层物理力学指标的基础上，孔深可以进入结构底板以下不小于20m或基坑开挖深度的2倍。使测试水平应力及静止土压力系数参数，满足设计要求。静探测试孔位布置示意图如图4所示。

12)反力装置和贯入设备安装调试。首先平整试验场地，其次安装反力装置和贯入设备，用水平尺调整机具水平后，紧固贯入设备与反力装置，再就是传感器与静探专用仪器连接，仪器调零完成后即可贯入。

13)数据采集。贯入设备以20mm/s的速度匀速贯入试验地层中，每贯入100mm采集一次静探锥尖阻力，此间注意深度计量的准确性。达到设计深度后，仪器完成测试参数随深度变化的存储和显示。

14)观察并记录24小时后各已完成静探孔的稳定水位值。

15)提取所采集的贯入锥尖阻力，并按照力学指标进行分层，获得每一层的锥尖阻力参数q_c。

提取设计、建设地下结构物所涉及土层的贯入锥尖阻力值，按照力学指标进行分层，剔除各层异常值，平均各分层的锥尖阻力值或取设计重点深度上下的3个锥尖阻力值的平均值，作为该层的锥尖阻力参数q_c。

平均各已完成静探孔的稳定水位值作为试验场地静止水位u_w。

2)通过计算获得静止土压力系数K₀，计算公式为：

K₀＝0.4ln(U_c)+0.3

U_c＝(σ_h-u_w)/σ’_V

σ_h＝0.45q_c

其中，U_c为锥尖阻力归一化应力比，σ’_V为垂直有效应力，垂直有效应力σ’_V的值通过查表或者现场测量的常规方式获得。

上述参数计算可在计算机上完成。

实施效果

在某高铁的黄浦江隧道工程勘察项目中，采用了本发明的方法，进行了静止土压力系数的测定工作。为了验证本发明的实用效果，现场开展了扁板侧胀试验和钻探取样室内常规及三轴固结试验，通过三轴试验K₀、Ip估算K₀扁板K₀对比，具体分析各方法的的优劣。图5为室内三轴与Ip估算法对比图，图6为室内三轴、Ip估算法与扁板对比图。

分析图5可知，三轴法K₀随深度起伏变化显著，可能是反映地层沉积的应力历史不同，也可能是室内法向应力加载不符合原生状态条件产生，Ip估算法深度变化不明显，主要是室内试验对于较均匀地层塑性指数Ip值差异不大造成，没有反映出地层沉积过程中的应力历史状态，其原因有取样、包装、运输、制样过程中的扰动和水分流失以及经验公式的粗糙引起。从图6可知，扁板K₀深度有稍微起伏变化，基本反映出均匀地层应力历史状态，虽然整体数值小于Ip估算值，但应比Ip法可靠。

图7为q_c法、三轴法与Ip估算法K₀对比图，图8为q_c法、Ip估算法与扁板K₀对比图。分析图7本发明利用静力触探贯入阻力快速测定静止土压力系数的方法即q_c法随深度变化起伏明显，幅值小于三轴法，也较准确反映出均匀地层应力历史状态。从图8可知qc法K₀随深度变化要大于扁板试验，整体数值介于Ip估算法和扁板值之间，更加准确可靠。

综上所述，本发明在高铁勘察中的对比验证表明，应用本发明方法能真实反映拟建场地静止土压力系数随深度变化值，较准确地体现均匀地层应力历史状态，与工程实际相符，在不增加测试技术手段的前提下，为设计提供了现场实测数据，缩短了勘察和设计周期，节约了勘察成本，提高了效率，效果明显。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种利用静力触探贯入阻力快速测定静止土压力系数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对测量地区土层进行静力触探试验，采集测量地区的锥尖阻力参数q_c和静止水位u_w；

2)通过计算获得静止土压力系数K₀，计算公式为：

K₀＝0.4ln(U_c)+0.3

U_c＝(σ_h-u_w)/σ’_V

σ_h＝0.45q_c

其中，Uc为锥尖阻力归一化应力比，σ’_V为垂直有效应力。

2.根据权利要求1所述的利用静力触探贯入阻力快速测定静止土压力系数的方法，其特征在于：所述步骤1)的具体步骤包括：

11)布置静探孔的测试孔位；

12)安装反力装置和贯入设备；

13)启动贯入设备，采集贯入锥尖阻力；

14)采集测量区域的静止水位u_w；

15)提取所采集的贯入锥尖阻力，并按照力学指标进行分层，获得每一层的锥尖阻力参数q_c。

3.根据权利要求2所述的利用静力触探贯入阻力快速测定静止土压力系数的方法，其特征在于：所述步骤13)中贯入设备以20mm/s的速度匀速贯入试验地层中，每贯入100mm采集一次贯入锥尖阻力。

4.根据权利要求2所述的利用静力触探贯入阻力快速测定静止土压力系数的方法，其特征在于：所述测试孔位布置在地下结构物所受应力集中节点位置，或距离应力集中节点水平间距2～3m处，所述测试孔位的深度进入结构底板以下不小于30m或基坑开挖深度的3倍。

5.根据权利要求2所述的利用静力触探贯入阻力快速测定静止土压力系数的方法，其特征在于：所述步骤14)中静止水位u_w的测量方法为观察并记录24小时后各已完成静探孔的稳定水位值，然后平均各已完成静探孔的稳定水位值作为试验场地静止水位u_w。

6.根据权利要求2所述的利用静力触探贯入阻力快速测定静止土压力系数的方法，其特征在于：所述步骤15)中每一层的锥尖阻力参数q_c为选取的采集的每一层中所有静探孔的锥尖阻力值的平均值。