一种基于球型全流孔压触探贯入仪及其固结系数评价方法与流程

本发明涉及一种基于球型全流孔压触探贯入仪的固结系数评价方法，属于岩土工程领域中一种能够直接、连续地分析测试植物根系加固土的原位测试方法。

背景技术：

固结系数是岩土设计中土的一个非常重要的指标，固结系数通常是在室内通过对未扰动土的测试求得的。但是在海底环境中，取样和运输过程中不能保证试样的完整性和无扰动性，因此最好是在原位测试中获取。目前测算原位固结系数最普遍的方法是孔压静力触探，通过贯入位置孔隙水压力的消散到50％来计算土的固结系数。但是这种方法的耗时是非常长的，一般来说，如果要消散到50％需要好几个小时甚至更长。海洋岩土工程勘察中，每天所需费用高达50万元以上，这种测试方法显然是不经济的。

全流触探相比静力触探的优点在于：(1)全流触探探头投影面积是静力触探探头的十倍，在极软土中可以获取更精确的贯入阻力；(2)通过探头的循环贯入可以获得土的不排水强度和灵敏度。静力触探非常复杂，贯入阻力受到土的刚度、应变和应变各项异性的影响，并且与应变率和灵敏度也有较大的关系，而土的各向异性和刚度对于全流触探的影响较小。

全流触探球型探头上可以安装孔隙水压力传感器，通过对全流触探球型探头的不同位置安置孔隙水压力传感器的测试结果与孔压静力触探底部孔隙水压力传感器的测试结果进行比较分析，可以算出土的固结系数。通过使用球型全流触探贯入仪的软土固结系数原位评价方法，可以使孔压静力触探与全流触探同时进行，使孔隙水压力消散速度大幅度提高。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种基于球型全流孔压触探贯入仪的固结系数评价方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明的基于球型全流孔压触探贯入仪上部为孔压静力触探探杆，在孔压静力触探探杆的下部连接转换头，在转换头的下部连接全流触探探杆，在全流触探探杆的下部连接全流触探球型探头；在全流触探球型探头中沿横向的圆周设有多个孔压传感器，该孔压传感器外有孔压过滤环；在孔压静力触探探杆底端与转换头的连接处设有一个孔压传感器，该孔压传感器外有孔压过滤环。

在所述的全流触探球型探头上，孔压传感器一共九个，其中全流触探球型探头底部一个，沿横向的最大圆周设有四个，沿横向的最大圆周与底部之间的中部表面四个。

在所述的全流触探球型探头上，沿横向的最大圆周的四个孔压传感器外设有一个孔压过滤环，在沿横向的最大圆周与底部之间的中部表面的四个孔压传感器外设有一个孔压过滤环，将孔压传感器包裹。

全流触探球型探头直径为60mm，全流触探探杆直径为20mm，长度为200～300mm，孔压静力触探探杆直径35.7mm。

本发明的基于球型全流孔压触探贯入仪的固结系数评价方法具体如下：

1).在试验前需要将孔压过滤环在装满甘油的容器中，并且在100kPa～120kPa的真空压力下饱和24h以上；

2).孔压过滤环在甘油的容器中完全饱和后安装在全流触探球型探头和孔压静力触探探杆底端，将全流触探球型探头在15mm/s～25mm/s的速度下连续贯入，到达需要评价深度土的固结系数位置停止贯入，通过球型全流触探贯入仪上的孔压传感器监测孔隙水压力消散数据；

3).当孔隙水压力消散到超孔隙水压力的50％～80％以上后，则可以继续进行下一个点的测试。

4).将通过孔压静力触探探杆下端部的孔压传感器、全流触探球型探头的孔压传感器测得的超孔隙水压力消散数据用公式计算出土的固结系数，评价土体的工程性质；

所述的固结系数，计算公式如下：

$c_h=\frac{T_{50}{R}^2\sqrt{I_r}}{t_{50}}$

式中：

t₅₀-孔隙水压力消散50％时的时间；

R-圆锥半径；

I_r-刚度指数；

T₅₀-无量纲时间因素。

全流触探土的固结系数计算公式：

$c_h=0.7\left(\frac{D_b{\mathrm{dI}}_r^{0.25}}{t_{max}}\right){\left(\frac{t_{max}}{t_{50}}\right)}^{1.2}$

式中：

D_b-全流触探球型探头直径；

d-全流触探探杆直径；

I_r-刚度指数；

t_max-孔隙水压力达到最大值的时间；

t₅₀-孔隙水压力消散50％时的时间。

有益效果：与传统孔压静力触探相比，本发明解决了孔压消散时间长的缺陷，通过将本发明设备连续、匀速插入土中，得到贯入阻力和孔隙水压力消散参数，再通过计算公式求出土的固结系数。本发明具有快速性、连续性、可靠性和可重复性的特点。

附图说明

图1是本发明用于评价软土固结系数原位评价方法的球型全流触探贯入仪的结构示意图。

图2是图1的底视图。

其中有：全流触探球型探头1，孔压传感器2，孔压过滤环3，全流触探探杆4，孔压静力触探探杆5，转换头6。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图1所示，本发明公开一种用于基于球型全流触探贯入仪的软土固结系数原位评价方法，全流触探球型探头1有九个2孔压传感器，呈对称分布。孔压传感器表面各有孔压过滤环包裹，在贯入过程中能防止土颗粒进入孔压传感器影响试验结果。全流触探球型探头直径为60mm与200～300mm的全流触探探杆相连，全流触探探杆直径为20mm，全流触探探杆与静力触探探杆通过转换器连接，静力触探探杆底部有孔压传感器和孔压过滤环。

下面通过具体的试验实施例说明本发明用于基于球型全流触探贯入仪的软土固结系数原位评价方法：

试验前将孔压过滤环完全饱和后安装在全流触探球型探头，将全流触探球型探头在15～25mm/s的速度下连续贯入，到达需要评价深度土的固结系数位置停止贯入，通过球型全流触探贯入仪上的十个孔压传感器监测孔隙水压力消散数据。当孔隙水压力消散到超孔隙水压力的50％～80％以上则可以继续以15mm/s～25mm/s速度向下贯入进行下一个测试点试验。通过孔压静力触探探杆端部的孔压传感器、全流触探球型探头的九个孔压传感器测得的超孔隙水压力消散数据用公式计算出土的固结系数，评价土体的工程性质。

孔压静力触探土的固结系数计算公式：

$c_h=\frac{T_{50}{R}^2\sqrt{I_r}}{t_{50}}$

式中：t₅₀-孔隙水压力消散50％时的时间；R-圆锥半径；I_r-刚度指数；T₅₀-无量纲时间因素。

全流触探土的固结系数计算公式：

$c_h=0.7\left(\frac{D_b{\mathrm{dI}}_r^{0.25}}{t_{\max }}\right){\left(\frac{t_{\max }}{t_{50}}\right)}^{1.2}$

式中，D_b-全流触探球型探头直径；d-全流触探探杆直径；I_r-刚度系数；t_max-孔隙水压力达到最大值的时间；t₅₀-孔隙水压力消散50％时的时间。